300MW汽輪機組振動不穩(wěn)定的原因分析及處理措施

侯 銳

（大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

某發(fā)電廠10號機組為 C300/220－16.7/0.35/537/537型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽抽汽凝汽式汽輪機，汽輪發(fā)電機組軸系由4個轉(zhuǎn)子構(gòu)成，即1個高中壓轉(zhuǎn)子、1個低壓轉(zhuǎn)子、1個發(fā)電機轉(zhuǎn)子、1個滑環(huán)軸轉(zhuǎn)子。機組共7個軸瓦，其中1、2號軸瓦為可傾瓦，支撐高中壓轉(zhuǎn)子；3、4號軸瓦為橢圓瓦，支撐低壓轉(zhuǎn)子；5、6號軸瓦為橢圓瓦，支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)子；7號軸瓦為圓筒瓦，是滑環(huán)軸尾部的小瓦。各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。

2 機組振動情況

2010年5月1日，該機組首次啟動，汽輪機沖車過臨界時，2號軸瓦振動幅度不大，2X方向振動幅度35μm，見圖1。隨著啟停次數(shù)的增加，在機組升速和降速過臨界時，2號軸瓦振動幅度逐步增大，而且降速過臨界時振動幅度較升速過臨界時振動幅度稍大，其中以2X方向的振動最為突出。2010年11月8日機組升速過臨界（轉(zhuǎn)速1 501r/min）時，2X方向振動幅度增大至247μm，見圖2，停機降速過臨界時振動幅度257μm，比升速振動大；2011年1月12日，機組啟動過臨界（轉(zhuǎn)速1 520r/min）時，2X方向的振動幅度增大至282μm，見圖3。

圖1 2010年5月1日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

圖2 2010年11月8日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

圖3 2011年1月12日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

該機組過臨界時，2號軸瓦的振動特征為：一次比一次大，降速比升速大，熱態(tài)比冷態(tài)大。對比2011年1月機組啟動后運行情況，在機組額定轉(zhuǎn)速（3 000r/min）時，2號軸瓦振動幅度較投產(chǎn)時也明顯增大。

3 振動不穩(wěn)定的原因分析

通過分析機組過臨界時2號軸瓦振動Bode圖，發(fā)現(xiàn)引起機組過臨界時振動幅度增加的主振頻率為基頻，此外，機組運行一段時間后，在額定轉(zhuǎn)速（3 000r/min）時，1、2號軸瓦振動幅度有所增大，基頻相位有一定變化，而且振動由原來的反向變成了同向。同時，從2010年5月到2011年1月，2X方向基頻振動幅度由25μm變?yōu)?80μm，基頻相位由311°變?yōu)?69°；1X方向基頻相位由250°變?yōu)?73°。

以上振動特征說明，高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了彎曲。可能引起高中壓轉(zhuǎn)子彎曲的原因有：嚴(yán)重動靜碰摩；汽缸進水；轉(zhuǎn)子存在大的殘余內(nèi)應(yīng)力。機組在正常運行過程中，當(dāng)存在較大殘余內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)子高溫軸段（尤其是熱應(yīng)力系數(shù)變化強烈的400℃左右的軸段）突然遭遇大量冷卻介質(zhì)等異常情況導(dǎo)致停機時，由于初始溫度高、溫降梯度大及機組轉(zhuǎn)速大幅降低等原因，轉(zhuǎn)子內(nèi)部殘余應(yīng)力的各相異性迅速顯現(xiàn)，此時，即使異常外力不超標(biāo)，但較大的內(nèi)、外應(yīng)力矢量相互替加，也會在敏感軸段的某些方向形成很大的應(yīng)力躍變，當(dāng)應(yīng)力躍變的幅度達到或超過材料在該溫度下的屈服極限時，就會形成局部塑性變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲［1］。

通過追憶DCS曲線，以及每次啟動時機組的膨脹、脹差、上下缸溫差等參數(shù)均在合格范圍內(nèi)，而且嚴(yán)重動靜碰摩和汽缸進水，不會造成機組振動一次比一次大，因此可初步確定轉(zhuǎn)子存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。

由轉(zhuǎn)子存在較大殘余內(nèi)應(yīng)力引起振動的典型特征為［1］：機組首次啟動時振動幅度不大，但隨著機組啟停次數(shù)的增加，盡管每次啟停過程中機組的蒸汽參數(shù)、上下缸溫差、膨脹及脹差等參數(shù)均正常，機組過臨界振動幅度也會逐漸增大，即一次比一次大；機組過臨界時，振動幅度增大，而且在機組額定轉(zhuǎn)速，振動幅度也有所增大，但增大幅度明顯小于過臨界時振動幅度的增大量；在任一轉(zhuǎn)速下，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，振動幅值及相位基本穩(wěn)定；振動主振頻率為基頻，其它頻率成分的振動分量均較??；機組降速過臨界時振動幅度較升速過臨界時振動幅度大，熱態(tài)較冷態(tài)大，但振動曲線形式基本相同。

通過前述現(xiàn)象可知該機組的振動特征與上述特征相符，所以可以確定引起該機組高中壓轉(zhuǎn)子振動增大的原因是高中壓轉(zhuǎn)子存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。

4 振動不穩(wěn)定的處理措施

根據(jù)轉(zhuǎn)子彎曲程度的不同，處理此類故障常用的方法有3種［1］：轉(zhuǎn)子返廠處理；對轉(zhuǎn)子進行現(xiàn)場直軸處理；對彎曲變形小于50μm的轉(zhuǎn)子，僅在機組檢修啟動時直接進行高速動平衡來處理振動問題。根據(jù)對轉(zhuǎn)子彎曲原因的分析可知，第1種處理方式比較完善；第2種處理方式存在彎曲回彈的隱患；采用第3種處理方式時，若轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力未得到徹底釋放，則在機組非正常啟、停機過程中，應(yīng)防止內(nèi)應(yīng)力發(fā)生突變，加重轉(zhuǎn)子的彎曲變形。

為了處理2號軸瓦過臨界時振動幅度超標(biāo)的問題，于2010年9月對該機組進行了大修，揭開高中壓缸進行檢查，發(fā)現(xiàn)中壓第4級、第5級動葉葉頂汽封有部分脫落與動葉圍帶發(fā)生碰摩，圍帶頂部有約100μm深的溝痕，缸內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其他磨痕，由于正常運行時振動無異常，說明機組啟停過程中振動引起碰摩，但碰摩不會使振動幅度一次比一次大，因此碰摩是振動造成的結(jié)果，而不是振動的原因。通過實測發(fā)現(xiàn)，高中壓過橋汽封及中壓第2級隔板汽封處轉(zhuǎn)子彎曲了100μm。鑒于轉(zhuǎn)子彎曲量不大，以及去應(yīng)力處理的工藝要求，轉(zhuǎn)子返廠沒有進行去應(yīng)力處理，只將轉(zhuǎn)子進行高速動平衡處理，將磨損的兩級動葉圍帶車削掉磨損痕跡，并將脫落汽封的隔板返廠修復(fù)。2010年10月，該機組大修結(jié)束，啟動過臨界時2號軸瓦振動得到明顯改善，臨界振動值為101μm。

5 結(jié)束語

隨著大型超臨界機組設(shè)計、制造與運行水平日漸成熟，發(fā)生轉(zhuǎn)子彎曲的概率已很小，但近年來超臨界汽輪機的高中壓轉(zhuǎn)子在若干電廠相繼發(fā)生了熱彎曲或永久性彎曲事故，嚴(yán)重危及機組的安全，且造成了巨大的經(jīng)濟損失。由于鍛件毛坯的“自然時效”時間不夠，未進行去應(yīng)力熱處理，或熱處理工藝不當(dāng)，可能造成轉(zhuǎn)子存在較大殘余內(nèi)應(yīng)力，引起高中壓轉(zhuǎn)子彎曲［2］。因此，建議汽輪機生產(chǎn)廠家嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝，確保轉(zhuǎn)子內(nèi)部殘余應(yīng)力得以完全釋放。對于已投產(chǎn)存在該類振動情況的機組，在采取有效措施處理轉(zhuǎn)子的同時，運行中應(yīng)避免出現(xiàn)溫度、負(fù)荷等參數(shù)的大幅度波動，另外，在停機時不應(yīng)投入快速冷卻裝置，避免冷介質(zhì)進入高中壓缸內(nèi)。

［1］ 田國成，陳會平，柳洪濤.超臨界汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子彎曲及異常振動的分析與處理［J］.動力工程，2009，29（10）：909－913.

［2］ 張學(xué)延，楊壽敏，張衛(wèi)軍，等.汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子材質(zhì)缺陷引起的振動問題［J］.中國電力，2010，43（5）：38－42.