300 MW汽輪機通流改造后振動問題的分析和處理

李曉暉，葛晶晶

（浙能臺州發電廠，浙江 臺州 318016）

300 MW汽輪機通流改造后振動問題的分析和處理

李曉暉，葛晶晶

（浙能臺州發電廠，浙江 臺州 318016）

某300 MW機組進行汽輪機高中壓缸通流增容改造后，高負荷時出現1號、2號軸承振動突然升高的現象，分析為汽流激振導致。通過優化調整4個調門的閥序、提高軸承軸瓦比壓、改造軸承油流管路等方法，軸承的振動得到了有效控制。

汽輪機；汽流激振；閥序優化；軸瓦比壓；油路改造

0 引言

汽輪機機組的汽流激振是汽輪機內部汽流激振力造成的汽輪機轉子振動突然增大的現象。隨著汽輪機容量與蒸汽參數的提高，汽流激振已成為影響汽輪機安全運行的重要因素。汽輪機內部汽流激振力的來源主要有：軸封蒸汽激振力、葉頂間隙激振力、作用在轉子上的不對稱蒸汽力和力矩3個方面[1]。

目前，對于汽輪機激振的研究可以大致分為工程研究與理論研究。工程研究主要通過振動測量裝置獲得汽輪機組的振動情況，并通過工程實踐總結出汽輪機激振的影響因素，如汽流結構、軸承結構、運行方式等，針對性地提出解決措施，如改變進汽方式、改造軸承結構、加大轉子剛度、增大系統阻尼、調整軸瓦標高等[2-5]。部分研究人員通過數值模擬方法研究了渦動效應與葉頂圍帶密封蒸汽流造成的激振力[6]、配汽方式對激振力的頻率產生影響[7]、轉速和頻率對激振力的影響[8]、部分進汽汽輪機動葉在進入及離開進汽通道的過程中的激振力變化情況[9]。汽輪機葉輪偏心也是產生激振的因素之一，一般采用動葉做功法進行相應的理論計算與分析[10-12]。

本文針對300 MW機組通流改造擴容至330 MW后所產生的汽流激振問題進行分析，提出有效的解決方案，成功解決了限制機組出力的振動故障。

1 存在的問題

某汽輪機為東方汽輪機廠（日立技術）生產的N300 MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸(高中壓缸合缸)、雙排汽、凝汽式汽輪機。為了提升機組出力，進行了汽輪機高中壓缸通流改造，改造后機組增容至330 MW。主要改造內容為汽輪機高壓缸噴嘴組、高壓缸第2～9級隔板和動葉片進行更換；高/中/低壓缸汽、軸封結構和徑向間隙進行優化改造；為平衡軸向推力，高中壓轉子進行了補充加工。機組采用節流噴嘴配汽方式，由4只高壓調節汽閥控制。

通流改造后，汽機沖轉至機組并網初期（45 MW以內），汽機軸承多次發生振動，1X及2X振幅為150～200 μm，從而導致數次停機。幾次振動均表現為振幅緩慢爬升、振動相位也在緩慢變化、轉子發生碰摩，隨后在升負荷過程中，控制負荷緩慢上升，經過長時間磨合后，機組振動幅值和相位逐漸恢復正常，振幅均在40 μm左右。

此后，機組負荷280 MW以上時，又多次發生1號、2號軸振動突然增大現象，分析發現振動與高壓調門開度關系密切，如：負荷301 MW時，調門CV1和CV2全開、CV3強制全關，當CV4開度由37%開至42%時，1X從34 μm突升至188 μm，2X從45 μm突升至139 μm；負荷310 MW時，CV1和CV2全開、強制CV4開度40%，CV3從18%開至26%時，1X從35 μm突升至184 μm，2X從49 μm突升至158 μm，如圖1所示。

圖1 調門開度與振動試驗曲線

幾次振動突變均發生在機組帶高負荷且高壓調門動作時，與啟動初期的低負荷振動現象不同的是高負荷發生的振動上升快，持續時間在1 min左右。

2 高負荷振動原因分析

機組帶高負荷時1X和2X振動出現突升，振動上升快，持續時間在1 min左右，并且與調門開度有關。從振動突變前后幅頻看，軸承1X振動一倍頻幅值基本不變，而30 Hz（0.6倍頻）左右的分量由6 μm突升至179 μm，導致振動突升，1X軸承振動頻幅見圖2。機組振動故障發生時有以下特征：

（1）機組帶高負荷（負荷超過280 MW）時，某一瞬間振動會出現突增，減負荷后振動可恢復，有較好的重復性；振動突變有門檻負荷。

（2）振動與調門開度關系密切，低頻分量的出現與高調門開度有明確關聯，當CV3和CV4開度達到一定幅度時，低頻分量會突然出現，速關該調門，低頻分量瞬間消失。

圖2 1X振動幅值分析

從以上現象和特征判斷：1X和2X振動突升是由汽流激振引起的。

因葉片頂部間隙的周向不均勻，在轉子上會引起不平衡扭矩。由不平衡扭矩作用在轉子上產生的蒸汽渦動轉動和靜止部件不同心，導致產生葉片頂部間隙內汽流的周向流動。由汽封內部靜壓的周向變化引起的蒸汽渦動，汽封間隙沿圓周向的變化將導致汽封內部靜壓的變化。這等同于許多個氣體軸承，這些氣體軸承產生的交叉剛度積累到一定程度將導致軸系的失穩，從而產生汽流激振。

3 消除汽流激振的措施

對于汽流激振的處理主要從兩方面著手：減小汽流激振力和提高轉子-軸承系統的穩定性。提高軸承的穩定性是現場處理的主要手段，本著先易后難的原則，通過運行在線參數調整、軸承比壓調整、優化油路等手段來抑制汽流激振。

3.1 閥序優化調整

在高負荷段，1X，2X軸振與CV3，CV4開啟順序有關，當CV3強制全關，CV4開至48%時，1X，2X軸振突增（從50 μm至188 μm）；當CV4開度最大限制為40%，CV3高調開至26%時，1X，2X軸振又突增（從50 μm至195 μm）。

針對這一現象，對4個調門做閥序調整試驗，在單閥方式下，機組負荷250 MW，CV1—CV4開度在40%以上，1X和2X有失穩趨勢，在單閥方式下繼續增加負荷不可行。

在多閥方式下，進行多種閥序調整：

（1）嘗試3-1-4-2，即CV3全開，CV1和CV4同時開啟，CV2最后開啟，開啟過程中1X和2X有失穩趨勢。

（2）嘗試2-1-4-3，重疊度65%，CV4開度35%以上時，振動有失穩趨勢，后將CV4開度限制30%，機組能帶到310 MW負荷。

（3）將CV1和CV4開啟順序互換，即2-4-1-3，CV4開度40%時，1X和2X有失穩趨勢。

經過以上調整，認為最理想閥序是2-1-4-3，CV1和CV2全開，CV4開度限制30%，CV3強制關閉，負荷能帶到310 MW。

3.2 潤滑油溫度壓力調整

改變潤滑油溫度和壓力，將潤滑油壓力從0.17 MPa提升到0.22 MPa，潤滑油溫從41℃變到49℃，1X和2X軸振基本無改善。

3.3 軸承優化

3.3.1 增加軸瓦比壓

針對現場運行狀態及特點，采取了增大1號、2號軸承比壓的方法：在原設計基礎上，1號軸承的寬度單邊減小15 mm，2號軸承寬度單邊減小10 mm，具體尺寸變化見表1。

表1 1號、2號軸承縮短長徑比

增加軸承比壓后，機組啟機帶負荷過程中，280 MW以下時，軸系各瓦振動達優，但隨著負荷增加，1號、2號軸振在短時間內劇增，1號軸振不時會達到跳機值，機組仍不能帶上滿負荷安全運行。

3.3.2 抬高軸承標高的可行性

根據軸承軸系結構，計算分別抬高各軸承對載荷的影響，結果見表2，軸承的標高變化對1號軸承載荷的影響較小，因此通過抬高軸承標高來提升1號軸承穩定性的可行性不現實。

表2 增加軸承標高對載荷的影響

3.3.3 軸承油路優化

原設計軸承上瓦開有1/2軸承寬度的油槽，槽深1.6 mm，其作用是：在軸承動特性滿足要求的前提下，改善軸承的靜特性，如可降低瓦溫、減少功耗等。而機組增容后，在280 MW負荷以上時，1號、2號軸振劇增且低頻分量大，說明在高負荷下軸承的穩定性余度不夠，在增加軸承壓比和抬高1號軸承標高都無法抑制振動時，將上瓦的油槽封堵，增加上瓦的抑制力，讓轉子中心下浮，以增加軸承的穩定性。

上瓦油槽封堵后，軸承的進油需要從軸承兩側同時進油，對現有管路進行改裝，將原排油孔改為進油孔，按流量分配定進油孔徑的大小，并保證潤滑油進油通道的流速不大于2 m/s。

原軸承結構在靠箱內側無擋油環，為增強穩定性，加裝該側擋油環，可增大軸承阻尼，進一步提高軸承穩定性。

改造完成后，1號、2號軸承按解體前間隙數據進行復裝。處理后啟動機組成功帶滿負荷，振動無異常并在優良范圍，機組振動得到有效控制。在機組滿負荷試驗時，1號軸承振動值為52 μm，2號軸承振動值為55 μm。

4 結論

（1）經過4個調門進汽閥序優化調整、1號和2號軸承比壓調整、油路優化改造后，1號、2號軸承振動問題得到了明顯改善，機組在滿負荷運行時，軸承振動值穩定在40～60 μm。

（2）1號和2號軸承改造后，軸承金屬溫度、潤滑油溫度、軸向位移等參數穩定，整個軸系運行正常。

（3）機組投入AGC運行后，在負荷快速、頻繁的變化中，軸承振動仍保持穩定。

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（本文編輯：徐 晗）

Analysis and Treatment on Vibration Fault after Throughflow Retrofit of 300 MW Steam Turbine

LI Xiaohui，GE Jingjing
（Zhejiang Energy Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China）

After throughflow capacity increase of high and medium pressure cylinder of a 300 MW steam turbine，the vibration of#1 and#2 bearings sharply increase in high load，which is analyzed caused by steam exciting force.By valve sequence optimization and adjustment of four dampers，specific pressure improvement of bearing bush and oil circuit reconstruction of bearings，the vibration is effectively mitigated and can adapt to AGC operation of units.

steam turbine；steam exciting force；valve sequence optimization；specific bearing bush pressure；oil circuit reconstruction

TK268+1.1

B

1007-1881（2016）06-0049-04

2016-03-28

李曉暉（1978），男，工程師，主要從事發電廠生產技術管理工作。