某電廠135MW汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)振動(dòng)分析及處理

楊鑫+范帥

摘要 某135MW熱電廠1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)在熱態(tài)啟動(dòng)升速過(guò)程中，汽輪機(jī)的#1瓦、#2瓦、#3瓦的軸振異常上升，#2軸瓦Y向振動(dòng)最高達(dá)到260μm（254μm保護(hù)跳機(jī)）。且在一次熱態(tài)啟機(jī)過(guò)程中，汽機(jī)轉(zhuǎn)速在600rpm時(shí)振動(dòng)達(dá)到了179μm，且10min內(nèi)無(wú)明顯下降趨勢(shì)。本文針對(duì)汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)中的振動(dòng)異常原因進(jìn)行分析，并提出了具體的處理方案和建議，為以后同類型的機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試提供參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞 汽輪機(jī)；熱態(tài)啟動(dòng)；振動(dòng)大；上下缸溫差；軸封蒸汽溫度

中圖分類號(hào)TK2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095—6363（2017）03—0046—03

汽輪機(jī)振動(dòng)的大小，是決定汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)能否繼續(xù)升速乃至并網(wǎng)帶負(fù)荷的重要參數(shù)。對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，微小的振動(dòng)是不可避免的，振動(dòng)的幅度只要不超過(guò)規(guī)定振動(dòng)值，就屬于正常振動(dòng)，這種振動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)沒(méi)有影響。但是出現(xiàn)超過(guò)振動(dòng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，會(huì)使得機(jī)組的動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦，造成轉(zhuǎn)子的變形、彎曲、斷裂，甚至是葉片損壞，此時(shí)必須停止啟機(jī)，查明異常振動(dòng)的原因，消除缺陷。

1機(jī)組概況

某135MW熱電廠#1機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的C110/N135-13.24/535/535/0.3型式汽輪機(jī)為超高壓、中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、單抽凝汽式、濕冷、供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接而成，共5個(gè)軸瓦，均為橢圓瓦，#1、#2、#3、#4、#5軸承都是落地式軸承座。高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為1647r/min，低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為1570r/min，發(fā)電子轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為1 370r/min。軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間為：1300r/min～1800r/min。

2汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)振動(dòng)簡(jiǎn)介

2016年4月5日，某熱電廠#1機(jī)組進(jìn)入整套啟動(dòng)調(diào)試階段，首次啟動(dòng)為冷態(tài)啟動(dòng)。從汽機(jī)沖轉(zhuǎn)到機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷至55MW試運(yùn)行，汽機(jī)的軸系振動(dòng)以及其他各項(xiàng)參數(shù)均無(wú)異常。期間軸系最大振動(dòng)為#1軸Y向，達(dá)到了95μm（過(guò)臨界轉(zhuǎn)速），帶負(fù)荷后穩(wěn)定在了75μm。

2016年4月9日，某熱電廠#1機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，#3軸Y向振動(dòng)異常增大，此時(shí)汽機(jī)已帶60MW的負(fù)荷運(yùn)行了超過(guò)48h。經(jīng)過(guò)半個(gè)小時(shí)后，機(jī)組振動(dòng)大達(dá)到跳機(jī)值（254μm），經(jīng)查，發(fā)現(xiàn)各高壓脹差明顯增大；9日17點(diǎn)，機(jī)組盤車至偏心正常后，決定進(jìn)行一次熱態(tài)啟機(jī)。但是在此次熱態(tài)開(kāi)機(jī)過(guò)程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)_至500rpm時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)就突然變上升，超過(guò)了124μm的報(bào)警值，且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)下降趨勢(shì)。相較于冷態(tài)開(kāi)機(jī)的機(jī)組振動(dòng)參數(shù)差別非常大。之后調(diào)整開(kāi)機(jī)參數(shù)，嘗試了多次熱態(tài)啟機(jī)，異常振動(dòng)情況依然沒(méi)有得到良好的改善。

3振動(dòng)特征及原因分析

3.1振動(dòng)特征

1）振動(dòng)信號(hào)的主頻仍為工頻以及伴隨出現(xiàn)少量分頻、倍頻和高頻分量，振動(dòng)波形存在“削頂”現(xiàn)象；2）振動(dòng)的幅值和相位都具有波動(dòng)特性，振幅急劇增大；3）降速過(guò)臨界時(shí)的振動(dòng)較正常升速時(shí)大，停機(jī)后轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，測(cè)量大軸的晃度比原始值明顯增加。

3.2振動(dòng)原因分析

相對(duì)于冷態(tài)啟動(dòng)，熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間短，升速率更快，主蒸汽的溫度需要根據(jù)汽缸金屬溫度來(lái)確定，相對(duì)應(yīng)的軸封溫度和壓力、上下缸的溫差、凝汽器的真空都要做出相應(yīng)的調(diào)整，如果按照冷態(tài)啟動(dòng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)，則會(huì)造成汽機(jī)軸系振動(dòng)大、動(dòng)靜摩擦等故障，從而延誤了開(kāi)機(jī)的時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞汽輪機(jī)設(shè)備。

通過(guò)觀察冷態(tài)啟動(dòng)及機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷的情況可以看出，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡、瓦溫、膨脹都較好，轉(zhuǎn)子、滑銷均無(wú)問(wèn)題，通過(guò)和冷態(tài)啟動(dòng)相對(duì)比，熱態(tài)啟動(dòng)有以下幾點(diǎn)特征：

1）熱態(tài)啟機(jī)打閘后在盤車狀態(tài)，#2瓦處轉(zhuǎn)子的晃度現(xiàn)場(chǎng)架百分表測(cè)量，達(dá)到了56μm，與初始值之差大于20μm（初始值為24 um），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間盤車后，晃度值恢復(fù)至啟機(jī)前數(shù)值。由此可以判斷，轉(zhuǎn)子有一定程度的熱彎曲。

2）前期熱態(tài)啟機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)，高壓軸封進(jìn)汽溫度低于高壓軸封進(jìn)汽處金屬溫度；3）機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，外缸外壁上下溫差過(guò)大（90℃～100℃）。

對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)講，摩擦可以產(chǎn)生抖動(dòng)、渦動(dòng)等現(xiàn)象，但實(shí)際有影響的主要是轉(zhuǎn)子熱彎曲。動(dòng)靜摩擦?xí)r圓周上各點(diǎn)的摩擦程度是不同的，由于重摩擦側(cè)溫度高于輕摩擦側(cè)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向截面上溫度不均勻，局部加熱造成轉(zhuǎn)子熱彎曲，產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡力作用到轉(zhuǎn)子上引起振動(dòng)。

上述幾點(diǎn)特征可以分析表明：由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和上下汽缸加熱不均勻以及進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽與內(nèi)部金屬溫度不匹配導(dǎo)致動(dòng)靜部件之間的間隙變小，引起了動(dòng)靜摩擦，從而引發(fā)了軸系的異常振動(dòng)。

4解決異常振動(dòng)的措施

4.1提高軸封蒸汽的溫度

在熱態(tài)啟機(jī)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)高壓軸封進(jìn)汽處金屬溫度在290℃～310℃，此時(shí)高壓軸封的進(jìn)汽溫度維持在180℃～220℃時(shí)，與高壓軸封進(jìn)汽處的金屬溫度就會(huì)有50℃以上的溫差，進(jìn)汽后會(huì)對(duì)軸系造成很大程度的冷卻，直接表現(xiàn)為機(jī)組高壓缸脹差一直不穩(wěn)定，時(shí)高時(shí)低。因此，在保持機(jī)組高壓脹差在正常范圍內(nèi)的同時(shí)，必須提高高壓軸封的進(jìn)汽溫度和壓力，使其與高壓軸封進(jìn)汽處金屬溫度相匹配。

針對(duì)本機(jī)組熱態(tài)啟機(jī)時(shí)，高壓軸封溫度與軸封進(jìn)汽處金屬溫度不匹配的情況，主要可采取以下措施可避免溫差大影響開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)組振動(dòng)：

1）停機(jī)后，將汽輪機(jī)缸內(nèi)最高金屬溫度控制在270℃以下，再進(jìn)行熱態(tài)啟機(jī)。

2）采用蒸汽參數(shù)更高的軸封汽源?？梢杂弥髡羝M(jìn)行軸封供汽，不過(guò)此汽源需要加裝減溫減壓裝置，防止汽封壓力、溫度過(guò)高對(duì)汽封造成損害。

3）在軸封供汽母管上加裝大功率的電加熱器。機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)電加熱器來(lái)提高輔助蒸汽的溫度以滿足機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)對(duì)軸封溫度的要求。

第2和第3種方法需要設(shè)計(jì)部門和汽輪機(jī)廠家根據(jù)本機(jī)組熱力特性確定具體的改造方案。

4.2減小上下缸的溫差

在首次熱態(tài)開(kāi)機(jī)過(guò)程中，汽機(jī)高壓內(nèi)缸上下缸的溫差為40℃～48℃，停機(jī)后，上下缸的溫差會(huì)出現(xiàn)小幅度的增大，但是不會(huì)超過(guò)50℃，因此還是在開(kāi)機(jī)允許范圍內(nèi)的。但是高壓汽輪機(jī)的隔板汽封徑向間隙的為0.3mm～0.6mm，通過(guò)計(jì)算可以知道，超高壓汽輪機(jī)上、下缸溫差每增加10℃，調(diào)節(jié)級(jí)下部徑向間隙就會(huì)減小0.13mm。因此，若是汽封間隙安裝時(shí)偏下限值，則會(huì)造成徑向間隙減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)消失，造成動(dòng)靜摩擦，從而引發(fā)汽輪機(jī)振動(dòng)。為此，需要將汽輪機(jī)的上下缸溫差控制在20℃以內(nèi)。

4.2.1造成上下缸溫差大的原因分析

1）檢查汽機(jī)汽缸的保溫。由于上下缸具有不同的重量和散熱面積，下缸重量大于上缸，下缸布置有抽汽管道，散熱面積大，在同樣的加熱或冷卻條件下，下缸散熱快而加熱慢，所以上缸溫度會(huì)大于下缸溫度；如果下汽缸的保溫設(shè)計(jì)、施工不合理、保溫層厚度不達(dá)標(biāo)，就會(huì)加劇下汽缸的冷卻，增大上下缸的溫差。

2）檢查疏水是否暢通。通過(guò)檢查汽機(jī)抽汽、本體以及軸封的疏水，發(fā)現(xiàn)機(jī)組五段抽汽逆止閥前存在積水現(xiàn)象。五段抽汽作為采暖抽汽，在70MW負(fù)荷以下時(shí)，不作投用。設(shè)計(jì)上五段抽汽逆止閥前的疏水排放至無(wú)壓，未進(jìn)凝汽器，啟機(jī)過(guò)程中開(kāi)啟疏水會(huì)降低汽機(jī)的真空，所以未開(kāi)啟，由此造成冷水反入汽缸內(nèi)，降低汽輪機(jī)下缸溫度。

4.2.2減小上下缸溫差的措施

1）在進(jìn)行汽缸保溫時(shí)，應(yīng)采用良好的保溫材料（不宜使用石棉制品）和施工工藝，保證機(jī)組正常停機(jī)后的高壓內(nèi)缸上下缸溫差不超過(guò)35℃，最大不得超過(guò)50℃；2）熱態(tài)啟動(dòng)停機(jī)后，對(duì)疏水進(jìn)行一次全面檢查，確保疏水暢通并保證疏水及抽汽閥門的嚴(yán)密性，同時(shí)五段抽汽逆止門前的疏水接入凝汽器。開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)蒸汽系統(tǒng)、汽機(jī)本體及抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行充分的疏水；3）開(kāi)機(jī)前，通過(guò)主蒸汽供汽對(duì)汽缸進(jìn)行下半夾層加熱。加熱蒸汽的壓力控制在2.0MPa～2.5MPa，進(jìn)汽溫度則高于高壓內(nèi)缸上半內(nèi)壁溫度即可。同時(shí)，需要嚴(yán)密監(jiān)視夾層加熱的進(jìn)汽量，防止汽機(jī)轉(zhuǎn)子被沖轉(zhuǎn)。

5處理結(jié)果

通過(guò)上述的處理措施后，再次進(jìn)行了熱態(tài)啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)在升速全過(guò)程表現(xiàn)良好（振動(dòng)峰值為92μm），機(jī)組順利的定速3 000rpm。前后2次熱態(tài)啟機(jī)軸系振動(dòng)情況如下表1所示。

通過(guò)表1、表2比較（同轉(zhuǎn)速）軸系振動(dòng)情況比較可知：通過(guò)提高高、低壓軸封進(jìn)氣溫度；減小汽機(jī)高壓缸內(nèi)外缸的上下溫差；熱態(tài)啟機(jī)前機(jī)組進(jìn)行充分疏水等措施有效改善了機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸系的振動(dòng)情況，保證了機(jī)組的安全啟動(dòng)和運(yùn)行。

6結(jié)論

通過(guò)對(duì)機(jī)組的熱態(tài)開(kāi)機(jī)異常振動(dòng)的分析，判斷和處理，我們得出以下結(jié)論：

1）在機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)提高軸封的進(jìn)氣溫度，可以有效避免出現(xiàn)汽封端出現(xiàn)動(dòng)靜摩擦。

2）在機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，盡量減小汽機(jī)上下缸溫差可以有效防止汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)摩擦振動(dòng)。

3）熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，適當(dāng)減小凝汽器的真空，有利于充分暖機(jī)，使汽機(jī)充分膨脹，從而避免出現(xiàn)異常摩擦振動(dòng)。