汽輪機冷態啟動過程中動靜碰摩分析與處理

唐貴基，譚秀婷，，盧盛陽

(1.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

汽輪機冷態啟動過程中動靜碰摩分析與處理

唐貴基1，譚秀婷1，2，盧盛陽2

(1.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

針對大型汽輪發電機組冷態啟動過程中經常出現由動靜碰摩振激發的不穩定振動故障的情況，分析了動靜碰摩常見原因、振動特征及相關措施，通過對汽輪機組冷態啟動過程中碰摩故障案例的分析，總結了振動特征和故障原因，并提出具體處理措施以消除機組異常振動。

汽輪機；冷態啟動；振動故障；動靜碰摩

0 引言

碰磨屬于大型汽輪機組運行中較為多見的不穩定振動故障，在新投產的機組或檢修后啟動過程中經常發生，正常運行中也時有發生，容易導致振動的波動、突變甚至大軸彎曲。 據統計，國內300 MW汽輪發電機發生的彎軸事故中，有80%以上是由于碰摩引起的[1]。原國家電力公司“25項反措”中防止大軸彎曲中特別強調動靜碰摩。因汽缸膨脹不暢、缸體變形、基礎沉降等原因會造成汽輪機轉子與汽缸不同心，當為了提高機組經濟性或檢修工藝控制不當等原因造成動靜間隙偏小時就易發生動靜碰磨[2]。動靜碰磨會使轉子產生彈性彎曲，如控制不當極易造成大軸永久彎曲等惡性事故[3]。通過對某電廠汽輪機冷態啟動過程中出現的碰摩故障案例分析，探討了其振動特征、原因，并作出處理，并對相關問題提出建議。

1 動靜碰摩原因及振動特征

1.1 動靜碰摩的原因

動靜碰摩是指轉子在做旋轉運動時與固定的汽缸(及附件)間發生的碰撞摩擦[4]。在汽輪機停機時，轉子與汽缸之間有一定的間隙；在轉子轉動時，由于轉子存在質量不平衡等因素使其轉軸中心與靜子中心產生偏差，這樣轉子與汽缸間的最小間隙會減小；當兩者間最小間隙消除時，兩者將發生碰摩故障[5]。引起動靜碰摩的因素復雜多樣[6]，常見的有以下幾種: 轉軸的振動過大；可能由軸系不穩定、轉子質量不平衡、轉子熱彎曲等因素引起。軸系不對中；特別是機組冷熱態啟動軸承標高發生改變從而引的不對中會使動靜間隙減小導致碰摩。動靜間隙小；可能因為設計缺陷、安裝誤差以及檢修時調整的動靜間隙沒有達到相關標準。缸體跑偏、彎曲或變形；機組啟動過程中，上下缸溫差較大，可能發生彎曲變形，進而引起碰摩。

1.2 動靜碰摩的振動特征

在汽輪機啟動過程中，升速至臨界轉速前容易引發高中壓轉子碰磨故障，轉速很高及負荷很大時，低壓轉子容易發生碰摩[7]。機組啟動過程中發生碰摩時，升速或暖機過程中振動逐漸增大，碰摩初始軸承振動幅值和相位會隨時間波動，具體表現為振動慢慢爬升，打閘后振動經常伴有沖高現象然后緩慢回落，降速過程較升速過程振動大得多。初期碰摩故障的頻譜特征是以基頻變化為主[8]，嚴重時常伴有分頻、倍頻等，于此同時相位也隨之變化。若機組在高運速中：高中壓轉子發生動靜碰磨，即使降速振動也會很大，降速至臨界時振動通常會超過報警值[9]，但是低壓轉子發生碰摩，降速至臨界時通常振動值變化幅度不大。

1.3 碰摩故障處理措施

發生動靜碰磨時軸振較瓦振反應靈敏，因此沖車過程中應密切監視軸振變化趨勢，振動增大較快時應及時打閘[10]，不要等到振動保護動作；因動靜碰磨引起振動過大造成機組停運后，需經低速暖機(磨合)或充分盤車消除熱彎曲。機組在高速或帶負荷過程中：如果出現高中壓轉子發生碰磨現象時，不能立即停機，需降速至高于臨界且振動較小的轉速下運行一段時間在停機，以防直接停機造成機組過臨界轉速時振動太大；若低壓轉子發生碰磨，則需提高排汽壓力來消除機組振動。

2 實例分析

2.1 某電廠11號汽輪機

2.1.1 機組概況

某電廠11號汽輪機額定功率為300 MW、額定轉速3 000 r/min、額定主蒸汽壓力為16.7 MPa,機組軸系由高中壓合缸轉子(HIP)、低壓轉子(LP)、發電機轉子(G)及集電環轉子(E)組成。汽輪輪機兩個轉子為雙支承方式，發電機與集電環采用三支承，高中壓轉子1號、號2瓦為落地式可傾；低壓轉子3號、4號瓦在排汽缸上；發電機5號、6號瓦為端蓋式橢圓瓦。

2.1.2 機組振動情況及處理措施

2016年11月12日11號汽輪機大修后首次沖車，按冷態啟動方式進行，在500 r/min摩擦檢查時各軸承振動未見異常，摩檢結束后升速，轉速升至1 240 r/min進行暖機，在暖機期間1號、2號、3號、 4號軸承振動均明顯上升，其中2號軸承振動變化明顯，X方向振動由剛升速至1 240 r/min的18∠261/29(基頻∠相位/通頻： μm∠°/μm)升至111∠350/117，4號軸承X方向振動由剛升速至1 240 r/min的14∠279/22升至82∠258/93，出于保護，汽輪機打閘投盤車[13]，連續盤車4 h。

連續盤車4 h后繼續沖車，升速至1 250 r/min后，繼續暖機，暖機過程中1號、2號、3號、 4號軸承振動又明顯增大，其中2號軸振變化仍很明顯，X方向振動達到208∠286/209，再次升速至暖機時的2號軸承振動Bode圖見圖1，各軸承振動變化值如表1所示。

圖1 再次沖至1 240 r/min暖機時2X振動Bode

表1 1 250 r/min時及暖機后各軸振變化

項目基頻∠相位/通頻:μm∠°/μm升速至1250r/min1250r/min暖機后1X6∠107/2054∠101/691Y7∠20/2176∠208/842X8∠194/21208∠286/2092Y7∠304/19114∠145/1273X22∠132/2961∠208/743Y14∠15/24125∠290/128

由表1數據可知，在1 250 r/min暖機時，汽輪機各軸承發生了較嚴重的動靜碰摩，考慮到該轉速在高中壓轉子臨界轉速以下，1號、2號軸承振動較大，過臨界困難，因此機組再次打閘，投盤車。

連續盤車4 h后機組繼續啟動，機組在經過高中壓轉子一階臨界轉速區時各軸承振動無明顯變化，機組升速至2 050 r/min暖機。暖機過程中，機組振動無明顯變化，暖機結束后，順利沖至3 000 r/min。機組沖車至3 000 r/min各軸承振動值見表2。

表2 3 000 r/min各軸承振動

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X8∠130/211Y7∠217/202X15∠255/312Y9∠317/263X17∠282/293Y19∠68/35

由表2數據可知，汽輪機沖車至3 000 r/min各軸承振動情況優良。機組進行電氣試驗與汽輪機的主汽門、調門嚴密性試驗完畢后，并網進行帶負荷暖機，嚴密性試驗期間2號軸振圖見圖 2。

圖2 嚴密性試驗期間2X振動Bode

暖機結束后進行機械超速試驗，兩次機械超速試驗動作轉速分別為3 270 r/min和3 260 r/min，機械超速試驗合格。機械超速試驗過程中，各軸承振動未出現明顯增大。

機械超速試驗結束后再次并網升負荷，機組負荷逐漸升至300 MW，在升負荷過程中各軸承振動穩定，未發生明顯上升。300 MW負荷時，汽輪機各軸承振動值見表3。

表3 300 MW負荷時各軸承振動

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X14∠110/301Y3∠67/362X11.5∠114/242Y8∠203/193X8∠191/253Y12∠253/24

2.2 某電廠1號汽輪機

2.2.1 機組概況

某電廠1號汽輪機組的額定功率為300 MW、額定轉速3 000 r/min、額定主蒸汽壓力為16.7 MPa。機組軸系由高中壓合缸轉子(HIP)、低壓轉子(LP)、發電機轉子(G)及集電環轉子(E)組成。汽輪機兩個轉子為雙支承方式，發電機與集電環采用三支承，高中壓轉子1號、2號瓦為落地式可傾瓦；低壓轉子 3號、4號瓦在排汽缸上；發電機 5號、6號瓦為端蓋式橢圓瓦，見圖3。

圖3 機組軸系布置

2.2.2 機組振動情況及處理措施

2017年1月8日該機組小修后啟動，第一次啟動，按冷態啟動方式進行。在500 r/min低速暖機時各軸承振動未見異常，升至2 040 r/min進行中速暖機，暖機過程中，機組各軸承振動隨著暖機時間的延長，振動值均出現爬升，其中1Y(1號軸承Y方向)振動變化最為突出，暖機結束時振動由50.8 μm升至81.2 μm，圖4為1Y振動Bode圖，各軸承振動數據見表4。

圖4 2 040 r/min暖機后1Y振動Bode

表4 2 040 r/min暖機后各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X64∠194/751Y71∠294/81.22X64∠217/722Y52∠309/60.13X69∠195/78.44Y59∠290/67

引起振動變化的主振頻率為基頻，基頻相位由309°變為294°，說明高壓轉子發生了熱彎曲，引起熱彎的原因是汽缸內發生了動靜碰摩。暖機75 min后，機組打閘，當轉速降至1 600 r/min時，進入臨界轉速區，汽輪機各軸承振動均超過報警值，其中2X振動值最大達到209 μm，通過對各軸承振動情況分析，可知降速過程中振動突增的原因是：中速暖機過程中汽缸內產生動靜碰摩，降速過程中通過高中壓臨界轉速區時產生共振，碰摩加劇，引起振動進一步增大。

機組盤車5 h后繼續沖車，仍按照冷態啟動方式進行。沖車過程中未進行暖機，直接沖至3 000 r/min。在沖車過程中碰摩現象一直存在，升至1 487 r/min和1 620 r/min時，進入低壓轉子和高中壓轉子一階臨界轉速區，各軸承振動增大，但是均沒有到報警值。隨著轉速繼續升高，振動值迅速回落，3 000 r/min定速后汽缸膨脹4.0 mm，脹差1.5 mm，各軸承振動值均小于50 μm。圖4為升速過程中1Y軸承振動Bode圖，定速后各軸承振動值如表5所示。

表5 定速3 000 r/min時各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X35.5∠190/471Y39∠285/51.72X16.5∠235/362Y15.5∠320/333X17.2∠224/323Y16∠321/30

由表5中振動數據，可知定速3 000 r/min時只有1Y振動值大于50 μm,但是仍在優良范圍內。

機組定速后進行主汽門、調門嚴密性試驗，試驗結束后重新沖車至3 000 r/min，進行了兩個小時的并網前電氣試驗，電氣試驗結束后，汽缸膨脹5.9 mm，脹差6.2 mm。由于3 000 r/min空負荷維持了大約2 h，高中壓缸軸承振動明顯好轉，各軸承振動見表6。

表6 嚴密性試驗后各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X28.2∠206/381Y35∠296/41.42X14.2∠241/272Y13.3∠336/273X12.3∠232/243Y12∠321/22.3

3 結束語

探討了動靜碰摩故障的原因、振動特征及措施。并通過對實際案例的分析著重探討了汽輪機組啟動過程中出現不穩定振動情況，根據振動特征，判定故障均為高中壓缸動靜碰摩，并作出相應的處理措施，兩起振動故障均是經過多次低速暖機或充分盤車來消除熱彎曲。

某電廠11號機組大修后冷態啟動：機組在1 250 r/min暖機時，由于此時汽缸進汽量小，暖缸效果并不明顯，反而使汽缸內出現碰摩，造成汽輪機各軸承振動增大，不得不打閘停機連續盤車，這樣大大延長了啟動時間；根據振動學理論：在高于一階臨界轉速的20 50 r/min進行暖機時，由于碰摩產生的不平衡力與轉子熱彎曲成反相，一般不會使轉子越摩越彎，產生惡性循環，所以在2 050 r/min暖機時碰摩產生的振動較1 250 r/min暖機時的振動要小得多。建議機組冷態啟動時取消1 250 r/min暖機轉速，適當延長2 050 r/min暖機時間；汽輪機高中壓轉子為新換轉子，由于轉子的殘余應力釋放需要一定的時間，有可能會引起高中壓轉子啟停過臨界振動增大。因此，建議在機組停機后盡量不要投快冷。因為如果汽缸內溫度場變化快時，會加快轉子殘余應力的釋放。

某電廠1號機組大修后冷態啟動：機組中速暖機時，由于汽缸內部件受熱不均，可能是由于隔板汽封、葉片圍帶汽封以及軸端汽封與轉子碰摩使機組振動過大；機組在2 040 r/min打閘惰走至1 600 r/min左右振動突然增大，主要是在中速暖機過程中汽缸內產生碰摩，降速過程中通過高中壓臨界轉速區時產生共振，碰摩加劇，引起振動進一步增大；機組在3 000 r/min空負荷維持了2 h以上，汽缸內組件受熱均勻、高中壓缸膨脹正常，汽輪機各軸承振動明顯好轉。

建議今后在冷態啟動過程中適當延長機組的空負荷暖機時間，在機組并網前，盡量確保汽缸充分受熱膨脹，并網后升負荷過程中嚴格按照機組冷態升負荷曲線進行。

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本文責任編輯：丁 力

Diagnosis Analysis and Treatment for Rub-impact Between Movingand Stationary Parts in Cold Starting-up Process of Steam Turbine

Tang Guiji1，Tan Xiuting1,2，Lu Shengyang2

(1.North China Electric Power University Department of Mechanical Engineering Baoding 071003，China; 2.Hebei Electric Power Academy of Sciences,Shijiazhuang 050021，China )

This paper introduces common causes,vibration characteristics and relevant measures about the rub-impact between moving and stationary parts.And through the analysis of the case about the cold starting-up process of the steam turbine, discusses the vibration characteristics and the cause of the problem, and gives the concrete measures to eliminate the abnormal vibration.

steam turbine; vibration fault; rub-impact between moving and stationary parts

TM311

：A

：1001-9898(2017)04-0028-04

2017-03-24

唐貴基(1962-)，男，教授，博士生導師，主要從事結構動特性測試與分析、振動與噪聲控制、狀態監測與故障診斷等方面的教學和研究工作。