國產某聯合循環汽輪機振動分析及處理措施

荊華

（黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾161000）

0 引言

國內某390 MW、9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組，其蒸汽輪機為三壓、再熱、三缸、沖動、抽凝式汽輪機。該機組帶負荷運行過程中存在振動波動現象和膨脹不暢現象，本文分析了出現異常的原因，提出了正確的處理措施，使得軸系振動值降到了優秀水平[1-3]。

1 汽輪機振動波動情況

某熱電#2機組汽輪機自2016年末檢修完成后，機組帶負荷運行過程中存在振動波動現象和膨脹不暢現象，經查機組歷史數據，檢修前同樣存在振動波動現象，#2機組汽輪機波動情況如圖1所示。

圖1 #2機組檢修前振動波動情況

2017年3月，#2機組因燃機問題停機后，現場各方專家對#2機組汽輪機1#、2#軸振波動振動情況進行分析研究，提出以下觀點及問題：1）根據軸振頻譜數據分析，軸系振動以基頻為主，無雜頻分量，存在動靜碰磨現象；2）上次檢修發現高壓缸L形調整墊片變形，以及與高壓外缸之間間隙不符合設計值的問題，再次對高壓缸L形調整墊片狀態表示懷疑；3）機組運行過程中，絕對膨脹和高壓脹差存在階躍現象；4）機組停機后投入盤車，高壓缸電、調端端汽封均有摩擦聲，中壓調端端汽封有摩擦聲；5）高壓缸調端貓爪溫度較高，貓爪上平面（汽缸中分面）在機組熱狀態向上的位移量約為0.20 mm（架百分表監測數據）。

鑒于以上問題，主張開缸檢查高壓缸L形調整墊片，懷疑L形墊鐵可能存在變形問題，現場決定揭開#2機組汽輪機高壓外缸檢查高壓缸L形調整墊片、高壓缸端汽封以及翻瓦檢查2#聯合軸承等。

2 檢查內容

#2機組汽輪機揭高壓外缸檢查后，檢查項目及所發現的問題如下：1）經檢查，L形墊鐵無異常；2）通過內 窺鏡 檢查 高壓 缸電端、調 端定 中心梁，定中心梁外觀無異常；3）高壓缸端汽封檢查。經檢查，高壓缸電端側有一圈汽封圈上半裝反，磨損比較嚴重，見圖2所示。

圖2 高壓缸端汽封磨損情況

高壓缸電、調端端汽封部分汽封圈下半存在磨損情況，除裝反的汽封圈外，其余端汽封磨損情況比較輕微：1）2#軸承翻瓦檢查。檢查2#聯合推力軸承，2#軸承無異常情況，推力瓦擋油環磨損比較嚴重，如圖3所示。2）前箱縱向鍵間隙檢查。前箱縱向鍵間隙在機組冷態、熱態時不一致，機組冷態工況下前箱縱向鍵左側0.05 mm塞尺不全通，右側0.03 mm塞尺不全通；機組熱態工況下前箱縱向鍵左側0.20 mm塞尺全入，右側0.03 mm塞尺不通；縱向鍵設計總間隙為0.04～0.08 mm。

圖3 推力軸承擋油環磨損情況（左側下半，右側上半）

3 處理措施

3.1 端汽封

更換檢修時裝反的汽封圈，并參照相鄰汽封圈齒高調整新汽封圈齒高；根據端汽封摩損情況，對端汽封下半有磨痕的汽封弧端，下部汽封間隙放大0.20 mm，左側間隙放大0.10 mm，右汽封間隙放大0.15 mm，并對所有汽封齒進行修尖處理。

3.2 推力軸承擋油環

在原擋油環的基礎上，按照圖樣要求重新加工螺紋形尖齒。

3.3 高壓缸、中壓缸貓爪調整

根據對#1機組高壓缸貓爪溫度測量數據計算，高壓缸貓爪因溫度引起的高度方向的熱膨脹量為0.10～0.15 mm。現場采取在高壓缸調端貓爪下墊塊施加水冷卻裝置（電端側貓爪下墊塊原有水冷卻），并調整高壓缸電端、調端貓爪壓塊間隙至0.15～0.20 mm，中壓缸電端、調端貓爪壓塊間隙調整至0.15～0.20 mm。

3.4 高排、中壓主汽管道位移測點

此次開缸檢查無法對前箱縱向鍵進行有效的檢查，我們懷疑縱向鍵間隙變大的情況可能是因缸體承受了較大的橫向力產生的，并且高壓排汽管道和中壓主汽管道在汽輪機缸體和鍋爐之間無死點，我們懷疑高排、中壓主汽管道熱膨脹產生的推力、推力矩對汽輪機缸體有較大的影響。所以在機組停機開缸檢查期間，在高排管道和中壓主汽管道部分管段設置了一些位移監測點，監測機組運行過程中管道位移情況。

4 效果驗證

2017年4月，#2機組汽輪機掛閘沖轉，1500 r/min暖機60 min后，成功定速3000 r/min，3000 r/min工況機組汽輪機3#軸振略高，其余各瓦振動參數良好，如圖4所示。

圖4 #2機組汽輪機3000 r/min各瓦軸振參數

圖5 機組絕對膨脹和高壓脹差階躍現象

#2機組在22：21開始帶負荷運行，機組帶負荷運行過程中，絕對膨脹和高壓缸脹差存在階躍現象，如圖5所示。

機組負荷36、39、100 MW工況下，就地檢查發現高壓調端左側、高壓電端左右兩側貓爪存在浮起現象；機組繼續升負荷后，高壓電端左右兩側貓爪存在浮起現象消失，高壓調端左側貓爪存在浮起現象仍然存在；機組滿負荷長時間運行后，高壓調端左側貓爪存在浮起現象依舊存在，未見改善。高壓缸貓爪間隙監測結果如表1所示。

表1 高壓缸貓爪間隙數據 mm

根據#2機組滿負荷運行中，高壓缸調端左側貓爪浮起現象分析，機組運行過程中可能承受較大的橫向推力和推力矩的影響，否則高壓缸貓爪不會被抬起。

檢查高排、中壓主汽管道位移監測點數據，位移監測點布置情況和位移數據如圖6～圖7和表2所示。

圖6 高排管道位移測點布置情況

圖7 中壓主汽管道位移測點布置情況

表2 高排管道位移測點數據 mm

記錄機組滿負荷工況下高排、中壓主汽管道位移測點數據，并根據計算模型進行核算，中壓主蒸汽管道位移實測結果與有限元計算結果無較大的差異，高排管道位移測點2的橫向位移與理論計算值存在較大差異（因測點問題未采集到高排1的橫向位移）。

5 高壓缸貓爪浮起現象分析

#2機組汽輪機帶負荷期間，高壓缸貓爪浮起現象為:初期為高壓左前、右前、右后貓爪浮起（調端為前，電端為后，左右為從調端看向電端的左右手方向），浮起間隙0.10～0.15 mm（貓爪下部間隙），機組高負荷穩定運行后高壓缸左前貓爪浮起，貓爪浮起間隙0.10 mm。

圖8 GEDI范圍與汽輪機及凝汽器連接的主要接口的推力及力矩

圖9 測點“高排2”橫向位移的實測與理論計算結果

根據機組高壓缸貓爪存在浮起現象，并結合高排管道位移測點的Y向位移數據和有限元理論計算結果的對比進行分析，初步懷疑是由于高排管道熱膨脹的推力和推力矩對高壓缸的影響作用導致高壓缸貓爪浮起現象。

如圖8所示，管道模型主要接口的推力及推力矩計算中，熱態工況下高壓缸高排接口所承受的推力分別為FY1=-12 287 N和FY2=-16 605 N。

圖10 4月5日121.6 MW工況測點“高排2”實測位移量

根據高排管道位移測點數據和有限元計算數據分析，如圖9所示，測點“高排2”實測橫向位移Y=-7 mm，在管道有限元計算中“高排2”所對應點的橫向位移為Y=1.201 mm（哈汽計算結果）。測點“高排2”實測橫向位移與理論計算位移存在差異，“高排2”實測橫向位移記錄如圖10所示。

在管道模型有限元計算的基礎上進行推算，高排主管道上施加一個-Y方向的力，使“高排2”的橫向位移由Y=1.201 mm變化至Y=-7 mm，經計算，施加的力F=110 kN。機組121.6 MW負荷工況下，高壓缸接口橫向推力分別為62 kN和68 kN（-Y方向），與設計院提供的設計數據不符，且差距較大。熱態工況管道膨脹推力對高壓缸的推力F和推力矩M示意圖如圖11所示。

考慮機組熱狀態下高排管道膨脹推力和推力矩是導致機組高壓缸貓爪浮起現象的原因，并且高排管道膨脹推力和推力矩也可能是導致汽輪機組振動波動現象和機組軸向膨脹不暢現象的原因。

6 機組現狀

圖11 管道推力和推力矩示意圖

結合上述分析給出了新的解決方案：對高排管道采取相應的處理措施，消除機組熱狀態下管道熱膨脹對高壓缸的推力和推力矩作用，徹底檢查前箱滑銷系統以及其他影響機組膨脹不暢的因素，消除機組振動波動現象、機組軸向膨脹不暢現象和高壓缸貓爪浮起現象。如需升降負荷，要以緩慢的速率升降負荷，盡量減少因負荷、參數等變化對機組產生的擾動因素。目前該機組在帶滿負荷運行時各處軸振如表3所示，消除了振動波動現象，相比于未帶負荷情況，振動值略有升高，但已達到良好范圍。

表3 汽輪機軸系各瓦振動值 μm

因為#1機組汽輪機和#2機組汽輪機存在振動波動、膨脹不暢以及貓爪浮起現象的共性，借鑒#2機組的經驗，對#1機組采取徹底的檢查、處理措施，徹底消除機組膨脹不暢現象和高排管道熱膨脹對高壓缸的影響作用，解決了振動波動問題。

7 結論

1）汽輪機軸系各瓦的振動都是基頻振動，未出現低頻以及高頻振動，對汽輪機軸系各瓦的處理方案合理有效，問題得到徹底解決；2）機組冷態啟動過程中汽輪機軸系各瓦軸振參數良好，滿足規范要求；3）帶負荷工況下，機組振動穩定性較好，滿足運行要求；4）變負荷運行工況證明，汽輪機機組變負荷能力良好。