火電廠汽輪機運行異常振動原因分析

倪福源

內蒙古大唐國際錫林浩特發電有限責任公司 內蒙古 錫林郭勒 026000

汽輪機的異常振動現象比較常見,要想通過異常振動來判斷汽輪機的故障情況相對來說還是比較復雜的,汽輪機的異常振動影響因素較多,例如：進氣參數、油質、油溫控制、系統零部件、轉子、軸承等,對于汽輪機的運行都可能產生一定的影響,引發異常振動現象,針對不同部位發出的異常振動以及聲響特點進行分析,需要相關的運行人員具備一定的經驗基礎,能夠有效對于不同的異常振動進行判斷分析,從而排除故障,解決振動問題,保證汽輪機的正常有序運行。

1 汽輪機異常振動的主要原因

1.1 設計及制造缺陷 汽輪機在制造階段,由于在設計結構上存在不合理或者零部件加工精度不夠,轉子在高速和低速平穩試驗過程中無法達標,出現一側離心力,使得機組產生異常振動故障,這是汽輪機本身在生產制造過程中就存在的弊病,設備制造商是問題出現的源頭。

1.2 安裝工藝不合格 機組在組裝時的工藝精度,將直接對汽輪機振動產生影響。汽輪機支承系統中,軸頸與軸承鎢金側間隙不當、軸承與軸瓦安裝間隙不合格、軸承標高不合理、軸承座地腳螺栓松動等,均會引起汽輪機的異常振動。這就要求現場組裝時掌握好各零部件的間隙,避免摩擦磨損的情況出現。

1.3 汽輪機轉子熱變形 在汽輪機運行的過程中,轉子因受熱不均出現彎曲變形,將會引發汽輪機的異常振動,而轉子出現彎曲變形的影響因素比較多,主要原因有：動靜摩擦、轉子受熱或冷卻不均勻、中心孔進油等。比較常見的情況是,機組冷態啟動后帶初負荷,轉子溫度攀升,金屬內應力釋放引起轉子熱變形,一倍頻振動增大,并伴隨離心相位發生變化。轉子在出現彎曲變形后,彎曲的轉子會造成軸彈力的變化,導致轉子在運行過程中出現不平衡現象,這兩種作用力如果實現相互抵消,作用力大小需要保持一致,但是不平衡會導致動力差距增大,無法實現兩者之間的相互抵消,這種力的差距會導致系統振動。

1.4 轉子質量不平衡 轉子的質量不平衡可分為靜不平衡與動不平衡。對于軸向尺寸較小的轉子一般表現為靜不平衡,當轉子質量重心偏離中心一定距離時會產生離心力,離心力的合力不為零時,其方向會隨著轉動而發生周期性變化,同時離心力會對軸承施加一個附加的動壓力,使整體產生周期性的振動。

轉子的動不平衡通常出現在軸向尺寸較大的轉子上,其質量分布不可近似地認為在同一回轉面內,離心力為空間力系,單靠在某一回轉面內加平衡質量的靜平衡方法無法達到使離心力合力和離心力合力矩為零的目的。必須使用動平衡試驗法：選定兩個輔助平面將各不平衡質量按比例分解在兩平面內,最后再利用靜平衡的方法使兩輔助平面內的力達到平衡。

而在運行中發生葉片斷裂、脫落或者磨損不均勻、腐蝕、結垢等情況,都會使轉子產生質量不平衡；轉子找平衡時,平衡塊選擇不當或者安裝位置不當,轉子上某些零部件松動,發電機轉子線圈松動或不平衡,均會造成轉子質量不平衡。以上情況存在時,轉子轉動所產生的離心力就無法達到平衡狀態,轉子每轉動一周,則受到一次沖擊,該沖擊力周期作用的結果,就是異常振動。

1.5 高負荷下配汽方式突變或不合理 大功率機組在高負荷運行時汽輪機配汽方式發生突變,會引起汽輪機的異常振動。例如：高低壓加熱器汽側解列,使得抽汽量驟降,可能會引起汽輪機超壓超負荷,從而導致劇烈振動；順閥控制的機組調節汽門卡澀或門芯脫落,調節級出現部分進汽,氣流沿周向分布不均勻,造成軸系振動；如果調節汽門重疊度設置過小或沒有,執行機構的特性曲線就會出現波折,影響調節系統靜態特性的同時,也會導致機組異常振動。

1.6 油膜震蕩 隨著汽輪機轉速的升高,在某一轉速下油膜力的變化產生一個失穩分力,使軸頸不僅在旋轉過程中圍繞軸中心線運行,而且軸中心線本身還需要圍繞平衡點甩轉或渦動,當渦動頻率等于轉子的一階臨界轉速時,渦動干擾力的頻率與軸頸的固有頻率相等,軸頸振幅急劇放大,此時便產生油膜震蕩。

2 汽輪機異常振動問題有效應對的措施

汽輪機在設計、制造及安裝中的振動控制措施,在此不做贅述,重點探討一下從集控運行的角度出發,對于汽輪機異常振動的控制。主要體現在預防措施上。可以從以下幾個方面入手：

2.1 做好轉子熱彎曲變形預防措施 在火電廠的汽輪機運行管理工作中,要重點針對異常振動問題進行分析和研究,明確轉子熱變形是影響汽輪機振動的主要原因之一,因此,需要做好轉子的防彎曲變形措施。首先要保證啟動前機組和管道的徹底疏水、充分預熱,汽輪機連續盤車2～4h,使汽輪機轉子、汽缸均勻受熱膨脹,控制脹差、上下缸溫差、內外壁溫差在允許范圍內,最大限度減少熱應力的產生。其次是根據汽輪機調節級內壁金屬溫度,選擇合理的沖轉參數,保證新蒸汽過熱度50℃以上,避免因受熱不均或受冷而導致的動靜摩擦。

熱態機組啟動投軸封供汽時,應確認盤車裝置運行正常,先向軸封供汽,后抽真空。停機后,凝汽器真空到零,方可停止軸封供汽。應根據缸溫選擇供汽汽源,以使供汽溫度與金屬溫度相匹配,避免軸封汽帶水。

2.2 保證汽水品質 嚴格執行鍋爐冷、熱態沖洗制度。新投產機組和停運時間超過150 小時的鍋爐啟動前必須進行水清洗。沖洗時按相關運行規程步驟操作,同時加強汽水化驗,對Fe、渾濁度、油脂、pH 值、電導率、SiO2等指標嚴格把控,保證給水、蒸汽品質,水質不合格時禁止回收利用,避免汽輪機通流部分積鹽結垢。

2.3 優化運行調整 運行中盡可能減少啟停次數,嚴格控制升速率和負荷變動率,以減少設備熱疲勞和微觀缺陷引起的裂紋,杜絕超壓、超溫運行,防止葉片斷裂；加強對潤滑油系統的監視,保證各油泵工作正常、軸承潤滑油壓穩定,定期化驗油質合格,顆粒度及水分滿足要求,防止油質劣化造成軸瓦損壞。

2.4 做好油膜振蕩問題解決 針對汽輪機的油膜振蕩,主要控制措施有：增加軸瓦比壓,提高軸承工作穩定性,可通過增加軸承載荷、縮短軸瓦長度以及調整軸瓦中心來實現；縮小軸瓦頂部間隙,使之等于或略小于兩側間隙之和,這種措施實際上是增加軸承的橢圓度,進而提高軸瓦穩定性,它比單純提高軸瓦比壓或減少長徑比有效；降低軸瓦和軸頸之間的接觸角度；控制好潤滑油溫,降低潤滑油的動力黏度,黏度越大,油分子間的凝聚力越大,軸頸旋轉帶動的油膜厚度就越大,其穩定性就越差；增加上瓦的軸襯寬度,以便形成油膜,可提高上瓦油膜力。

總結

火電廠汽輪機的異常振動問題對于汽輪機的整體運行會產生一定的影響,需要引起重視。針對汽輪機的異常振動原因分析,制定相應的解決方案,提升汽輪機故障判斷及預防能力,是目前火電廠汽輪機管理工作的重點。