超臨界機組小汽輪機振動分析與處理

閆 旭

(國家能源集團銅陵發電有限公司，安徽 銅陵 244153)

0 引言

汽動給水泵組汽輪機(小汽輪機)作為現代大容量燃煤電廠的重要輔機,其運行的可靠性對機組的安全穩定運行影響較大。汽動給水泵組跳閘,一方面會造成機組降低出力運行從而影響機組發電,另一方面,嚴重時會造成機組跳閘,給電力系統的安全帶來不利影響。而小汽輪機振動大是造成汽動給水泵組跳閘的最主要的原因之一,因此,必須從管理上、技術上引起足夠的重視。

某電廠一期工程1,2號機組汽輪機是上海汽輪機廠制造的630 MW超臨界壓力純凝汽式汽輪機,每臺機組配備2臺50 %容量的汽動給水泵組和1臺30 %容量的電動給水泵組。小汽輪機為上海汽輪機廠生產的單缸、單軸、沖動式、下排汽純凝汽式汽輪機,其連續運行調速范圍為2800～6000 r/min,一階臨界轉速為2145 r/min,二階臨界轉速為9324 r/min。

引起小汽輪機振動異常增大的原因有多種,主要包括：測振元件故障、滑銷系統卡澀、汽流激振、軸封溫度過低、動靜摩擦、軸承磨損、軸承座松動、汽動給水泵組轉子中心不正、轉子熱彎曲、聯軸器松動、軸承油溫過低、軸承供油不足、油膜振蕩和轉子質量不平衡等。公司統計數據顯示,轉動機械的80 %以上的振動故障是由轉子質量不平衡、轉子中心不正和動靜摩擦這三類原因引起的。

1 小汽輪機振動情況

某電廠2號機組小汽輪機前后軸承分別為1瓦(前軸承)和2瓦(后軸承),均配有x和y方向的軸振探頭,軸振報警值設定為80 μm,跳閘值設定為125 μm。

2017-07-26,2B小機轉速4500～4700 r/min之間,前軸承振動突發性異常增大,嚴重威脅機組的安全運行。為此,電廠技術人員采用EVM-8動態數據采集分析系統對2B給水泵組振動故障數據進行采集、診斷。

7月27日,2號機組負荷基本穩定在450 MW,2B小機轉速在4500～4700 r/min之間波動,小機前軸承x向軸振波動明顯,由60 μm左右上升到100 μm。機組升負荷后,2B小機轉速超出4700 r/min,小機前軸承x向軸振由100 μm快速降到50 μm左右,繼續升負荷,振動維持在50 μm附近。當2號機組負荷下降,小汽輪機轉速回落至4700 r/min以下時,2B小機前軸承x向軸振又由65 μm升至最高101 μm。

7月28日凌晨,2號機組降負荷過程中,2B小機轉速在4500～4700 r/min之間時,小機前軸承振動突變現象再次發生,而7月28日上午升負荷時,2B小機轉速在4500～4700 r/min之間時,振動穩定,并未出現振動突變現象。

對于2B小機后軸承,發現其振動與轉速直接相關,在高負荷運行期間,2B小機后軸承振動較大,最高可達100 μm。在轉速升降過程中同一轉速下,振動重復性較好。

2 振動原因分析

(1) 汽流激振。2號機組在2017年多次啟停,小汽輪機也曾經過多次啟停,每次啟動汽源不同（四抽或者輔汽）,每次啟動參數均有一定差異,但小汽輪機前后軸承振動數值差異不大,因此,小汽輪機振動增大與小汽輪機的啟動參數選擇無關；又因小汽輪機振動突變只在特定轉速區間內發生,且具有一定偶然性,故可排除汽流激振。

(2) 膨脹受阻。現場檢查小汽輪機外殼與基礎之間未發現任何異常,滑銷系統良好,說明小汽輪機振動突變并非因膨脹受阻引起。

(3) 臺板與預埋地腳螺栓間隙。現場檢查小汽輪機基礎臺板與預埋的地腳螺栓間隙,發現熱態下,地腳螺栓螺桿與基礎臺板預留膨脹間隙為2 mm,符合小汽輪機廠家設計要求；檢查軸承座和聯軸器,均無松動現象,可排除上述原因。

(4) 軸封與軸承潤滑油參數。查閱2B小機振動突增前后的歷史數據,發現軸封壓力和溫度均在規定值,潤滑油壓力、流量和油溫也均在規定值范圍內,未發生任何異常變化。因此,可排除軸封溫度過低、軸承油溫過低或軸承供油不足等原因。

(5) 油膜振蕩。油膜振蕩的一個重要特征是只有當小汽輪機轉速大于一階臨界轉速的2倍時才會發生,同時振動發生時振幅突然驟增,振動非常劇烈甚至有可能造成軸瓦的損壞。查閱2B小機歷史振動數據后發現,在轉速4250 r/min (約為一階臨界轉速的2倍)附近,前后軸承振動幅值平穩,變化不大,故可排除油膜振蕩的原因。

(6) 動靜碰摩或振動探頭故障。從2B小機前軸承采集的數據來看,振動保持穩定期間,振動幅值穩定在50 μm。振動變化主要出現4500～4700 r/min且轉速快速變化的階段。當轉速變化較緩慢時,未發生振動突變。分析發現,振動主要以1倍頻為主,變化過程也是以1倍頻變化為主,表明轉子可能存在動靜碰摩等問題,初步判斷可能是1號軸承存在碰摩故障；同時由于1x向振動變化時,1y向振動基本不變,故不能排除存在信號異常的可能性。綜上所述,1x向振動可能原因有兩個：一是碰摩故障,可能是軸封、阻汽片或油擋處發生了摩擦；二是1x向振動探頭共振,該振動在4500～4700 r/min轉速區域有時出現,可能與支架的松動程度有關。

當振動探頭松動或者傳輸線故障時,也會導致振動異常增大。該類振動的顯著特征是小汽輪機打閘后振動幅值會保持不變。查閱2B小機歷史打閘數據發現,打閘保護動作后2B小機前后軸承的振動幅值顯著下降。同時,聯系熱控專業人員檢查振動探頭、傳輸線、卡件等,均未發現異常。因此,可以排除1x向振動探頭共振,最終確認1x向振動的原因為碰摩故障,碰磨的原因有可能是軸封、阻汽片或油擋處發生了瞬間摩擦。

(7) 轉子質量不平衡。轉子質量不平衡引起的振動主要有穩定型質量不平衡、突發型質量不平衡、漸變型質量不平衡及隨機型質量不平衡等類型。2B小機后軸承高負荷時振動大,從采集的數據來看,振動與轉速直接相關,且重復性較好,轉速越高,振動越大。振動現象基本符合穩定型質量不平衡引起的震動故障特征。頻率成分主要以1倍頻為主,且振動穩定。由于機組在一階臨界轉速附近振動不大,說明轉子的振動主要是由二階質量不平衡所致,因此判斷為二階質量不平衡故障。

3 故障處理

(1) 碰摩故障處理。2B小機前軸承振動故障,初步分析認為是碰摩故障。因此,在2號機組正常運行中加強運行調整,盡量避免小汽輪機轉速4500～4700 r/min區間快速變化。2017-08-31,2號機組停機A修,期間對2B小機進行徹底檢查,主要檢查1號軸承軸封間隙、軸瓦、油擋等裝置。檢查發現,小汽輪機缸內汽封處部分碰磨、1號軸承油擋處明顯碰磨,這也證明了之前的判斷。在A修中對2B小機進行了以下處理：對2B小機軸封間隙按標準值調整,對小機軸瓦墊塊進行研磨,以保證良好的接觸面積,小機軸瓦間隙均按標準值下限進行調整。

(2) 質量不平衡故障處理。2B小機后軸承振動故障,初步分析認為是二階質量不平衡所致。由于加重位置受限,現場動平衡效果無法保障。本次A修期間2B小機轉子返廠進行了高速動平衡處理,在2B小機轉子1瓦側110°位置和2瓦側290°位置的配重孔上,各加裝了120 g的平衡塊。

11月13日,2號機組A修結束,對2B小機進行6300 r/min超速試驗,小機1x和1y軸振均在20 μm左右,2x和2y軸振均在50 μm左右。我國現行的汽輪機軸振標準規定：汽輪機轉速在3000 r/min及以上時,軸振在25 μm以下為良好,50 μm以下為合格。因此判定,2B小機檢修后軸振達到了合格標準。在隨后的幾個月中,2號機組多次滿負荷,2B小機在不同負荷段、不同轉速區間振動均正常。

4 結束語

引起小汽輪機振動的原因比較復雜,在分析監測數據的同時,還應結合現場設備的運行、檢修情況,同時應重視設備基礎安裝、檢修數據的收集、整理和匯總,從小汽輪機組振動數據的變化分析機組運行狀況,進而對設備異常及故障進行診斷,才能達到事半功倍的效果。