背壓發電機組首次啟動瓦振振動超標分析及消除措施

杜東亮

（中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東 濟南 250200）

大唐魯北發電有限責任公司新建6MW背壓發電機組采用青島捷能KS3510B6-2.7/1.1/540型背壓式汽輪機。調試過程中，背壓發電機在帶負荷投入軸封加熱器時，背壓式汽輪機軸振動突升，被迫手動控制打閘停機，機組調試工作中止。為保證機組的安全穩定運行，對調試過程中的動作指令、操作步序及歷史數據進行調取，從設計、制造、安裝及運行操作等多方面分析原因，排除故障，確保背壓發電機盡快投入運行。

1 設備狀況

大唐魯北發電有限責任公司原有汽輪機為北京汽輪電機有限責任公司生產的N330－17.75/540/540型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、凝汽式汽輪機。鍋爐為哈鍋廠設計制造的HG-1018/18.58-YM23型鍋爐，該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、單爐膛自然循環汽包鍋爐。前期已進行熱再抽汽和壓力匹配器抽汽工業用汽改造，原機組對外供熱為再熱段減溫減壓與蒸汽壓力匹配器并聯進行供熱。由于該形式存在蒸汽通過減溫減壓器后壓損較大，能量利用不合理現象。故在保證機組安全運行的前提下新增背壓發電機組，汽源采用熱再抽汽高品質的蒸汽拖動背壓發電機組，發出的電接入廠用電6.3kV系統，降低廠用電率，背壓發電機機組排汽經過減溫后替代原有供熱設備對外供熱，實現蒸汽再利用達到降低整體煤耗的目的。

該新增背壓汽輪機汽源為540℃、3.4MPa高溫中壓蒸汽，排汽后用戶要求蒸汽為230℃、1.2MPa的中溫中壓蒸汽。背壓機采用青島捷能汽輪機集團股份有限公司生產的單缸背壓式汽輪機，汽缸為單缸結構，由前缸、后缸兩部分組成。新蒸汽從側部主汽門下部直接進入高壓調節汽閥蒸汽室內，在前汽缸下半的底部設有疏水口。縱銷設置在前軸承座與前底板之間，橫銷設置在后軸承座與后底板之間，立銷設置在前、后軸承座與汽缸之間。橫銷與縱銷中心線的交點為機組熱膨脹“死點”，當汽缸受熱膨脹時，由前“貓爪”推動前軸承座向前滑動。轉子采用高強度合金鋼材料整鍛轉子，轉子整鍛出多個葉輪盤和推力盤，以適應變參數運行急劇的負荷變化和快速啟動。配汽機構為調節汽閥及連桿形式，即為群閥提板式結構，型線閥碟，裝于前汽缸上部，屬噴嘴調節。負荷變動時，各閥碟按一定順序開啟。

2 故障情況

新建6MW背壓發電機組調試沖轉期間就存在軸承振動突升現象，轉速升至1200r/min時1#軸承振動由48um突然升至100um，調試人員手動控制急停。新增背壓發電機組暖機后再次啟機，沖轉至1000r/min維持運行6h后再次進行提升，背壓發電機至3000r/min由于轉速控制不穩再次中斷調試。停機后對調節汽閥油動機進行清洗后再次啟機，此后轉速至3000r/min保持穩定；空負荷運行正常后進行帶負荷試驗，背壓發電機組帶4MW負荷時，背壓發電機組進汽、排汽等運行參數略有波動，即導致背壓機發電機組偏心及1#瓦軸振會逐步增加，任何調整均無法降低，機組被迫再次手動拍停，進行原因排查處理，通過分析、專家咨詢，排查原因及處理措施如下。

3 故障分析與措施

3.1 動靜部件存在碰磨現象

背壓機發電機組在沖轉過程中，在背壓汽輪機前、后軸承處均有輕微間斷性碰磨聲，但沖轉過程控制室DCS監視畫面軸振等參數在轉速至1200r/min前均正常。背壓發電機組為廠內組裝后整體到貨，出廠前已完成轉子動平衡及整體空負荷試運行，故排除內部異物及轉子不平衡方面原因，汽輪機組啟動、運行工況出現振動異常，主要從系統設計和現場安裝查找原因，考慮機組空負荷試運后層進行內部汽封間隙微調，故懷疑背壓汽輪機端部汽封及缸體內處存在輕微動靜碰磨點，當背壓汽輪機至臨界轉速區時，軸系振動值與碰磨點形成共振，導致軸承振動異常加大，引起背壓發電機組瓦振突升。根據現場檢查判斷分析碰磨點為汽封與轉子間隙過小，汽封齒與轉子呈現硬接觸，而在不具備開缸檢修的條件下，消除動靜碰磨點的唯一解決辦法就是進行動態碰磨，只能通過人為監視運行，通過轉子告訴旋轉，磨損消耗與之接觸部分汽封齒，達到汽封間隙符合運行要求。動靜部分間隙小問題在機組調試后，軸承座油擋檢查時已證實。

采取措施：通過低速盤車，對背壓機軸封處進行聽音判斷，碰磨點大致位于前、后軸封處，碰磨聲呈間斷規律性，確認背壓機短時高速旋轉不會出現惡化趨勢。會議討論后確定在已驗證的背壓發電機組振動正常區域下（1200r/min以下）保持運行，控制每次提升率不大于150r/min，每次升速不大于600r，監視背壓發電機組振動變化，待背壓機發電機組振動下降至穩定值后再嘗試提升轉速，直至3000r/min。在背壓發電機組汽封碰磨期間，運行值班人員設專人監視機組運行參數，通過調整背壓發電機組進汽量確保機組軸承振動值始終處于控制范圍內，必要時手動強制停機。通過24h動態碰磨汽封齒，消除汽封裝配間隙小的現象，空負荷運轉瓦振趨于平穩值，振動值略有下降減少。

3.2 背壓機發電機組膨脹熱位移異常

調試過程中，背壓汽輪機組暖機和沖轉過程中熱膨脹位置量多次出現上漲停滯現象，背壓發電機組任一運行參數調整均會導致背壓汽輪機脹差、偏心、1#瓦振值增加。典型現象示例：背壓發電機組帶4MW負荷時，絕對膨脹約為11mm，并保持4h未上漲，但在負荷調整后機組振動不受控制上漲，直至停機。在此期間，現場就地設備監護人員明顯感到機組異常振動，背壓發電機基礎一同出現震感。機組拍停后，DCS監視畫面中絕對膨脹陡然增加了0.3mm。通過查閱背壓發電機組說明書，背壓汽輪機絕對膨脹值約13mm。背壓發電機組運行過程中膨脹量未達到廠家要求，疑似機組膨脹不暢。

采取措施：由于機組膨脹不暢多由于機組受外力限制或無法自由膨脹所致，故有限對滑銷系統和管道應力進行排查。

（1）排查滑銷系統是否阻塞機組自由膨脹。機組停運后，對背壓發電機組滑銷系統進行檢查，1#、2#軸承座縱銷、橫銷間隙均小于安裝要求。由于背壓發電機組為整體供貨，故與設備廠家確認，出廠裝配間隙符合要求，由于施工現場保溫碎屑、灰塵等微小異物飄入，現場測量值均小于實際值，不影響機組運行。猜想由于微小異物填充，縱銷、橫銷間隙偏小，導致機組運行過程中出現膨脹不暢現象，經現場討論后，決定通過控制背壓機轉速升降，膨脹極限行程方式，來消除該問題；后經測試，猜想符合實際情況。

（2）排查熱力管道系統是否按設計要求自由膨脹。由于該背壓發電機組蒸汽溫度、壓力參數較高，背壓發電機組進汽、排汽管道管徑均大于同類型其他機組，而背壓式發電機組本體汽機本體級數少、重量輕，機組對管道受力敏感，故需對與背壓發電機組相連接管道進行應力核校，確保背壓發電機組本體不承受額外外力。通過對進汽、排汽管道依照現場實際安裝情況重新進行應力計算，將背壓發電機排汽管道增加一處大拉桿橫向補償器，釋放管道殘余應力；背壓汽輪機前座回油、潤滑油進口管等略大口徑管道在近背壓發電機組處加裝金屬軟管等措施，削弱與被壓汽輪機組相連接管道受力傳遞，減少背壓汽輪機組額外受力。機組啟動后膨脹值約12mm，背壓汽輪機組運行振動值略有下降。

3.3 軸封加熱器抽汽過大

該背壓發電機組軸封加熱器用途為回收軸封漏汽，防止軸封漏汽進入軸承座內。軸封加熱器通過背壓汽輪機排汽作為工作汽源，使其內部維持在0.097～0.099MPa(絕)，靠其微負壓來抽除隨軸封漏汽。背壓機組軸封加熱器投入前帶負荷運行振動值穩定，當投入軸封加熱器時，背壓機組瓦振逐漸升高。分析原因為現場汽封加熱器冷卻水低（約20℃），與計算數據偏差（40℃）較大，所配軸封面積理論計算值較實際需用值偏大，因此該汽封加熱器抽吸能力較大，引發軸封溢汽冷卻水量過大，軸封加熱器凝結水量遠遠大于理論計算值，而軸封加熱器疏水管管徑選用計算值測算，管徑較小，軸封加熱器疏水不暢，引發投入軸封加熱器機組運行異常，通過查看無壓疏水管水平段出水口滿管流水判別。

采取措施：背壓汽輪機機組轉子沖轉過程中脹差值是一直向正方向變化的。因為在背壓汽輪機加熱或冷卻過程中，轉子溫度升高或降低的速度都要比汽缸快，相應的膨脹或收縮的速度也要比汽缸快。汽封套受熱后向兩側膨脹，對整個汽缸的膨脹影響不大。而與汽封相對應的轉子主軸段受熱后則使轉子伸長。汽封供熱對轉子伸長值的影響是由供汽溫度來決定的，但加熱時間也有影響。在對背壓發電機組排汽壓力和排汽溫度重新核算，軸封加熱器工作氣源管徑偏大，導致汽封加熱器建立負壓過大，軸封兩端可能出現空氣倒吸現象，在背壓機端部汽封形成低溫負壓區，低溫氣流激振現象導致背壓機轉子軸頸軸冷熱不均，熱膨脹的不均，易導致轉子出現異常碰磨現場。通過對背壓機軸封漏氣量重新核算，在汽封加熱器工作蒸汽管路增加節流孔板后，控制汽封加熱器一級壓力-3～-5KPa，削弱軸封加熱器在軸封處吸力，同時擴大軸封加熱器端部無壓疏水管徑，確保無壓疏水管出水口水流為半滿管狀態，排除軸封加熱器疏水不暢對背壓機端部汽封處的影響。

3.4 操作運行方式不當

背壓發電機組跳機后立即熱態啟動，熱態沖轉過程，現場排汽管道、汽缸及基礎都有明顯抖動，現場人員立刻打閘停機，但整個沖轉過程控制室DCS監視畫面軸振等參數都顯示正常。DCS監視數據說明振動源較大可能來源于外部管道，調取背壓機本體缸溫數據，背壓機下缸及排氣口位置溫度下降速度明顯大于上缸及進氣口。疑似熱啟動過程前，由于排汽管道排空突然遇冷，管道急劇收縮，管道熱膨脹位移與機組沖轉時整個系統發生共振共同導致。

采取措施為調整優化啟動方式：機組甩負荷停機后，盡量避免開排空門及與汽缸相聯的疏水門，避免汽缸突然遇冷；如必須開啟時，應有緩慢開啟并控制缸體溫度下降速率、當背壓汽輪機本體及近背壓汽輪機本體管道壓力降至略高于大氣壓后關閉，使近背壓汽輪機本體區域仍保持微憋壓燜管狀態。機組帶負荷停機后，容易對背壓機轉子軸系彎曲度造成一定影響，應盤車2h以上，進行緩釋轉子自身撓度再進行熱啟動。熱啟動前應確保主蒸汽溫度高于缸溫50℃，且升速率盡量提高，同時盡快帶負荷，避免汽缸在小負荷下遇冷，避免蒸汽凝結成水，降低背壓發電機底部疏水量。采用電動主汽門節流或并排汽并熱網沖轉的方式。

4 結語

汽輪機組重大故障主要體現在蒸汽泄漏、油系統泄漏、汽輪機超速、組件機械損壞四個方面。而高轉速下動組件機械損壞導致事故更加惡劣，汽輪機組軸位移和脹差是最能直接反映汽輪機動靜間隙的重要參數，機組軸向位移傳感器的零位鎖定及防誤碰措施設置合理性，將決定機組運行期間檢測元件能否真實有效反映汽輪機內部動靜間隙，如果控制不當，脹差或軸位移超標有可能造成機組軸向動靜碰摩，會產生劇烈振動，對設備造成損壞。

通過機組調試期間分析及處理，該機組異常振動原因主要集中在背壓汽輪機軸端動靜摩擦及機組膨脹熱位移不暢兩方面，根據分析結果形成控制措施并執行，6MW背壓式發電機組再次啟機，連續滿負荷運行168h無異常，背壓發電機組達到移交條件。