汽輪機啟動過程中的振動故障分析及處理措施

陳令國 王家旭

（山東電力建設第三工程有限公司，山東 青島 266000）

一、汽輪機啟動振動故障概述

（一）研究背景

隨著電力工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，大容量、高參數(shù)汽輪機組在我國現(xiàn)有機組中占有重要地位。隨著大機組效率要求的不斷提高，轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙減小，接觸碰摩故障的可能性增大。汽輪機組旋轉(zhuǎn)和靜止部件碰摩是機組運行中的常見故障。接觸碰摩故障會使汽輪機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非常復雜的振動，嚴重時會導致轉(zhuǎn)子永久彎曲，甚至破壞整個軸系。因此，準確分析和診斷接觸碰摩故障，研究和分析接觸碰摩故障機理，無疑將提高機組運行的安全性和經(jīng)濟性，防止重大事故的發(fā)生。

（二）故障機理分析

汽輪機組低壓末級葉片為樅樹形松裝葉根型葉片，設計技術成熟，應用廣泛。汽輪機組低壓轉(zhuǎn)子接觸碰摩故障的顯著特征是低壓葉片末級葉根向進汽側(cè)移動。在過去，不同容量的汽輪機組也經(jīng)歷過類似的葉片軸向位移事故。這種現(xiàn)象是由于葉片定位銷材料不合格，造成整個圓形低壓末級或整個圓形低壓末級的葉根基本上存在軸向位移，軸向位移方向朝向蒸汽出口側(cè)。

二、故障點檢測分析及維護處理方法

（一）案例背景

某電廠汽輪機在啟動過程中，低壓轉(zhuǎn)子3號軸承突然發(fā)生強烈振動，引起保護動作，導致汽輪機跳閘。在維修過程中發(fā)現(xiàn)，低壓缸內(nèi)低壓轉(zhuǎn)子葉輪與隔膜壓蓋發(fā)生了嚴重的碰磨現(xiàn)象。通過檢查分析，找出了摩擦的部位和原因，并進行了相應的處理。在維修后的啟動過程中，高中壓轉(zhuǎn)子1號軸承的振動增加到跳閘值。為了消除高中壓轉(zhuǎn)子碰磨現(xiàn)象，選擇了合適的預熱速度，并采用速度控制方法使機組啟動到工作速度，投入正常運行。本文提到的機組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和GEN轉(zhuǎn)子組成。高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子為三軸承支承結(jié)構(gòu)，采用剛性耦合連接。低壓轉(zhuǎn)子與 GEN 轉(zhuǎn)子之間采用半柔性聯(lián)軸器。機組跳閘前負荷為100MW，機組協(xié)調(diào)運行，主蒸汽壓力為13.16 MPa，主蒸汽溫度為538.8℃。A/B 引風機、A/B一次風機、A/B 二次風機運行正常。爐膛壓力-80pa，冷凝器真空 -94.5 kpa，高壓差膨脹1.59 mm，低壓差膨脹5.38 mm，軸向位移 -0.058 mm，熱膨脹18.33 mm。機組軸系振動、推力瓦溫度、軸承金屬溫度和回油溫度均在正常范圍內(nèi)。

汽輪機跳閘時，由于大型汽輪機振動的保護作用，鍋爐處于 MFT 狀態(tài)，發(fā)電機斷開。根據(jù)報警歷史，3X 軸振動和3Y 軸振動分別為400.24 μm 和400.24 μm (跳閘值:254μm，報警值:127μm)。機組跳閘停運后，凝汽器蒸汽側(cè)人孔打開，低壓缸內(nèi)聽到異響。對低壓轉(zhuǎn)子末級葉片進行了宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。確定將低壓缸打開檢查，然后投入快速冷卻裝置。

氣缸溫度降至150℃ 以下后，將連接管、低壓外缸和低壓內(nèi)缸吊離，檢查了低壓轉(zhuǎn)子的全部葉片，未發(fā)現(xiàn)斷裂。當?shù)蛪恨D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，低壓內(nèi)缸仍有摩擦聲。高中壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時未發(fā)現(xiàn)異常情況。

（二）停機缺陷檢測

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在低壓轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)5級，隔板蒸汽擋板下部右側(cè)約550mm 長，被提出槽外，有嚴重的磨損痕跡。隔板蒸汽隔板上部右側(cè)長約450mm，斷裂脫落。

對液壓缸前6級下部的隔膜壓蓋進行檢查后，發(fā)現(xiàn)右壓蓋分界面錯位，壓蓋齒磨損嚴重。對低壓轉(zhuǎn)子最后一個反轉(zhuǎn)階段的弓形罩帶進行了檢查，發(fā)現(xiàn)有6處斷裂(編號:4-5、12-13、16-17、91-92、97-98、99-100)。裂紋分為5條(序列號:14-15、19-20、23-24、51-52和61-62)，其中23-24條為原裂紋，其余4條為新裂紋。

（三）摩擦部件檢測

通過對摩擦部件的分析，認為低壓內(nèi)缸在熱膨脹過程中，反方向的右側(cè)和正方向的左側(cè)出現(xiàn)了變形。低壓缸隔膜壓蓋間隙越來越小，低壓轉(zhuǎn)子與隔膜壓蓋之間的摩擦使3號、4號軸振動迅速增大，造成機組跳閘。

（四）維修時所采取的針對性措施

首先，對低壓缸的隔膜壓蓋和隔板進行了全面的檢驗。為保證蒸汽隔板的安全性和可靠性，更換了脫落和損壞的蒸汽隔板，采用分段氬弧焊。其次，根據(jù)維修程序規(guī)定的上限，適當增大低壓內(nèi)缸正向右側(cè)和正向左側(cè)隔膜腺和隔板的間隙。再次，對 # 1、# 2和 # 3軸承進行拆卸和全面檢查，并將軸承頂部游隙調(diào)整到安裝設定值的下限。最后，檢查和消除低壓內(nèi)缸定位銷的開焊和脫落，減少了低壓內(nèi)缸定位銷的過大間隙。

三、維修后啟動過程中的振動分析及處理

在機組維修后的冷啟動過程中，當機組以1500rpm 的中速預熱時，操作人員發(fā)現(xiàn)1號軸振動上升，決定立即加速。當轉(zhuǎn)速增加到1810rpm 時，1X 和1Y 的振動值分別為290μm 和148μm，并且由于軸振動過大而導致保護動作跳閘。

停機后檢查了相關的運行參數(shù)。高壓內(nèi)缸上下缸壁溫為440°c/442°c，中壓缸上下缸壁溫為432°c/421°c，轉(zhuǎn)子彎曲值介于0.05 mm-0.08 mm兩者之間，各軸承的金屬溫度、推力瓦溫度和回油溫度均在正常范圍內(nèi)，使車削齒輪投入運行。

根據(jù)振動試驗數(shù)據(jù)分析表明:由于汽缸在冷啟動過程中膨脹不足，高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生輕微摩擦，在1500rpm 時，1號軸振動有爬升現(xiàn)象。在這個時候，正確的方法是降低轉(zhuǎn)速，使汽輪機升溫。但轉(zhuǎn)速被迫提高到1810rpm，接近高中壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速(高中壓轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速的計算值為1843rpm)，引起高中壓轉(zhuǎn)子強烈共振，1號軸振動迅速增大，造成汽輪機跳閘。

基于上述分析，在機組重新啟動時采取了以下控制措施:機組在1200rpm 時開始升溫，并連續(xù)監(jiān)測振動30min，當1號軸在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的振動變化值小于30μm 時，表明機組消除了高、中壓轉(zhuǎn)子的摩擦，機組可以繼續(xù)加速。否則，減少速度到1000rpm，繼續(xù)升溫，直到振動值在相同的速度保持相對穩(wěn)定。

此外，為了確保處理方案的安全性和可行性，有限元分析用于評估葉根和葉根裝配槽的強度，并檢查新葉片的動態(tài)頻率安全性。采用圓對稱邊界條件計算葉片模型。六面體網(wǎng)格用于有限元分析，單元類型為c3d8i。對樅樹型葉根和葉根組合輪槽的每個接觸面設置接觸邊界條件，輪槽底面固定，周向兩側(cè)設置圓對稱邊界條件。將3000r/m 的離心載荷施加到整個葉根槽上。葉根和葉根槽齒根據(jù)杉木型根從上到下編號。根頸修形后，由于根頸寬度的增加和根頸寬度的減小，根頸的平均應力略有下降，而根頸的平均應力略有增加，但原根頸的強度裕度較大。根槽修形引起的平均應力變化不影響葉片的安全運行。葉根槽修形后，葉根槽各齒峰值應力的變化規(guī)律與平均應力的變化規(guī)律相似，即葉根槽各齒峰值應力減小，葉根槽各齒峰值應力增大，但變化幅度較小。原葉根組合槽的強度裕度較大，葉根組合槽修形引起的峰值應力變化不影響葉片的安全性。

四、結(jié)束語

通過實驗能夠得出，在汽輪機高負荷運行過程中，如果低壓缸膨脹不均勻，就容易發(fā)生轉(zhuǎn)子與隔板之間的碰摩。在嚴重的情況下，它會導致絆倒。在維修過程中，采用有針對性的處理方法可以消除低壓缸的撓度膨脹。在機組大修后冷啟動過程中，通過合理控制升溫速度和振動值，可以消除高中壓轉(zhuǎn)子的碰磨振動。此外，通過對根部和根部槽修形后的應力比較，根部的平均應力和峰值應力有所降低，有限元分析的平均應力和峰值應力有所增加，但變化幅度不大，原葉根槽的強度裕度較大，根部槽修形引起的峰值應力變化不影響葉片的安全。通過有限元分析計算可以得出，在額定轉(zhuǎn)速條件下，修改葉根和葉根槽后，葉片的動態(tài)頻率變化不大，對機組的安全穩(wěn)定運行沒有影響。