機組啟動過程振動故障診斷與消除

馬綠洲，周 濤，王建飛，孫永軍，孫 鵬

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.華能聊城熱電有限公司，山東 聊城 252041；3.華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255054；4.華能德州電廠，山東 德州 253024；5.華能威海電廠，山東 威海 264205）

0 引言

汽輪發電機組振動故障涉及的原因較多，現場診斷工作較為復雜，通常要從多個方面進行分析。首先軸系結構，軸承類型，振動信號的時域特征和頻域特征等，都是分析振動原因的重要參考數據。其次要確認異常振動具體發生在啟動、空載，帶負荷期間的運行階段，以及振動發生之前機組的檢修工作等，將其作為分析振動原因的重要依據［1-2］。

某300 MW 雙抽雙調整抽凝式供熱機組，為高中壓分缸，旋轉隔板用于供工業用汽，在中低壓缸聯通管上設置調整蝶閥用于供采暖用汽。該機組大修后的冷態啟動過程中，中壓轉子兩端軸承的軸振嚴重超標，多次觸發振動保護導致跳機，影響機組投入正常運行，必須立即進行分析處理，消除異常振動。本文通過對機組異常振動數據進行全面診斷分析［3-4］，結合機組檢修數據的分析，找出異常振動的原因；然后運用現場高速動平衡試驗減小轉子質量不平衡，并且采取適合該機組的運行控制方式避免動靜碰磨，最終消除異常振動故障，使機組順利投入安全運行。本文所采取的分析方法和振動處理措施，對于解決同類型機組異常振動問題具有一定的借鑒意義。

1 機組啟動階段振動特征

該機組共有8個支持軸承，其中1～6號為汽輪機轉子軸承，7～8 號為發電機轉子軸承，軸系結構如圖1 所示。汽輪機臨界轉速的設計值為：高壓轉子一階1 500 r/min，中壓轉子一階1 550 r/min，低壓轉子一階1 650 r/min。

圖1 機組軸系結構

該機組在大修后的首次冷態啟動中，在1 600～1 800 r/min臨界轉速區域附近時，中壓轉子3號、4號軸承軸振嚴重超標（報警值127 μm，跳機值254 μm），導致開機困難。每次均需在低速下充分暖機，多次啟動、打閘后，再進行長時間盤車，直到汽輪機熱膨脹至12.5 mm時方能成功沖轉到3 000 r/min，給機組正常運行帶來極大困擾。下面以某次啟動過程為例簡述說明。

首次沖轉前運行參數主汽壓力4.89 MPa，主汽溫330 ℃，真空-95.6 kPa。轉速1 302 r/min 時，2X 軸振162 μm；轉速1 784 r/min時，3X軸振達343 μm（軸振保護跳機值臨時修改為350 μm），4X 軸振274 μm，4號軸承座振動200 μm；轉速升至2 964 r/min 時，3X軸振30 5μm，3Y軸振246 μm，2X軸振188 μm，2Y軸振最大值為169 μm；手動打閘后轉速降至1 729 r/min時，3X軸振406 μm，3Y軸振176 μm，4X軸振44 6μm，4Y軸振256 μm。

第2 次沖轉時稍微開啟真空破壞門，降低真空至87 kPa。升速到600 r/min 準備暖機，因振動持續增大觸發振動保護導致跳機。隨即投入盤車裝置運行4 h。

第3次沖轉轉速1 100 r/min時，暖機20 min不投高加。轉速1 719 r/min 時3X 軸振491 μm，3Y 軸振221 μm，4X 軸振427μm，4Y 軸振184 μm，因觸發振動保護再次跳機。

第4次沖轉前把2號、3號、4號軸振保護定值臨時修改為450 μm。轉速1 798 r/min時，3X軸振396 μm，3Y 軸振216 μm，4X 軸振356 μm，4Y 軸振161 μm。因轉速給定值與實際偏差大引發保護動作（臨時把轉速偏差大跳機保護定值從500 r/min 放大至1 500 r/min，第5次沖轉后重新改回原保護定值）。

第5次沖轉轉速1 581 r/min時，3X軸振479 μm，3Y軸振259 μm，4X軸振435 μm，4Y軸振241 μm，觸發振動保護跳機。投入盤車4 h 以上，待轉子偏心恢復再沖轉。

第6 次沖轉前運行參數主汽壓5.2 MPa，真空-87 kPa。轉速1 802 r/min 時，3X 軸振為345 μm，3Y軸振185 μm，4X軸振302 μm，4Y軸振145 μm；轉速升至2 700 r/min 時開始高速暖機。高壓上缸溫度238 ℃，高壓下缸溫度238 ℃，中壓上缸溫度111 ℃、中壓下缸溫度102 ℃，3X軸振96 μm，3Y軸振106 μm，4X 軸振87 μm，4Y 軸振101 μm，4 號軸承座振動49 μm。高速暖機60 min 后，上述各振動值均保持穩定，汽輪機隨即升速至全速3 000 r/min。

從上述機組冷態啟動過程可以看出，因2 號、3號、4號軸承軸振嚴重超標，啟動中多次停機、多次暖機才能沖轉到3 000 r/min，軸系振動問題嚴重影響了機組的正常運行。

2 異常振動原因分析

通過分析機組發生異常振動時的頻譜特征，確定振動增大時的主要頻率成分為一倍頻，結合轉子升降速過程的振動特性，發現該機組中壓轉子在一階臨界轉速附近軸振動超標主要有以下幾個方面的原因。

1）中壓轉子存在較大的原始一階質量不平衡。當轉子上一階質量不平衡較大時，機組每次啟停在一階臨界轉速下都會產生顯著振動，這種不平衡的量值和方向均是穩定的，可通過中壓轉子動平衡試驗來減小［5］。

2）中壓轉子沖轉時存在較大熱彎曲。機組沖轉過程中由于汽缸上下缸溫差以及轉子發生局部碰磨，都會使轉子因溫差產生熱彎曲。如果下次沖轉前熱彎曲仍未消失，就會使轉子產生較大的不平衡從而引起振動，并且在轉子第一臨界轉速區域振動更為強烈。沖轉前轉子的熱彎曲數值可以通過偏心值推斷，但由于該機組大軸彎曲傳感器并非直接安裝在中壓轉子上，即使中壓轉子存在較顯著的熱彎曲，偏心指示值也無直接的反映，僅通過偏心值無法準確判斷熱彎曲是否已經完全恢復。因此應檢查確認機組沖轉前進行了哪些運行操作和檢修工作，如果沖轉前停過盤車，則應至少再投入連續盤車4 h 以上，進一步減小轉子上殘留熱彎曲量值［6］。

3）中壓轉子沖轉過程中發生了動靜碰磨。該機組大修期間中壓軸封改造為刷式汽封，中壓轉子相應位置的原始動靜間隙變小。在機組冷態啟動時如果中壓缸膨脹不均勻，會使汽缸與轉子的動靜間隙進一步減小。由于中壓轉子的原始質量不平衡以及熱彎曲引起的振動位移較大，就更容易發生動靜碰磨，從而使轉子振動進一步增大。當轉速在一階臨界轉速區域附近時發生共振放大，碰磨程度加重導致振動進一步發散［7-8］。

3 中壓轉子動平衡試驗

該機組中壓轉子過臨界振動超標的一個重要原因是中壓轉子存在較大的原始一階質量不平衡，因此首先進行中壓轉子現場動平衡試驗。

根據柔性轉子動平衡理論進行分析計算，確定了在中壓轉子兩端進行同相位配重的動平衡試驗方案［9］。本機組傳感器的安裝位置為：從汽輪機向發電機方向看，左側45°為X方向振動傳感器及鍵相傳感器，右側45°為Y方向振動傳感器。動平衡配重平面選取中壓轉子兩端葉輪平衡槽，動平衡配重矢量為中壓轉子汽端（3 號軸承側）380 g∠110°；中壓轉子勵端（4號軸承側）380 g∠110°。

動平衡試驗前首先根據制造廠說明書的相關技術要求，準備中壓轉子配重平衡塊以及加裝轉子平衡塊的專用工具。動平衡試驗步驟及安全注意事項如下。

1）關閉與汽輪機本體連接的所有管道疏水閥門，確認高、中壓內缸上下溫差在40 ℃以內。

2）停盤車時保持潤滑油泵和頂軸油泵運行。

3）高壓上內缸溫度320 ℃以下時，方可允許停盤車，停盤車前記錄大軸偏心值。

4）打開前箱人孔蓋后再停盤車，確認鍵向槽位置，并確認中壓轉子平衡塊加裝角度和位置。

5）停止盤車運行后在轉子上做好停運盤車標記。

6）在中壓轉子兩端施加平衡重量，控制停盤車時間不超60 min。工作結束后，根據停運盤車標記盤動轉子180°校直轉子，時間控制與停運盤車時間一致，然后投入盤車連續運行4 h 以上，待大軸偏心恢復原始值方可啟動機組。

7）當盤車因故障不能運行時，須手動進行盤車，同時保持油系統連續運行。

Y1的模型回歸方程為：Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

8）當盤車電機重新啟動，如果過電流、汽缸上下溫差超過規定或聽到明顯金屬摩擦聲應停止連續盤車，改為定期盤車。盤轉180°校直轉子，當轉子撓度值正常后，且上下溫差小于50 ℃時再投入連續盤車。

4 避免動靜碰磨的運行方式

由于汽輪機刷式汽封改造后動靜間隙變小，冷態啟動時因中壓缸膨脹不充分引起中心變化，容易造成中壓轉子與汽封發生碰磨引起嚴重振動［10］。進一步分析啟動過程，第1 次冷態啟動機組曾經升速至2 964 r/min，第6 次升速前經過7 個多小時的盤車，汽輪機轉速安全到達了2 700 r/min。進行了1 h高速暖機后，中壓缸大量進汽，缸溫溫升較好，中壓上缸能夠達到280 ℃以上，中壓缸上下缸溫差很小，2 號、3 號、4 號軸振由報警逐步下降至85 μm 以下。基于上述分析，為避免升速過程中因動靜碰磨觸發振動保護跳機，使機組冷態啟動時順利沖轉至2 700 r/min進行高速暖機，爭取實現冷態一次啟動成功，特制定如下機組冷態啟動方案。

1）啟動前鍋爐汽包壓力達至1 MPa 時，對鍋爐進行全面檢查，避免空氣門、各個應關閉的疏水被遺漏，并及時發現泄漏點。汽輪機轉子偏心恢復正常值并且投入連續盤車至少4 h以上。

2）沖轉前將2號、3號、4號軸振的振動保護定值暫改為360 μm 延時5 s，臨界轉速區設置為（650～950 r/min、1200～2 600 r/min），過臨界升速率設置為400 r/min。

3）啟動前參數要求主汽壓4.5～5.0 MPa，主汽溫330～350 ℃，真空-88～-90 kPa，升速率100 r/min。

4）高低加的投入。機組冷態啟動時暫不投入高壓、低壓加熱器系統。直至啟動到工作轉速3 000 r/min，軸系振動穩定在報警值以下時再逐步投入。

5）汽輪機排汽溫度及凝汽器真空。升速前通過全開真空試驗閥，手動開啟真空破壞電動閥開度在18%～25%之間，將真空控制在-87 kPa。當沖轉至定速2 700 r/min 暖機1 h 期間，必須注意汽輪機排汽溫度的增長，需用調整真空破壞電動閥的手段來控制排汽溫度最高不高于70 ℃。要嚴格執行排汽溫度達80 ℃報警，且低壓缸噴水減溫自動開啟，并工作正常。排汽溫度達121℃時不得連續運行超過15 min，如果采取措施無效應立即打閘停機。可考慮將真空值控制在-88～-92 kPa區間進行暖機。

6）暖機后升速到工作轉速期間的注意事項。當汽輪機在2 700 r/min 高速暖機1 h 后，中壓缸上缸應達到280 ℃以上，中壓缸上下溫差不得超標，2 號、3號、4 號軸振由報警值以上逐步下降至85 μm 以下。檢查排汽溫度應低于60 ℃，關小甚至關閉真空破壞電動閥及真空試驗門，然后再進行升速。升速過程中應密切關注高壓主汽門、高壓調門、中壓調門的閥門指令與實際值的偏差，若發現偏差較大應及時提高真空值或提高沖轉參數，降低或者消除偏差，防止因偏差大保護動作跳機。轉速達到2 950 r/min 后進行閥切換，升至3 000 r/min 全面檢查無異常后，應及時調整高、低加水位投入自動運行。

5 振動處理效果

表1 處理后機組啟動相關振動數據

中壓轉子3X、4X軸振的升速曲線（伯德圖）如圖2、圖3所示。機組做完電氣試驗后順利并網，帶滿負荷300 MW時各軸振動值均達到76 μm之內的優秀水平。

圖2 中壓轉子3X軸振伯德圖

圖3 中壓轉子4X軸振伯德圖

6 結語

以300 MW 機組發生異常振動后的分析處理過程為例，探討了大型汽輪機在大修后冷態啟動中因振動超標造成的啟動困難現象及診斷處理方法。本文的試驗研究表明，可以通過現場高動平衡試驗與合理的運行控制方式相結合的方法消除機組異常振動，對同類型異常振動故障的診斷處理具有借鑒意義。