某350MW機組給水泵汽輪機振動分析與處理

國家能源集團樂東發電有限公司 厲 克 鄭 超 陸明志 王得任

給水泵是火力發電廠的重要輔機，其高效安全運行直接關系到火電機組的經濟性。目前300MW以上容量大型火電機組普遍采用小汽輪機驅動給水泵、即汽動給水泵，該類型汽輪機具有體積小、重量輕、剛度小且運行工況多變的特點，由于不同工況下轉速和流量變化較大，常常由于受熱不均導致膨脹受限，從而在某一工況下引發較大的振動[1]。此外，由于給水泵汽輪機與給水泵同步運行，汽輪機也會受給水泵的影響，導致給其振動增加[2]。

1 運行振動的危害與故障分析

1.1 振動危害分析

機組的熱經濟性降低。汽輪機的汽封間隙量與機組熱經濟性之間為直接關聯關系，振動過大會導致給水泵汽輪機汽封間隙變大，造成機組熱經濟性降低[1]；造成給水泵汽輪機動靜部分和支撐部件損壞。在機組異常振動情況下，給水泵汽輪機的動靜部分發生摩擦會造成端部軸封的磨損。此外，振動過大會造成葉片、葉輪和密封瓦等部件出現疲勞，導致軸瓦烏金龜裂。

造成給水泵汽輪機的連接部件松動。當給水泵汽輪機發生異常振動時，會引發軸承、主油泵和渦輪等重要部件發生共振現象，造成連接螺栓的松動、地腳螺栓的斷裂，最終發電機組產生故障，嚴重時造成經濟損失及安全危害；引起設備事故。給水泵汽輪機振動過大會引起調速系統的不穩定，進而發生調速系統事故，甚至可能危急遮斷器，導致其操作失誤，造成設備事故停機。

1.2 汽輪機振動的一般故障分析

動靜碰摩：給水泵汽輪機的動靜部分局部碰摩特征。若為輕微碰摩則汽輪機振幅不變，若嚴重碰摩則振幅減小。動靜部分的摩擦，諧波分量也出現增加現象。碰摩造成汽輪機的不平衡質量點位置不斷變化，使得相位也發生變化；動靜整周的碰摩特征。造成轉子橫向振動頻率變高，軸頸中心向軸承內部的間隙圓中心偏移，一倍頻最大振幅為摩擦點截面間隙圓。造成動靜部位碰摩的原因主要有三個：在設計或安裝過程中動靜間隙過小；轉子振幅過大；軸系不對中，引起轉子偏斜，發生碰摩。

質量不平衡：轉子熱彎曲變形。汽輪機轉子發生熱彎曲形變后轉速降低，當轉速降低至臨界值時再啟動就會造成更大振幅，從而出現汽輪機大幅振動。通過研究轉子在不同狀態下的波特圖，能夠幫助判斷是否發生熱彎曲形變。此外，轉子材料的熱應力、誤操作造成氣缸進水等原因也會導致轉子發生熱彎曲；轉子原始性的不平衡。此種情況是轉子在加工或檢修過程中遺留下來的、為“出生問題”，在轉子轉動前就存在，其轉動特征是轉子的振幅和相位受其他運行參數影響較小，振動特征較穩定[2]；轉子零部件的松動、脫落。給水泵汽輪機轉子可能發生脫落、松動的零部件有平衡質量塊、葉片和護環等。當零部件發生飛脫時振幅呈突發性的變動，迅速增大到某一固定值，此外當機組帶負荷時較易發生這類故障。

2 問題描述與解決措施

2.1 系統簡介

某電廠安裝有兩臺350MW超臨界機組，每臺機組配置1套100%BMCR容量的汽動給水泵組，兩臺機組共用一臺30%BMCR容量的定速電動啟動給水泵。汽動給水泵正常運行，電動給水泵作啟機、停機用。汽動給水泵設置一臺同軸的前置泵，汽泵前置泵由給水泵汽輪機（小汽機）通過減速箱驅動，變比為3.897：1。小汽機采用杭州汽輪機股份有限公司生產的單缸、單流、反動式、純凝汽式汽輪機，額定功率11384kW、額定轉速5580rpm，調速范圍3000～5800rpm。該汽機有兩個汽源，正常工作汽源來自主機四段抽汽，備用汽源采用輔助蒸汽。

給水泵為CHTD6/6型整體式芯包多級離心泵，采用機械密封，小汽機軸封蒸汽來自密封水、冷卻水為閉式水。小汽機疏水放至凝汽器疏水擴容器集管，小汽機排汽直接排入主機凝汽器。小汽機設有獨立供油系統，供小機本體軸承潤滑和給水泵軸承潤滑用油及小汽機保安用油，控制系統為電液控制系統（MEH）。

2.2 問題描述

該電廠2號機組于2015年10月投產，機組負荷額定350MW、額定主汽壓力24.2MPa、主汽溫度563.8℃，磨煤機A/B/C/D/E磨運行，2號機廠用電由2號高廠變帶，CCS協調控制方式，RB投入、一次調頻投入、AGC方式運行。

2019年7月19日17:51:13，2號機組負荷350MW穩定運行，小機轉速5649轉/分鐘，前軸振動X向在38秒內由38.8μm突升至198.8μm，小機前軸振動Y向在38秒內由42.4μm突升至185.9μm；小機后軸振動X向在38秒內由35.7μm突升至103.6μm，小機后軸振動Y向在38秒內由38.9μm突升至178.9μm，觸發小機振動大保護條件，17:51:50小機跳閘，發“鍋爐給水全停”信號，鍋爐“MFT”，2號機組跳閘。事故發生前機組已帶350MW負荷穩定運行7小時52分鐘。

2.3 振動原因分析及處理措施

從小汽機振動趨勢圖來看，在短短38秒內各測點的振動幅值增加了3倍以上。單考慮振動因素的話，可能的主要原因有軸承油膜失穩、旋轉質量脫落和動靜碰磨等。查閱7月19日12:00～17:53的DCS相關參數歷史數據，事生前5小時的工況：機組負荷349MW，小機進汽壓力0.91MPa溫度360℃、小機軸封壓力10.07kPa，小機進汽溫度和軸封溫度未發生大幅變化。發生振動時的小汽輪機潤滑油壓力、溫度、瓦溫也沒有異常變化。

從分析可知，引起本次突發振動的原因是動靜碰磨導致。引起動靜摩擦的因素很多，通過系統運行情況分析，小機振動突增前進汽溫度均未出現大幅波動現象。小機進汽管道上、下壁溫未發生大幅變化。檢查定期疏水均動作正常，就地疏水溫度正常，就地確認疏水閥開啟正常。因此可排除小汽輪機進冷氣冷水的可能。但考慮到小機進汽門前主管路上有一個疏水袋，疏水管路上安裝有氣動疏水門，此門在運行時長期關閉，導致疏水管理及疏水袋積水，在系統參數變化時易造成進汽中帶水或濕蒸汽。

進而查閱機組歷史臺賬記錄，發現從2016年4月11日到2019年7月19日已出現幾次小機跳閘導致跳機，通過事發前各參數趨勢看，其故障情況基本相似。對比幾次小機振動大跳閘時的小機轉速變化，每次發生跳機時小汽輪機轉速呈逐步升高的現象，符合軸封動靜間隙小引起碰磨的特征。此外，現場檢查時發現小機后軸承左側（從機頭方向看）軸封處有大量蒸汽漏出，直接在軸承箱和滑銷系統上加熱（或冷卻），也可能造成膨脹不均衡。

8月21日大修解體后發現，前軸封處、平衡活塞以及隔板汽封處有脫落及摩擦的現象，前端汽封處左右兩側間隙偏差較大，左側0.30mm左右、右側1.4mm左右，說明缸偏向右側約0.5mm左右。推力瓦內油檔間隙左側已完全沒有間隙。油檔與軸頸有摩擦痕跡。轉子有嚴重銹蝕跡象，驗證了診斷結論。

針對上述情況提出以下處理措施：利用這次檢修及轉子返廠檢修的機會應全部更換磨損汽封、在小機廠更換汽封片。重新調整汽封上、下間隙，正確調整潤滑油回油管膨脹節，并對轉子葉片在做好手工除銹。在大修期間實施該措施后，完成機組安裝工作，啟動后該設備一直正常工作。

綜上，給水泵汽輪機具有體積小、重量輕、剛度小的特點，其運行工況復雜多變，引起其振動大的原因一般比較復雜，在進行振動分析時不能僅依靠振動圖譜就做出決定，在進行根原因分析時，更是要結合故障前后的關鍵運行參數、且要在現場進行充分檢查，有條件的話，還要參考以前的故障維修臺賬等數據后才能給出全部原因。