火電機組給水泵汽輪機振動跳閘的原因與防范措施

俞凱耀,金 波,周 錦

(1.浙江國際海運職業技術學院,浙江 舟山 316000; 2.國能浙江舟山發電有限責任公司,浙江 舟山 316000)

0 引 言

給水泵汽輪機是火力發電廠中驅動給水泵的汽輪機,是電廠熱力循環系統的主要部件之一,在電力安全生產領域,其安全可靠的運行直接影響著整個電廠設備的正常運行[1].給水泵汽輪機與主汽輪機不同,主汽輪機是在定速條件下運行的,其運行參數保持基本不變,而給水泵汽輪機是一種參數、功率和轉速都會發生變化的原動機.某廠一機組為超臨界350 MW機組配置了一臺100%容量的給水泵汽輪機,型號為NK63/71,是一臺單缸、軸流、反動式汽輪機,汽輪機排汽系統直接連接主機排汽裝置[2].給水泵與汽輪機的轉子通過聯軸器相連.聯軸器與各個軸承間的關系與配置分布見圖1.在汽動給水泵正常運行期間,水泵汽輪機前軸承X向振動與Y向振動突然升至跳閘值,會導致給水泵汽輪機跳閘,連鎖引起鍋爐MFT保護動作,最終使機組跳閘.本文主要針對此類生產事故進行故障原因的調查分析,并提出相應的改進措施,以避免此類故障的發生,保障發電機組的安全運行,同時為同類型發電機組提供技術參考.

圖1 汽輪機給水泵軸系示意圖

1 聯軸器不對中的分類、產生原因、影響和特征

1.1 聯軸器不對中的分類

現代旋轉機械的轉子故障作為安全生產的重要問題,一直備受相關專業人士的關注.其中,因轉子不對中導致轉子系統故障的比例占60%以上.

轉子不對中是指相鄰兩個轉子的軸心線與軸承中性線發生偏移或傾斜的程度[3].其可分為聯軸器不對中和軸承不對中兩種,其中聯軸器不對中最為常見.

聯軸器是一種連接兩個軸或軸與回轉件,在傳遞運動和動力過程中使其一同回轉保持不脫開的裝置.在旋轉過程中,聯軸器將旋轉機械的主動軸與從動軸連接,并將扭矩、力和力矩等動力通過主動軸傳遞給從動軸,從而帶動從動軸一起旋轉.聯軸器可防止聯接部件承受過大負荷,起到過載保護的作用.

聯軸器對中是指左半聯軸器與右半聯軸器平行于聯軸器的設計軸線,且左右兩半聯軸器的對輪中心在徑向上重合[3],見圖2(a).

圖2 聯軸器對中及不對中的各種狀態

聯軸器不對中可以分為以下3種：

(1)平行不對中.左半聯軸器與右半聯軸器平行于聯軸器的設計軸線,但左右兩半聯軸器的對輪中心線不在同一水平線上,見圖2(b).

(2)偏角不對中.左半聯軸器與右半聯軸器的對輪中性線成一角度,且左右兩半聯軸器的對輪中心與聯軸器的設計軸線重合,見圖2(c).

(3)平行偏角不對中.左半聯軸器與右半聯軸器的對輪中心線成一角度,且兩個半聯軸器的對輪中心與聯軸器的設計軸線不重合,見圖2(d).

1.2 聯軸器不對中產生的原因

若通過聯軸器連接的兩軸對輪中心出現偏離,則會在聯軸器處產生一個附加的彎矩.而在機械設備轉動一周的過程中,加在聯軸器處彎矩的方向也發生周期性變化.對聯軸器連接的兩部分系統來說,任何一部分都受到一個周期性的激勵,這個周期性的激勵會造成系統的振動,從而產生非正常的動態特性,甚至導致嚴重的后果.

引起聯軸器不對中的原因主要可以分為以下3類：

(1)生產誤差.在聯軸器的加工生產過程中,由于加工工藝技術誤差和測量數據誤差等,會導致生產的聯軸器的端面與軸心線不垂直,或端面螺栓孔的圓心與軸頸不同心,從而造成聯軸器產生一個附加彎矩,且這個彎矩的大小和方向會隨著軸承的旋轉不斷變化,相當于在聯軸器上增加了一個額外的力.這會破壞系統的平衡,從而產生非正常的振動.

(2)安裝誤差.在實際的安裝過程中,由于端面的螺栓緊力不足,會造成松動或螺孔間隙太大,當軸承的旋轉達到一定速度后,會導致聯軸器的對輪中心偏離,從而引起振動突變.

(3)運行誤差.在實際的運行過程中,運行誤差導致聯軸器不對中的類型主要有3種：一是高溫管道及汽缸本身熱輻射分布不均,致使汽輪機基礎支撐框架受熱不均,引起不同程度的熱膨脹,從而導致各軸承座標高中心偏移,造成不對中;二是管道力的作用及轉子的撓性和重量分配不均勻,使轉子彎曲,聯軸器出現偏心,從而導致不對中;三是長時間運行后,局部地基的不均勻下沉及地震等自然災害引起的不對中[4].

1.3 聯軸器不對中產生的影響

兩軸承間通過聯軸器相連接,由于受安裝誤差、制造誤差、安裝后受力部位的變形,以及運行過程中設備管道溫度變化等因素的影響,聯軸器都可能產生對中不良.對于轉子對中不良的軸系,由于聯軸器的受力變化會使轉子軸頸與軸承的實際工作位置發生改變,所以對輪中心會產生偏移或形成一定的傾角.聯軸器不對中會使轉子軸系的固有工作頻率和軸承的工作狀態發生變化,在實際工況中會產生以下4個方面的情況：

(1)引起較大的同步相對轉軸振動,尤其在緊靠聯軸器兩端的軸承上,會造成機械部件的損壞.

(2)導致聯軸器處承受額外的力,若長時間運行會使連接處產生裂紋.

(3)使連接處的間隙變大,造成動靜碰撞摩擦,加劇設備的損耗[5].

(4)對能耗的要求增大,軸承載荷發生變化,軸瓦溫度上升超限.

1.4 聯軸器不對中的振動特征

聯軸器不對中的振動特征主要有以下6點：

(1)聯軸器不對中的時軸振動較大,振動頻率為1倍頻,振動幅值和相位穩定.

(2)聯軸器不對中的徑向振動主要以1倍頻和2倍頻分量為主,且不對中越嚴重,2倍頻所占的比例越大.

(3)當聯軸器不對中時,聯軸器兩側同一方向的相位,在平行不對中時為0°,在偏角不對中時為180°,在平行偏角不對中時為0°～180°[3].

(4)當聯軸器不對中振動時,軸心軌跡呈香蕉形、月牙形,嚴重時呈8字形方式運動,方向為正進動[3].

(5)聯軸器不對中對負荷變化敏感.若聯軸器不對中,當負荷改變時,由聯軸器傳遞的扭矩會立即發生改變,轉子的振動狀態也會立即發生變化[5].

(6)對于剛性聯軸器不對中所產生的振動,在某些情況下可以通過動平衡來降低振動.而柔性聯軸器則不能,若采用動平衡,則會加劇振動的程度[5].

2 案 例

2.1 事故前工況

故障前發電機組工作負荷穩定在230 MW、主汽壓力為21.5 Mpa、主汽溫度為501.2℃,共有A、B、C、D 4臺磨煤機處于運行狀態,給水泵汽輪機轉速為4703 rpm、給水流量為732 t/h、給水泵汽輪機前軸承X向振動維持在90 μm左右、給水泵汽輪機前軸承Y向振動為52 μm.當軸系振動大于120 μm時,汽輪機給水泵跳閘.

2.1 事故經過

7月16日上午7：13,機組正常運行,負荷維持在230 MW,給水泵汽輪機前軸承X向振動升至95 μm,給水泵汽輪機前軸承Y向振動升至54 μm,機組減負荷至200 MW.7點25分,給水泵汽輪機前軸承X向振動與Y向振動突升至跳閘值120 μm,導致給水泵汽輪機跳閘,鍋爐MFT(給水泵全停)保護動作,機組跳閘,見圖3.

圖3 給水泵汽輪機軸承振動至跳閘值曲線

下午17：00,決定重新沖動4#機組給水泵汽輪機,對振動進行頻譜分析,同時控制振動不大于80 μm,通過來回變動給水泵汽輪機轉速(3 800～4 750 r/min),以逐步消除動靜碰磨.

7月17日下午13：15,因通過來回變動給水泵汽輪機轉速以逐步消除動靜碰磨的作用不明顯,所以決定對給水泵汽輪機解體揭缸.將給水泵汽輪機按常規大修項目開始檢修,并將給水泵汽輪機轉子返廠檢查修復,做高速動平衡.

7月18日,給水泵汽輪機解體.在給水泵汽輪機檢修解體時發現,對輪中心偏差較大,對輪疊片式聯軸器膜片損壞,給水泵底部縱銷間隙過大,給水泵汽輪機轉子少量汽封片碰磨.因此將其送回原廠返修.

3 故障原因

3.1 初步原因

根據解體后的設備狀態,分析給水泵汽輪機振動變化曲線的特點.初步分析認為,給水泵汽輪機前軸承X向振動與Y向振動突然升至跳閘值,從而造成給水泵汽輪機跳閘.引起鍋爐MFT的原因主要有：

(1)軸系中心變化,軸系對中偏差(給水泵高1.15 mm、下張口0.28 mm)超過聯軸器對中允許不對中值(端面0.25 mm、徑向0.25 mm),聯軸器不對中使疊片式聯軸器長期處于較大的應力交變狀態,從而使膜片疲勞而發生斷裂.

(2)膜片斷裂造成小機內部發生動靜摩擦,導致軸系振動加劇.

(3)給水泵底部縱銷配合間隙過大,引起聯軸器不對中.

(4)給水泵汽輪機軸封進汽管道沒有安裝濾網,導致管道內雜質進入小機軸封而引起動靜摩擦,從而產生振動.

3.2 最終原因

給水泵汽輪機轉子返廠檢查維護送回后,經開缸檢查分析,基本排除給水泵汽輪機汽缸內部原因使汽輪機振動大的可能.經現場分析發現,在給水泵汽輪機組投產后的長期運行過程中,管道在溫度變化的情況下發生形變并產生較大的熱應力.該應力作用于管系,并在管道中及管道與設備連接處產生力與力矩,導致管道變形移位[7].因電廠所建位置為海邊,受海積軟土地質特性的影響,鋪設在軟土地基的管道長期運行后會出現不同程度的基礎不均勻沉降,導致管道內應力增大,從而出現變形、開裂等現象[8].

由于管道熱應力、基礎沉降變形等因素的綜合作用,造成給水泵與給水泵汽輪機中心在長期運行期間發生較大變化,對中的上下徑向和端面偏差超過疊片式聯軸器要求標準,造成疊片式聯軸器膜片長期受到較大的交變應力,最終發生疲勞損壞,使給水泵與給水泵汽輪機對中情況進一步惡化,最終導致給水泵汽輪機1#、2#軸瓦油擋、低壓缸后軸封發生碰磨,#1軸承振動增大至保護值,給水泵汽輪機軸系振動保護動作,引起給水泵跳閘,鍋爐MFT聯鎖保護動作,最終機組跳閘.

綜上所述,聯軸器對輪中心偏差過大、疊片式聯軸器膜片長期受到較大的交變應力而導致膜片損壞、聯軸器失效導致汽封動靜碰磨、聯軸器膜片損壞加劇,是導致最終振動大,引起保護動作跳閘的直接原因.

4 處置措施

將給水泵汽輪機轉子裝車返回杭州汽輪機制造有限公司,專業技術人員檢查后,對其進行以下5項處理措施：

(1)更換低轉子并進行彎曲、跳動測量,數據良好.

(2)對轉子聯軸器進行瓢偏測量,數據良好.

(3)對磨損比較嚴重的轉子后軸汽封進行更換.

(4)根據檢查情況,更換9-1級隔板汽封、9-3級隔板汽封.

(5)進行轉子動平衡試驗,在6 003 rpm時,#1軸頸處振動為0.686 mm/s,#2軸頸處振動為0.812 mm/s,數據良好.

經處理后,給水泵汽輪機轉子運回電廠.經測量,級間動靜間隙和汽封、油檔洼窩中心正常.7月26日給水泵汽輪機檢查調整結束,給水泵汽輪機完成扣缸.維護人員調整給水泵汽輪機與給水泵對輪中心至標準值后,對給水泵汽輪機進行裝機恢復,裝機恢復完成后進行單汽機沖轉升速,達到合格.裝機恢復對輪聯軸器后進行啟機并網,啟機后,給水泵汽輪機各軸承振動數據穩定,見圖4.

圖4 穩定后的振動曲線

5 防范措施

為避免此類生產事故的發生,提出以下幾點防范措施：

(1)在運行過程中,加強對給水泵汽輪機軸承振動的監視和分析,增加對給水泵汽輪機對輪疊片式聯軸器外觀的檢查和聯軸器中心的檢查(冷態),做到逢停必檢.

(2)對給水泵汽輪機和給水泵管道支吊架進行熱態檢查,消除管道應力.

(3)檢查給水泵汽輪機和給水泵的腳螺栓緊固情況、動靜部分的間隙大小,以及彈簧隔振裝置的好壞.

(4)針對汽輪機底部縱銷配合間隙過大的問題,重新進行調整至合格值,預防軸系振動發生.

(5)針對低壓軸封母管疏水袋移位的問題,在軸封供汽母管加裝一路疏水管.

(6)針對給水泵汽輪機軸封進汽管道沒有安裝濾網,導致管道內雜質進入給水泵汽輪機軸封產生動靜摩擦,從而引起軸系振動的情況,在給水泵汽輪機軸封系統增加進口濾網,以防止雜質異物進入軸封管道.

(7)針對基礎沉降的問題,對壓力管道實施監測預警,并基于監測數據對其未來發展趨勢進行預測和安全預警.

6 結 論

本文以某發電廠350 MW機組給水泵汽輪機振動異常引起跳閘的事故為例,梳理轉子不對中及聯軸器不對中的分類、產生的原因、影響和震動特征,發現聯軸器不對中導致疊片式聯軸器膜片斷裂損壞,是給水泵汽輪機軸承振動增大的主要原因.為此,除及時采取相應的故障處理措施排除生產事故外,還根據此類故障產生的原因,提出了相應的防范措施,以保障發電機組的安全運行.