600 MW空冷機組汽輪機變負荷時1軸瓦振大原因分析及措施探討

摘要：汽輪機旋轉設備的振動是反映設備自身安全的一個重要指標，振動異常問題是造成設備和結構失效及惡性破壞的直接原因。超限的振動一般預示著設備可能存在某種故障。針對600MW空冷機組汽輪機增減負荷時#1軸瓦振動大的問題，結合機組實際運行需求，探索出了一種機組存在軸瓦振動大問題時的汽輪機運行控制措施和停機檢修措施，既實現了機組運行中的振動控制，也通過檢修從根本上解決了汽輪機#1軸瓦振動大的問題，為同類型其他機組提供了一定的借鑒意義。

關鍵詞：軸振轉子汽封調節汽閥軸瓦中心

中圖分類號：TM311

AnalysisofCausesandDiscussionofMeasuresforLargeVibrationoftheFirstBearingBushDuringLoadChangeofa600MWAir-CooledSteamTurbineUnit

YANGWei1ZHANGLei2

1.ChinaEnergyGroupInnerMongoliaHulunbeirPowerGenerationCo.，Ltd.，Hulunbeir，InnerMongoliaAutonomousRegion，021000China;2.HarbinWohuaIntelligentPowerTechnologyCo.，Ltd.，Harbin，HeilongjiangProvince，150006China

Abstract：Thevibrationofrotatingequipmentinsteamturbinesservesasacrucialindicatorreflectingthesafetyoftheequipmentitself.Abnormalvibrationisadirectcauseofequipmentandstructuralfailure，aswellascatastrophicdamage.Excessivevibrationoftenindicatesthepresenceofpotentialfaultswithintheequipment.Addressingtheissueofexcessivevibrationofbearingbush#1duringloadchangesin600MWair-cooledsteamturbineunits，wehavedeveloped，basedontheactualoperationalrequirementsoftheunits，asetofoperationalcontrolmeasuresandshutdownmaintenanceproceduresforsteamturbinesexperiencingsignificantbearingbushvibration.Thesemeasuresnotonlyachievevibrationcontrolduringunitoperation，butalsofundamentallyresolvetheproblemofexcessivevibrationinsteamturbinebearingbush#1throughmaintenance，providingvaluableinsightsforothersimilarunits.

KeyWords：Axialvibration;Rotor;Steamseal;Controlsteamvalve;Bearingbushcenter

在深度調峰調頻背景下，汽輪發電機組承擔更為頻繁的負荷調節任務[1]。汽輪機面臨更多的啟停和變負荷需求，給機組的正常運行帶來了極大的安全隱患[2]。特別是由于進汽流量的不斷變化，轉子受力的改變極易引發動靜碰磨或軸承振動增加的問題。因此，針對機組軸振問題的診斷與分析研究得到了眾多學者的關注[3，4]。

王少華等人[5]對機組油擋積碳引起的高壓缸#1、#2軸承振動異常升高問題進行分析，并從抑制雜質吸入和降低油擋溫度兩方面改造油擋解決了軸承振動問題。張曉斌等人[6]分析了汽輪機暖機過程中高中壓轉子發生的振動不穩定爬升現象。魏曉東等人[7]分析了高中壓轉子彎曲，導致不平衡力逐漸增大，進而引發汽輪機穩定運行中1瓦振動持續增長的問題。劉億鑫等人[8]提出通過延長暖機時間的方法解決了汽輪機汽封碰磨軸振問題。馬忠南等人[9]分析了下油擋預留間隙較小造成軸振過大的問題，并給出了整改方案。吳韜[10]分析了高中壓轉子后出現的1瓦振動問題。王九崇等人[11]從設備安裝、閥序調整等多個角度處理軸系振動問題，取得了很好的優化效果。

然而，引發機組振動的原因紛繁復雜，需要綜合考慮機組型號、安裝條件和運行背景分析[12]。本文針對某600MW空冷機組汽輪機變負荷時1軸瓦振大的問題進行系統性分析，綜合闡述了多種軸振治理措施，論證了各措施的有效性，對解決運行期間的機組軸振治理問題具有較好的參考意義。

1機組運行期間#1軸瓦振動大的原因分析和控制措施

1.1機組運行期間#1軸瓦振動大的控制措施簡析

某電廠600MW超臨界直接空冷機組分別于2010年12月投入運行。機組運行期間偶發#1軸瓦振動爬升現象，通過機組大修和小修期間加裝平衡塊減小振動基數控制措施，運行基本穩定。2019年11月機組負荷由350MW升至445MW過程中，汽輪機轉子1X振動由80μm升至170μm，1Y振動由85μm升至137μm。通過調整機組高壓調節閥開度使振動值恢復至正常水平，但此后振動基數也呈逐漸上升趨勢，在2019年12月、2020年2月又分別發生兩次增減負荷時1軸瓦振突升現象，1X方向振動最高漲至161μm。2020年3月，通過加裝平衡塊減小振動基數，1軸瓦振基數由110μm下降至60～70μm，機組運行穩定。然而，2020年7月30日機組負荷由600MW降至470MW過程中，再次出現振動爬升現象，1X/1Y軸振最大達133μm/157μm，之后在機組變負荷情況下又先后出現8次1軸瓦振爬升情況，10月1瓦1X/1Y方向最大振動幅值達到167μm/131μm。2020年8月，在550MW負荷下順序閥切換至單閥運行。切至單閥運行后5min內，1X/1Y軸振由71μm/67μm上漲至128μm/102μm，且仍有爬升趨勢。機組由單閥切回順序閥運行，振動下降并恢復正常狀態。

因機組計劃在2021年4月進行A級檢修，所以未對軸瓦和軸承箱進行仔細檢查。在此運行期間，采取更改閥序和調整調節閥開度大小來控制振動爬升。雖然上述措施對機組振動有一定控制作用，但是給機組安全運行帶來較大隱患。2021年4月，機組進入A級檢修階段，通過#1軸瓦與轉子間隙的調整、增加軸瓦受力程度、調整汽封間隙等檢修措施，消除了軸瓦間歇爬升的重大安全隱患。下面分別對機組#1軸瓦振動大運行期間控制措施和停機檢修措施，進行分析和探討。

1.2基于加裝平衡塊的減振措施

2019年12月對機組負荷變化時振動異常爬升的問題調研發現，一倍頻增加幅值較大，說明引起振動的主要原因是碰磨，解決當前主要手段就是通過對軸瓦進行動平衡處理，增加平衡塊的手段使機組振動基數降到70μm以下，不但減少了碰磨，同時，再對機組汽輪機高調門的進行配汽優化。

2020年3月，根據機組#1軸承處軸振升降負荷時振動大的頻譜圖及振動趨勢圖分析，認為其振動主要原因為汽流擾動所致，通過分析計算，在高中壓轉子兩端加裝平衡塊。隨后，在2020年11月又一次加裝平衡塊。通過以上兩次在高壓轉子上加裝配重措施，機組啟動后1軸瓦振基數由110μm下降至60～70μm，運行穩定。雖然加裝配重措施能起到減少振動基數的效果，但并未真正消除掉轉子振動的根本原因，還需要查清機組轉子振動的源頭，才能保證機組長周期可靠運行。

1.3基于優化高壓調節閥閥序的減振措施

機組順序閥配汽規律和機組閥門管理程序優化設計目的在于改善機組整體的綜合流量特性曲線的線性度，躲避機組負荷變化時振動異常爬升點，減小軸瓦部件的碰磨次數。通過綜合優化設計，確保高調門流量特性曲線的線性度；解決由于規律曲線設計不合理使得機組在某些固定閥位區間存在非正常大幅高頻擺動問題；通過開啟順序和重疊度等綜合優化確保汽輪機順序閥新規律順序投入使用后，機組運行時的經濟性至少與優化前順序閥基本相當。

機組在2020年4月開展了順序閥尋優測試試驗，最終得到GV1+GV4?GV3?GV2和GV2+GV3?GV4?GV1兩種進汽方式。經過兩次測試，最終選定GV2+GV3?GV4?GV1進汽方式，轉子狀態在該種進汽方式下無振動大幅度波動情況，但也要結合閥門開度調整來抑制轉子振動。通過以上試驗和現場情況來看，改變調節汽門進汽順序，從而改變轉子實際位置，使汽輪機轉子遠離碰磨點，可以避免軸振動幅度變化和較小振動幅度。

1.4基于調整高壓調節閥開度的減振措施

對350MW以上負荷機組1瓦振動問題可以通過調整GV1和關閉GV4開度控制。如表1所示，初步摸索出各個負荷段相對穩定工況下對應的高調閥閥位最佳位置，從而確保轉子軸振控制在合理范圍內。如表1所示，根據機組1瓦振動情況，振動在90μm以下且穩定運行時，機組負荷在350MW以上，因GV1和GV4處于手動控制狀態，在變負荷時，只有GV2、GV3參與負荷調節，GV2、GV3變化負荷較大，勢必影響機組的振動的變化，變工況時負荷變化速率應為3MW/min，并采用分階段加減負荷的方式，降低負荷響應速率，盡可能保持振動平穩變化。

400MW減負荷至350MW過程中，由于GV2、GV3逐漸關閉，GV1進汽量逐漸減小，對振動的抑制效果變差，1X/1Y振動會出現爬升的異常情況：當1X/1Y振動爬升至100μm或快速爬升時，應適當關閉GV4閥位的1%或2%；當GV4關閉至11%以下后，1X振動的波動幅度會達到10～20μm。350MW加負荷至400MW過程中，采用分階段加減負荷時，對振動的擾動較小，如遇振動緩慢爬升，可適當停止加負荷，當1X/1Y振動爬升至100μm時，可關閉GV4進行抑制振動的爬升。400MW加負荷至500MW過程中，機組負荷在480MW以下時，GV1、GV4閥位不需要進行調整，振動變化比較平穩。當繼續升負荷時，由于GV2、GV3逐漸開啟，GV2、GV3的開度與GV1偏差＜4%時，應適當開啟GV1，如遇1X/1Y振動爬升至100μm或快速上漲時，可通過關閉GV4進行抑制。6500MW減負荷至400MW過程中，隨著GV2、GV3的逐漸關閉，當GV2、GV3與GV1的偏差達到8%時，應適當關閉GV1，直至GV1關閉至36%或35%即可。在各負荷段進行調整時，振動下降穩定后，應盡可能恢復到當前負荷對應的穩定工況對應的閥門開度，留有一定控制的空間。

以上各負荷段是在試驗中的形成的典型工況，閥位控制可能存在一定的偏差，在振動控制中以穩定控制為主，根據經驗：振動上漲至120μm以上，會存在快速上漲異常情況，所以在日?？刂浦校?X/1Y振動在100μm時就需要進行抑制。當振動達到110μm時，可適當降低主汽溫度運行，降低幅度5℃，振動控制穩定后恢復主汽溫度運行。在機組工業電視上，調出1X/1Y軸振、1瓦左/右側軸承金屬溫度曲線進行實時監視。以上就是對汽輪機運行期間機組負荷和調節汽門開度變化摸索的規律，在實際應用中要根據振動幅度和機組類型不同隨時調整各調節汽門開度，可以有效控制汽輪機轉子軸振幅度變化，保證機組穩定運行。

500MW運行期間，振動較為平穩。機組負荷500MW運行30min，機組負荷在489MW后，1X/1Y振動最大爬升至94/90μm，將GV4由14%關閉至13%，1X/1Y振動緩慢下降

400MW運行期間振動平穩。主汽溫度提升試驗均在400MW進行，發現機組汽機膨脹不暢現象，提高主汽溫度后，汽缸膨脹多次受阻，負荷擾動后汽缸膨脹變化較為明顯，如2月23日400MW減至310MW過程中汽缸膨脹由25.36mm上漲至25.56mm，2月27日400MW減至320MW過程中汽缸膨脹由25.76mm漲至26.16mm

減負荷至310MW期間，關閉GV4抑制振動效果較差。減負荷過程中1X/1Y振動緩慢爬升至128/116μm后，快速上漲至173/159μm，將GV1由36%開啟至37%，GV4由9%關閉至8%，振動下降

2機組停機期間#1軸瓦振動大的檢修措施

2.1#1軸瓦檢查和檢修方法

2021年5月，機組開始A級檢修，著重對#1軸瓦重點從以下5方面進行檢查。通過油擋或汽封洼窩檢查高壓轉子的中心（測量高壓缸端部軸封間隙、測量軸承箱油擋洼窩中心等數據，并與上次檢修數據進行比較，核查高壓轉子與高壓缸徑向同心度）；測量1軸瓦徑揚度、前箱前后揚度，并上次檢修數據進行比較，分析1瓦標高的變化數值；檢查軸瓦墊片、底部支撐墊鐵的接觸情況檢查測量軸承浮動油擋間隙；檢查測量軸承頂部間隙檢查高壓缸聯接管道的支撐情況、受力情況，包括支吊架、彈簧支座等；檢查前箱、貓爪等滑銷系統間隙、工字梁狀態等；以分析高壓缸是否存在移位檢查支撐墊塊具有可調性（測量#1瓦4塊瓦塊相對于軸心的同心度，并調整至標準）；檢查調整瓦枕緊力前軸承座油擋積碳清理現場檢修中對#1軸瓦的剛性、軸瓦的配合間隙及轉子的中心位置進行了調整。同時為了增加#1軸瓦穩定性，在左下瓦塊加0.05mm墊片。并對瓦殼定位銷、瓦枕劃痕現場檢修中進行修復和調整，并使其達到優良標準。

2.2高中壓缸內部汽封間隙和轉子中心的檢查調整

在汽缸揭缸后，對汽封塊碰磨情況檢查時發現，高壓右側端部汽封中分面附近碰磨，如圖2所示。中壓左側端部汽封中分面附近碰磨；調節級左側汽封齒有碰磨，且高中壓轉子有3道溝痕，深度1.5mm，寬3mm，如圖3所示。前軸承箱油擋有積碳，但沒有硬化；高中壓轉子其他各級汽封也存在磨痕。

如圖4所示，端部汽封及調節級汽封有碰磨痕跡，分析為動靜碰磨可能與缸體受力、與軸承發生相對位移，導致局部動靜間隙消失。是調節級進汽及端部汽封碰磨引起振動。所以通流間隙、汽封檢修調整時控制在設計值中上線，特別注意高壓右側端部汽封、中壓左側端部汽封、調節級左側汽封間隙值每級都要經過三級驗收人員實測，端部汽封及高壓缸汽封彈簧片檢查，失效的更換。同時用拉鋼絲，通過洼窩找中心方法，檢查前軸承座、中軸承座及高壓缸中心是否發生偏移。如果發生偏移，通過內缸、隔板及汽封調節汽封間隙左右相等。

前軸承箱揭開后，檢查小軸對輪螺栓連接情況及小軸晃度（對輪螺栓有無松動，晃度≤0.05mm）。測量高中壓轉子彎曲度，若彎曲度達到90μm，返廠車削并做動平衡；若彎曲度小于90μm，現場做動平衡。

同時去除為了抑制振動爬升，在高中壓轉子兩側增加的平衡塊。調整結合機組修前及設計標準運行狀況，確定中心調整方案。按照中心標準對軸系進行調整，重點是要消除中低對輪、低電對輪處的高差與張口。受整個軸系揚度變化的影響，調整時要考慮對整個軸系揚度的影響，使整個軸系揚度盡可能地往修前揚度靠攏，以優化軸系揚度。另外，鑒于#1軸振存在爬升問題，調整時不要減少#1軸承的墊片，保證#1軸承對轉子的束縛力。

2.3高中壓缸內部隔板和內缸膨脹間隙檢查和調整

鑒于汽輪機轉子調節級處碰磨，查找是否存在妨礙高壓內缸和隔板膨脹的部位。通過對內部膨脹間隙的檢查，發現高壓內缸上半兩側與外缸膨脹間隙小于1mm（設計值≥3.17mm），下半間隙左側2.63mm，右側2.88mm，均小于設計值。內外缸接觸處有明顯擠壓痕跡，如圖5所示。

所以對間隙小于設計值部位進行打磨和車削至不小于設計值。以確保缸體能在有限范圍內自由膨脹，防止汽缸內部發生動靜碰磨，引起轉子振動幅度的爬升。

3結語

#1機組通過有效的運行控制措施，抑制了在汽輪機負荷增減時轉子振幅的大幅變化，平穩運行了近一年的時間，堅持到機組A修后才徹底檢查和治理，為電廠爭搶發電和機組有效出力等廠級目標的實現，打下了堅實的基礎。同時，通過對汽輪機的檢修，處理了汽封塊與轉子的碰磨、#1軸瓦底部墊片的調整，消除了高壓內缸圓周膨脹間隙小于設計的機組原始缺陷。機組A修后啟動，#1軸瓦處轉子振動小于70μm，機組增減負荷振動穩定無變化，說明檢修措施合理并有效，徹底消除轉子在負荷變化時爬升的重大設備隱患。

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