一起汽輪機振動大跳機事故的運行分析

談力瑋

（景泰發(fā)電廠，甘肅 白銀730408）

0 引言

某發(fā)電廠660 MW 汽輪發(fā)電機，在冷態(tài)啟動并網(wǎng)運行僅僅3h后，就因為汽輪機振動大，振動保護(hù)動作，機組非停。本文就此次非停事件從機組運行角度做一些簡要的分析。

1 設(shè)備概述

某廠汽輪機為哈爾濱汽輪機廠制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，型號是CLNZK660－24.2/566/566，機組采用積木式設(shè)計，高中壓合缸、反動式葉片、整段轉(zhuǎn)子、多層汽缸。

汽輪機通流部分采用沖動式與反動式聯(lián)合設(shè)計。新蒸汽從下部進(jìn)入置于該機兩側(cè)的高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，由每側(cè)各2個調(diào)節(jié)閥流出，經(jīng)過4根高壓導(dǎo)汽管進(jìn)入汽輪機高壓缸。新蒸汽在高壓缸內(nèi)通過1個沖動式調(diào)節(jié)級和9個反動式壓力級后，由外缸下部2個排汽口進(jìn)入再熱器。再熱后的蒸汽進(jìn)入機組兩側(cè)的2個再熱主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，再由每側(cè)各2個中壓調(diào)節(jié)閥流出，經(jīng)過4根中壓導(dǎo)汽管由中部進(jìn)入汽輪機中壓缸，蒸汽經(jīng)過6級反動式壓力級后，從中壓缸上部排汽口排出，分別進(jìn)入一號、二號低壓缸中部。2個低壓缸均為雙分流結(jié)構(gòu)，蒸汽從通流部分的中部流入，經(jīng)過正反向各6級反動級后，流向排汽口，排汽向下流入安裝在每一個低壓缸下部的排汽裝置經(jīng)過排汽管進(jìn)入空冷凝汽器。

該汽輪機高中壓缸合缸、采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高中壓外缸和內(nèi)缸通過水平中分面形成了上下兩半，內(nèi)缸支撐在外缸水平中分面處，并由上部和下部的定位銷導(dǎo)向，使汽缸保持與汽輪機軸線的正確位置，同時使汽缸可根據(jù)溫度的變化自由收縮和膨脹。低壓外缸全部由鋼板焊接而成，為了減少溫度梯度設(shè)計成3層缸結(jié)構(gòu)，由外缸、1號內(nèi)缸、2號內(nèi)缸組成。高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子均為無中心孔合金鋼整段轉(zhuǎn)子。各段轉(zhuǎn)子均通過聯(lián)軸器剛性連接。汽輪機共有7個軸承，6個支持軸承和1個推力軸承，其中支持軸承全部采用4瓦塊可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)。

2 事件經(jīng)過

5月16日11 ：00，鍋爐點火，開始升溫升壓。16：50，蒸汽參數(shù)達(dá)到機組沖轉(zhuǎn)要求，汽輪機采用高壓缸進(jìn)汽方式，開始沖轉(zhuǎn)。17：00，轉(zhuǎn)速至1 000r/min，進(jìn)行低速暖機；17：50，汽輪機繼續(xù)升速，順利通過高壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)；18：00，轉(zhuǎn)速至2 000r/min，進(jìn)行中速暖機；20：35，汽輪機繼續(xù)升速，至2 900r/min時進(jìn)行閥門切換操作，隨后定速至3 000r/min。20：56，發(fā)電機并網(wǎng)帶負(fù)荷；23：45，機組負(fù)荷至330 MW，直流鍋爐轉(zhuǎn)為干態(tài)運行，投入機組協(xié)調(diào)控制方式。從機組并網(wǎng)至升負(fù)荷的過程中，1瓦、2瓦的瓦振情況保持穩(wěn)定并且有緩慢上升的趨勢。5月17日00：18，1瓦X 方向的振動值升高到257μm，汽輪機“振動大”保護(hù)動作，機組跳閘，發(fā)電機解列，鍋爐滅火。詳細(xì)振動情況如表1所示。

表1 機組振動情況匯總表 單位：μm

3 原因分析

（1）汽機大軸存在熱彎曲，啟動過程中對主汽溫度變化率控制不當(dāng)。

該汽輪機轉(zhuǎn)子自投產(chǎn)以來一直存在1瓦、2瓦振動大的問題。經(jīng)過多次專業(yè)分析，行業(yè)內(nèi)的專家給出了“轉(zhuǎn)子應(yīng)力釋放不充分”的結(jié)論。特別是當(dāng)主蒸汽溫度有較大幅度的變化時，大軸就會有比較大的熱應(yīng)力和熱變形，導(dǎo)致機組振動增大。如圖1所示，此次升負(fù)荷過程中，0.5h內(nèi)主汽溫度從463 ℃增長到519 ℃，引發(fā)第一波振動攀升，從193μm 升至212μm；鍋爐在轉(zhuǎn)干態(tài)運行過程中，0.5h 內(nèi)主汽溫度從510 ℃增長到560 ℃，引發(fā)第二波振動攀升，從206μm 逐步升至236μm，并最終引起“振動大”保護(hù)動作，機組解列。從啟動曲線分析，該主汽溫度曲線并不是一條平滑上升的曲線，而是存在波動和起伏，局部時間段內(nèi)溫度上升率達(dá)到1.86 ℃/min，超過了《運行規(guī)程》所要求的“不超過1.5 ℃/min”的要求，造成大軸產(chǎn)生了較大的熱變形，加劇了振動增加的趨勢。

圖1 啟動過程中主汽溫度和1X 振動趨勢圖

（2）對機組的軸封溫度控制不準(zhǔn)確。

該汽輪機，高壓缸軸封在65 MW 達(dá)到自密封；中壓缸軸封在165 MW 達(dá)到自密封。達(dá)到自密封后，高中壓缸的排汽逐漸排擠軸封母管的供汽，造成軸封母管壓力升高。運行人員快速關(guān)小軸封母管供汽調(diào)節(jié)門，以降低軸封母管壓力。此時的軸封母管蒸汽主要是汽缸自密封的排汽。因為此時汽缸的排汽溫度低于軸封的供汽溫度，也低于軸封位置的轉(zhuǎn)子金屬溫度（表2），軸封蒸汽對大軸從原來的加熱作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s作用。軸封溫度的轉(zhuǎn)變加劇了大軸上的熱應(yīng)力和熱變形，造成轉(zhuǎn)子振動值增大。

表2 啟動過程中軸封母管蒸汽溫度和高壓缸端部金屬溫度對比表

（3）加負(fù)荷過程中，加負(fù)荷速度過快，暖機時間不充分。

機組啟動過程，存在著巨大的金屬熱應(yīng)力和諸多的熱變形。特別是對于已經(jīng)存在熱彎曲問題的汽輪機轉(zhuǎn)子，啟動的過程中要關(guān)注暖機的時間長短和汽輪機的膨脹問題。如表3 所示，機組帶負(fù)荷后有3個負(fù)荷段的暖機過程，汽缸膨脹量發(fā)生了明顯的變化。說明啟動的過程中笨重的金屬設(shè)備同時也經(jīng)歷著劇烈的換熱和膨脹?！哆\行規(guī)程》要求低負(fù)荷暖機時間要大于20min。但是，為了達(dá)到調(diào)度部門的要求這個過程被人為縮短了。暖機時間不足，汽缸還在繼續(xù)膨脹，沒有膨脹到位，此時就要求機組中等負(fù)荷運行或者高負(fù)荷運行，巨大的扭矩疊加上膨脹不充分的熱應(yīng)力，加劇了大軸的熱彎曲，造成軸振動持續(xù)升高。

表3 暖機負(fù)荷、時間以及汽缸膨脹量

（4）汽輪機進(jìn)汽閥門特性不均勻，存在汽流沖擊，個別閥門開度對大軸振動情況影響顯著。

在啟動過程中，鍋爐提供的熱能和發(fā)電機消耗的機械能并不完全協(xié)調(diào)，造成主蒸汽壓力的波動和汽輪機進(jìn)汽閥門的上下調(diào)整。因為閥門特性不均勻，通過個別閥門進(jìn)入汽缸的汽流對汽輪機大軸會產(chǎn)生沖擊作用。如圖2所示，3號高調(diào)門開度從31%到100%的過程中，大軸1X 方向的振動值從123μm 跟隨爬升至165μm；3號高調(diào)門從100%全開下降到28%的開度，1X 方向的振動從175μm 跟隨下降到130μm?？梢姡?號高調(diào)門的開度對大軸1X 方向的振動值有顯著影響。

圖2 3號高調(diào)門開度和1X 方向振動曲線

4 應(yīng)對措施

（1）嚴(yán)格控制啟動過程的升溫率。

機組啟動過程中伴隨著金屬熱應(yīng)力和熱膨脹。特別是對于已存在熱彎曲的汽輪機，啟動過程中要高度重視主蒸汽溫度、壓力的變化，力求平緩，減少波動和反復(fù)，禁止出現(xiàn)急劇的溫度抬升或者降低。操作中要符合《運行規(guī)程》的要求，采用“不超過1.5 ℃/min”的溫升率。升溫過程中如果伴隨著振動數(shù)值的持續(xù)上漲，說明轉(zhuǎn)子熱彎曲的情況可能在加劇。此時要果斷地保持汽溫穩(wěn)定，觀察振動情況，或者帶負(fù)荷暖機，切不可隨意提高主汽溫度，加劇振動擴大。

（2）調(diào)整好軸封系統(tǒng)的運行方式，做到軸封蒸汽參數(shù)和金屬參數(shù)相匹配。

軸封系統(tǒng)的蒸汽參數(shù)對軸瓦附近區(qū)域的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力和熱變形有著重大影響，直接影響到振動數(shù)值的大小，因此要盡量使兩者匹配。軸封蒸汽溫度要符合汽輪機生產(chǎn)廠家提供的“軸封蒸汽溫度限制曲線”的要求，盡量減小蒸汽和金屬的溫度差。當(dāng)金屬溫度持續(xù)升高接近蒸汽溫度時，運行人員要果斷地將軸封蒸汽的來源切換到溫度更高的冷再熱蒸汽，防止軸封處的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)從“被加熱”到“被冷卻”的轉(zhuǎn)變，減少局部熱應(yīng)力和熱變形，從而減緩振動的發(fā)展趨勢。

（3）加負(fù)荷過程中要充分暖機，不可因為“趕進(jìn)度”而忽視了金屬變形膨脹的風(fēng)險。

開機過程中必須留有暖機的時間，以便于金屬釋放熱應(yīng)力和熱膨脹，釋放不充分或者不均勻都有可能造成機組振動加大。在《運行規(guī)程》規(guī)定的暖機負(fù)荷下一定要停留足夠的時間，待膨脹趨勢減小后再繼續(xù)增加負(fù)荷，不可以在機組沒有膨脹到位時就匆忙地增加機組負(fù)荷，造成熱應(yīng)力和機械應(yīng)力相互疊加，加劇大軸振動。

（4）結(jié)合機組大小修認(rèn)真進(jìn)行汽輪機配汽機構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化工作，修改進(jìn)汽閥門的特性曲線，消除閥門進(jìn)汽不均勻造成的大軸振動。

在啟動過程中出現(xiàn)個別閥門的開度影響大軸振動的問題，要從設(shè)備角度認(rèn)真分析，查找原因，消除蒸汽沖擊造成的振動擴大。

5 結(jié)語

汽輪機的振動只是一個宏觀現(xiàn)象，而背后的機理卻很復(fù)雜，影響因素也很多。作為運行人員，要結(jié)合運行參數(shù)進(jìn)行分析調(diào)整，嚴(yán)格依據(jù)《運行規(guī)程》進(jìn)行作業(yè)，不可為了“趕進(jìn)度”而野蠻操作，更不可忽略設(shè)備的特性而人為壓縮啟動時間。對于已經(jīng)存在熱彎曲的汽輪機更要精心操作、按章操作，才能有效地避免事故發(fā)生。

［1］談力瑋，金作壽.大唐景泰發(fā)電廠集控主機運行規(guī)程［Z］.2015.

［2］談力瑋，梁俊龍.大唐景泰發(fā)電廠集控輔機運行規(guī)程［Z］.2015.

［3］沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理［M］.北京：中國電力出版社，1992.

［4］孫奉仲.大型汽輪機運行［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］李錄平，盧緒祥.汽輪發(fā)電機組振動與處理［M］.北京：中國電力出版社，2007.