1050 MW超超臨界汽輪機(jī)軸承振動(dòng)故障的處理

何劍峰，錢(qián)振鑫

（神華神東電力重慶萬(wàn)州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027）

0 引言

某電廠一期2臺(tái)1050 MW超超臨界機(jī)組采用1050 MW超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)N1050-28/600/620。高壓內(nèi)缸為圓筒缸設(shè)計(jì)，全周進(jìn)汽；機(jī)組采用9級(jí)回?zé)岢槠?，增設(shè)3#高加前置蒸汽冷卻器及低溫省煤器；汽輪機(jī)通流級(jí)數(shù)48級(jí)，其中高壓缸12級(jí)，中壓缸2×8級(jí)，低壓缸2×2×5級(jí)；機(jī)組軸系由汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子A、低壓轉(zhuǎn)子B和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所組成，各轉(zhuǎn)子均為整鍛轉(zhuǎn)子，無(wú)中心孔，各轉(zhuǎn)子間以剛性聯(lián)軸器連接；汽輪機(jī)軸系中1#～4#軸承為可傾瓦式軸承，采用6瓦塊結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置；5#～8#軸承為橢圓形軸承。

在整套啟動(dòng)至168 h前，1#機(jī)組負(fù)荷>850 MW時(shí)1#和2#軸承振動(dòng)出現(xiàn)發(fā)散且超出報(bào)警值現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)帶負(fù)荷磨合，逐漸加負(fù)荷至額定負(fù)荷。在整個(gè)168 h試運(yùn)行期間，機(jī)組整體振動(dòng)趨于平穩(wěn)，但仍發(fā)生過(guò)4次振動(dòng)發(fā)散性增大現(xiàn)象。168 h試運(yùn)行結(jié)束后，首次啟動(dòng)帶負(fù)荷階段，負(fù)荷>850 MW時(shí)機(jī)組1#和2#軸承振動(dòng)明顯增加，振動(dòng)頻繁超過(guò)報(bào)警值。

1 檢查過(guò)程

在1#機(jī)高壓缸1#和2#軸承發(fā)生軸振報(bào)警后，技術(shù)人員對(duì)汽輪機(jī)本體及各參數(shù)全面檢查發(fā)現(xiàn)，高壓缸脹差偏大，高、中壓缸總膨脹比設(shè)計(jì)值偏小2 mm且左右總膨脹有偏差。168 h試運(yùn)結(jié)束后，停機(jī)期間檢查發(fā)現(xiàn)，高壓缸兩端軸封間隙偏離安裝值，高壓缸體出現(xiàn)水平偏斜，高壓缸右后側(cè)貓爪脫空，在翻瓦檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)1#和2#軸瓦有輾瓦現(xiàn)象。

2 原因分析

2.1 貓爪抬起及汽缸偏斜原因分析

2.1.1 管系方面

管系設(shè)計(jì)計(jì)算與生產(chǎn)廠家進(jìn)行了配合確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)管系與設(shè)計(jì)存在偏差：來(lái)自管系安裝期間的額外應(yīng)力，彈簧支吊架、限位支架或剛吊未正確承載，管系未正確膨脹；主汽閥Y向限位拉桿安裝時(shí)間隙預(yù)留不足，轉(zhuǎn)動(dòng)不暢，主汽閥位置設(shè)計(jì)膨脹值為118 mm，2#機(jī)600 MW（主汽溫度590℃）時(shí)實(shí)測(cè)為85 mm，類似工況1#機(jī)實(shí)測(cè)為48 mm。這樣將阻礙缸體膨脹形成。冷段2#Y向限位支架未能正確承載，這樣將會(huì)增加熱態(tài)作用于高壓缸的Y向推力和X向力矩，導(dǎo)致熱態(tài)高壓缸水平移動(dòng)和貓爪抬起。冷段2#Y向限位支架不能正確承載時(shí)，冷段6#剛吊管夾的安裝高度偏差會(huì)對(duì)高壓缸形成X向力矩，導(dǎo)致貓爪抬起。2#機(jī)現(xiàn)場(chǎng)在導(dǎo)汽管和抽汽管道（冷段未最終對(duì)口）連接到高壓缸時(shí)進(jìn)行了貓爪負(fù)荷分配測(cè)試，結(jié)果為左側(cè)重右側(cè)輕。說(shuō)明導(dǎo)汽管作用于汽缸接口力矩較大，導(dǎo)致高壓缸貓爪負(fù)荷不均。

圖1 主再熱管道支吊架布置

2.1.2 缸體方面

高壓缸實(shí)際承受外力能力偏差基本來(lái)自于汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝過(guò)程，實(shí)際承受外力能力影響因素分析如下：限制缸體徑向水平位移的立鍵母鍵位于缸體，公鍵位于軸承箱，母鍵膨脹量大于公鍵，熱態(tài)膨脹后間隙增大，不能限制缸體徑向水平位移?，F(xiàn)場(chǎng)用20 t倒鏈垂直向上拉冷段立管7#彈吊，其水平力較小，但高壓缸發(fā)生水平移動(dòng)，說(shuō)明高壓缸被推動(dòng)所需外力較小。當(dāng)高壓缸貓爪負(fù)荷減少時(shí)會(huì)導(dǎo)致其摩擦力減小，缸體容易被外力推動(dòng)，貓爪負(fù)荷分布不均也容易導(dǎo)致缸體被外力抬起或推動(dòng)。

5月15日，1#機(jī)組高排管道水平段切口后，力矩大部分得以釋放，高壓缸右側(cè)兩錨爪抬起回位。1#機(jī)組高排管切口后。5月24日22：00，在啟機(jī)暖缸過(guò)程中，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)高壓缸左前錨爪上抬0.42 mm，左后錨爪上抬0.79 mm。5月25日并網(wǎng)，100 MW負(fù)荷切缸后，抬起貓爪回座，最高帶負(fù)荷至980 MW，過(guò)程中檢查高壓缸貓爪未發(fā)現(xiàn)抬起現(xiàn)象。8月4日22：40，1#機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)，高排母管溫度在16 min內(nèi)從346℃降至299℃，溫差47℃，0.5 h后左前錨爪抬起最大值達(dá)0.7 mm，左后錨爪抬起最大值達(dá)0.9 mm。此后關(guān)閉高旁閥，開(kāi)啟高排管道疏水，高排母管溫度逐漸回升，錨爪抬起間隙逐漸變小，100%甩負(fù)荷試驗(yàn)5.5 h后高壓缸抬起兩錨爪回位。

綜上判斷，汽缸存在貓爪脫空現(xiàn)象，說(shuō)明汽缸受到很大外力。如果高排限位處有較小位移，則將高排管受力傳遞于汽缸。對(duì)高排管割口后限位點(diǎn)橫向位移5 mm，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)。機(jī)組停機(jī)后，高排管內(nèi)外壁溫差大引起機(jī)組貓爪脫空，導(dǎo)汽管布置方向?yàn)檩S向，而高排管布置方向?yàn)闄M向，因此，引起貓爪脫空力由高排管道應(yīng)力產(chǎn)生的可能性較大。

2.2 軸承振動(dòng)大原因分析

1#機(jī)軸承振動(dòng)有5個(gè)特點(diǎn)：①振動(dòng)發(fā)散瞬時(shí)值超過(guò)150 μm均發(fā)生在高負(fù)荷下（950 MW）；②高負(fù)荷工況下機(jī)組振動(dòng)的低頻分量最大近30 μm；③機(jī)組軸振頻譜分析顯示，造成高壓缸1#和2#軸承振動(dòng)波動(dòng)的主要頻率成分是28.75 Hz，軸心渦動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致；④降低1#機(jī)大機(jī)潤(rùn)滑油溫至35℃，1#，2#軸承振動(dòng)波動(dòng)幅度明顯變小并穩(wěn)定；⑤采用非正常運(yùn)行方式，降低主汽溫度至560℃，高壓缸脹差由5.7 mm下降至4.4 mm，再熱汽溫維持600℃可帶滿負(fù)荷，但振動(dòng)仍有瞬時(shí)超過(guò)150 μm現(xiàn)象。

檢修測(cè)量1#機(jī)汽缸上半立鍵間隙、端汽封間隙，顯示高壓缸軸線左右偏斜。之前停機(jī)出現(xiàn)高壓缸右側(cè)貓爪脫空，說(shuō)明汽缸所受管道力偏大，導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)靜徑向間隙圓周不均。汽流激振力加劇軸振波動(dòng)瞬時(shí)出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨，造成振動(dòng)幅值突增。

3 處理措施

3.1 第一階段整改措施

（1）168 h試運(yùn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組高壓缸右側(cè)貓爪上抬，電側(cè)導(dǎo)汽管右側(cè)阻尼器活動(dòng)受限。對(duì)阻礙活動(dòng)的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行局部割除，啟動(dòng)后冷、熱態(tài)工況檢查，液壓阻尼器靈活。

（2）168 h試運(yùn)停機(jī)消缺期間檢查發(fā)現(xiàn)，高壓缸兩端軸封間隙偏離安裝值、缸體偏斜。對(duì)磨損部位汽封齒剔除毛刺后恢復(fù)汽缸原位。

（3）高旁閥入口管道與鋼梁硬接觸。經(jīng)設(shè)計(jì)院重新計(jì)算后，進(jìn)行局部調(diào)整。

（4）對(duì)1#機(jī)冷段高排管道水平段實(shí)施切口，釋放應(yīng)力后重新焊接歸位，并重新調(diào)整高排管道支吊架。

（5）高排管道Y向限位間隙值過(guò)大。重新更換兩側(cè)球面盤(pán)，消除兩側(cè)間隙，并作加固處理。

經(jīng)過(guò)以上整改，1#機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí)，1#和2#軸承的振動(dòng)明顯好轉(zhuǎn)，>950 MW時(shí)才發(fā)生振動(dòng)波動(dòng)增大現(xiàn)象。通過(guò)頻譜分析，分頻振動(dòng)是本次啟動(dòng)高負(fù)荷振動(dòng)增大主要原因。振動(dòng)>80 μm后，動(dòng)靜徑向摩擦特征明顯。磨合間隙能減弱汽流激振力，也能減弱摩擦引起不穩(wěn)定振動(dòng)的誘發(fā)因子，所以磨合能改善振動(dòng)狀態(tài)。在廠家的指導(dǎo)下，在可控范圍內(nèi)進(jìn)行汽輪機(jī)高負(fù)荷碰磨試驗(yàn)，使轉(zhuǎn)子在汽缸中的位置在圓周方向的動(dòng)靜間隙盡量均勻，以達(dá)到消除蒸汽激振達(dá)，到降低軸承振動(dòng)的目的。1#機(jī)組在1020 MW高負(fù)荷下1#和2#軸承振動(dòng)大幅波動(dòng)的情況下，磨碰約30 min后，軸承振動(dòng)突然由150 μm下降至90 μm以下并穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)本次磨碰，1#機(jī)在（500～1050）MW間多次以10 MW/min速率加減負(fù)荷，未出現(xiàn)軸承振動(dòng)突增發(fā)散現(xiàn)象。

3.2 第二階段整改措施

為防止2#機(jī)組出現(xiàn)上述類似問(wèn)題，在安裝階段就嚴(yán)格執(zhí)行安裝工藝、加強(qiáng)質(zhì)量管控，同時(shí)，每次與缸體連接的管道焊接后（除吹管后高排管道最后一道焊口連接后未做最后一次負(fù)荷分配外），均一一進(jìn)行負(fù)荷分配，試驗(yàn)外接管道連接對(duì)缸體的作用，并將對(duì)1#機(jī)組采取的措施應(yīng)用于2#機(jī)組的安裝環(huán)節(jié)。整改如下：

（1）為防止1#與2#軸承出現(xiàn)碾瓦現(xiàn)象，排除軸瓦對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，對(duì)2#機(jī)組1#和2#軸承加裝頂軸油系統(tǒng)。同時(shí)將1#軸瓦抬高0.1 mm，增大軸瓦載荷。

（2）將2#機(jī)左側(cè)高壓導(dǎo)汽管恒力支架更換為恒力吊架，減小因熱膨脹帶來(lái)的支架與導(dǎo)汽管掛耳的相對(duì)摩擦，從而增加左側(cè)高壓導(dǎo)汽管熱膨脹的自由度，減小其對(duì)缸體的作用力。

（3）更換2#機(jī)主汽閥閥體Y向限位拉桿銷(xiāo)子，實(shí)現(xiàn)拉桿的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的自由轉(zhuǎn)換，避免閥體膨脹對(duì)缸體可能產(chǎn)生的作用力。

（4）拆除2#機(jī)高壓缸上缸立銷(xiāo)保溫，減緩子母鍵受熱膨脹的程度。

經(jīng)過(guò)整改后，2#機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中雖然仍發(fā)生了輕微的貓爪脫空及高壓上缸整體向右側(cè)輕微偏斜現(xiàn)象。但經(jīng)過(guò)高負(fù)荷磨合，目前機(jī)組在（550～1050）MW范圍，可以按升、降12 MW/min的負(fù)荷率，任意變負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 第三階段整改措施

為徹底消除隱患，決定對(duì)2臺(tái)機(jī)組冷段高排管道進(jìn)行柔化改造。首先對(duì)1#機(jī)柔化改造，對(duì)高壓缸貓爪進(jìn)行負(fù)荷分配試驗(yàn)，將高壓上導(dǎo)汽管托架改為吊架。調(diào)整高—中對(duì)輪中心，將轉(zhuǎn)子相對(duì)于缸體的中心位置恢復(fù)為出廠值（圖2）。

圖2 冷段柔性管

經(jīng)過(guò)柔性化改造后，1#機(jī)高排冷段在沖轉(zhuǎn)、超速試驗(yàn)、升降負(fù)荷過(guò)程未發(fā)生汽缸貓爪脫空現(xiàn)象，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程及變負(fù)荷過(guò)程，高壓上缸前后立銷(xiāo)測(cè)量間隙正常，未發(fā)生汽缸偏斜現(xiàn)象，汽缸膨脹正常，機(jī)組負(fù)荷850 MW以下振動(dòng)輕微，基本消除了汽缸偏斜問(wèn)題，但發(fā)現(xiàn)4個(gè)新問(wèn)題。

（1）查詢近30 d連續(xù)運(yùn)行趨勢(shì)，機(jī)組負(fù)荷>850 MW，1Y，2Y振動(dòng)明顯增大，且隨負(fù)荷增加有上漲趨勢(shì)，負(fù)荷＜850 MW，振動(dòng)明顯回落至75 μm以下。振動(dòng)隨負(fù)荷變化有重復(fù)性，磨合時(shí)間越長(zhǎng)，高負(fù)荷下振動(dòng)幅值在減小。

（2）振動(dòng)檢測(cè)故障診斷分析儀仍然采集到2Y振動(dòng)有25 Hz低頻振動(dòng)，幅值52 μm。

（3）1#機(jī)大機(jī)潤(rùn)滑油溫采取非正常運(yùn)行方式降溫，至35℃時(shí)機(jī)組高負(fù)荷振動(dòng)發(fā)散明顯減小。

（4）負(fù)荷>750 MW，啟動(dòng)頂軸油泵增加擾動(dòng)后，2Y振動(dòng)有突增現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)以上現(xiàn)象分析，1#機(jī)負(fù)荷>850 MW時(shí)高壓軸振波動(dòng)大原因?yàn)?#軸承穩(wěn)定性不良，同時(shí)存在蒸汽激振與摩擦誘發(fā)不穩(wěn)定振動(dòng)，需要在運(yùn)行中對(duì)高壓間隙進(jìn)行磨合。制定了專項(xiàng)磨碰試驗(yàn)措施，在高負(fù)荷下可控進(jìn)行磨合。經(jīng)過(guò)高負(fù)荷磨合，目前1#機(jī)能順利帶滿負(fù)荷運(yùn)行，滿足電網(wǎng)投入AGC要求。將1#機(jī)高排管柔化改造經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用在2#機(jī)，機(jī)組振動(dòng)異常消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)2臺(tái)機(jī)組冷段高排管道進(jìn)行柔化改造后，經(jīng)過(guò)滿負(fù)荷磨合，機(jī)組可以帶滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]駱名文.大型透平機(jī)械葉輪偏心引起的葉頂間隙氣流激振的分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.