某汽輪發(fā)電機(jī)組碰磨及不平衡故障分析與處理

賀 軾，趙衛(wèi)正，顧偉飛

(1．浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限公司，寧波 315208； 2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州310003；3.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310003；4.浙能工業(yè)信息工程省級(jí)重點(diǎn)企業(yè)研究院，杭州 310003)

汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)靜碰磨和質(zhì)量不平衡是機(jī)組運(yùn)行中最常見的故障。機(jī)組大修期間動(dòng)靜間隙調(diào)整不當(dāng)，在大修后的啟動(dòng)過程中容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨，輕則造成軸系振動(dòng)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大軸永久彎曲。質(zhì)量不平衡故障是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的中心慣性主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生不平衡力，作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生振動(dòng)。本文介紹了某機(jī)組在大修后啟動(dòng)過程中動(dòng)靜碰磨和質(zhì)量不平衡故障的情況，分析了故障特征及原因，并提出了相應(yīng)的處理措施，研究成果可為類似的故障處理提供參考。

1 機(jī)組概況

某215 MW汽輪發(fā)電機(jī)組為單軸、超高壓、一次中間再熱、三缸三排汽機(jī)組，汽輪機(jī)由高壓、中壓、低壓三汽缸組成，高壓、中壓、低壓轉(zhuǎn)子采用剛性連接，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用半撓性聯(lián)軸器連接。機(jī)組軸系由9個(gè)徑向軸承支撐，其中高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子采用三支撐結(jié)構(gòu)，其余轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，軸系布置示意圖如圖1所示。各軸承裝有電渦流傳感器，用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)看，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，其中X方向軸振探頭布置在右側(cè)45°，Y方向軸振探頭布置在左側(cè)45°。機(jī)組停機(jī)期間進(jìn)行了大修，檢查發(fā)現(xiàn)高壓前軸封10道軸封齒磨損嚴(yán)重，部分通流間隙偏小。維護(hù)人員對(duì)磨損部位進(jìn)行了修復(fù)，并調(diào)整了通流間隙。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子前軸封跳動(dòng)值偏大，最大為410 μm，中壓轉(zhuǎn)子最大跳動(dòng)值位于中壓第13級(jí)和第14級(jí)之間，為430 μm。因此將轉(zhuǎn)子運(yùn)返加工廠，進(jìn)行直軸以及動(dòng)平衡處理。

圖1 機(jī)組軸系布置示意圖

2 高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰磨故障

機(jī)組大修后于2018年8月6日冷態(tài)啟動(dòng)，16:00投入連續(xù)盤車，盤車電流為7.4 A，大軸彎曲0.06 mm，偏心度99 μm，機(jī)組經(jīng)全面檢查后符合啟動(dòng)條件。17:35機(jī)組開始抽真空、點(diǎn)火、投入軸封汽，18:52通過汽加熱系統(tǒng)進(jìn)行暖箱操作，加熱夾層、法蘭，19:20加熱螺栓。20:16機(jī)組開始沖轉(zhuǎn)，此時(shí)主蒸汽進(jìn)汽壓力為1.39 MPa，溫度為230 ℃。20:24升速至800 r/min時(shí)進(jìn)行暖機(jī)，暖機(jī)期間高壓缸膨脹，差脹正常，各軸承振動(dòng)保持穩(wěn)定。

22：06機(jī)組開始升速，轉(zhuǎn)速至1 610 r/min時(shí)，1號(hào)、2號(hào)軸振快速爬升，1X軸振達(dá)304 μm，2Y軸振達(dá)332 μm，機(jī)組打閘停機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員反映高壓缸后軸封處有摩擦異常聲音。惰走降速過程中，1號(hào)、2號(hào)軸瓦振動(dòng)明顯大于升速過程，升速和降速過程中1X、2Y軸振Bode圖如圖2所示。

(a) 1X軸振

(b) 2Y軸振

圖2 升速和降速過程中1X、2Y軸振Bode圖

此次沖轉(zhuǎn)過程中1號(hào)、2號(hào)軸振變化有如下特征：(1)振動(dòng)主要以一倍頻為主；(2)同一轉(zhuǎn)速下，降速過程中振動(dòng)大于升速過程；(3)惰走過程中轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，1號(hào)軸振超過300 μm，盤車時(shí)偏心值大于開機(jī)前。

高壓轉(zhuǎn)子在升速過程中的振動(dòng)增大主要以一倍頻為主，絕大多數(shù)情況下是由于質(zhì)量不平衡引起的，可能的原因有：(1)原始質(zhì)量不平衡；(2)升速過程中轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫或松動(dòng)；(3)轉(zhuǎn)子熱彎曲[1]。

在升速和降速過程中，原始質(zhì)量不平衡引起的一倍頻振動(dòng)變化應(yīng)該較小，與此次振動(dòng)特征不符，因此排除質(zhì)量不平衡故障。轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫或松動(dòng)會(huì)造成振動(dòng)突然增大，但此次升速過程中振動(dòng)連續(xù)增大，因此排除這種可能性。轉(zhuǎn)子與靜止部件如果相互摩擦，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，轉(zhuǎn)子接觸處局部溫度將急劇升高，使轉(zhuǎn)子發(fā)生熱變形彎曲，產(chǎn)生附加的不平衡質(zhì)量，從而引起振動(dòng)增大?；谏鲜龇治觯Y(jié)合機(jī)組剛大修完的情況，以及惰走過程中高壓缸軸封處有摩擦異常聲音的事實(shí)，判斷在沖轉(zhuǎn)過程中高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了動(dòng)靜碰磨，引起轉(zhuǎn)子熱彎曲。此次沖轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為1 610 r/min，在高壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速1 650 r/min以下，摩擦產(chǎn)生的熱彎曲與轉(zhuǎn)子原始不平衡量的夾角小于90°，摩擦后的轉(zhuǎn)子總不平衡量增大，造成轉(zhuǎn)子越磨越彎，形成惡性循環(huán)[2]。

機(jī)組停機(jī)后對(duì)高壓缸前后軸封進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)外道汽封齒磨損明顯，于是對(duì)汽封齒進(jìn)行了修復(fù)，并調(diào)大了徑向間隙。

3 高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障

高壓缸軸封處理完成后經(jīng)4 h盤車，機(jī)組于2018年8月7日10:45再次啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至1 636 r/min，接近高壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，1X方向振動(dòng)達(dá)到239 μm，1Y方向振動(dòng)達(dá)到212 μm，2X、2Y方向振動(dòng)為69 μm與116 μm，隨后振動(dòng)緩慢下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至2 000 r/min后，振動(dòng)再次出現(xiàn)爬升，至2 238 r/min時(shí)，1X方向振動(dòng)達(dá)到了282 μm，機(jī)組再次打閘停機(jī)。沖轉(zhuǎn)和惰走過程中1號(hào)、2號(hào)軸振主要以一倍頻為主，且升速、降速過程中1號(hào)、2號(hào)軸振一倍頻幅值和相位曲線一致，如圖3所示。根據(jù)1號(hào)、2號(hào)軸振特征，判斷高壓轉(zhuǎn)子未發(fā)生動(dòng)靜碰磨，振動(dòng)過大的原因是轉(zhuǎn)子存在原始質(zhì)量不平衡。由于現(xiàn)場(chǎng)該高壓轉(zhuǎn)子只有中部可配重，動(dòng)平衡處理需要開缸，處理工期較長，因而現(xiàn)場(chǎng)決定再次嘗試將機(jī)組沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速。沖轉(zhuǎn)前將潤滑油溫度從41 ℃提高至46 ℃，提高油膜剛度；同時(shí)使轉(zhuǎn)速在1 850 r/min處停留一段時(shí)間，觀察振動(dòng)有無爬升，判斷轉(zhuǎn)子是否存在動(dòng)靜碰磨[3]；將振動(dòng)打閘值適當(dāng)放寬至300 μm。

(a) 1X軸振

(b)2Y軸振

機(jī)組再次啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 622 r/min時(shí)，1X方向振動(dòng)為188 μm，1Y方向振動(dòng)為190 μm，2X方向振動(dòng)為57 μm，2Y方向振動(dòng)為103 μm，均小于上次沖轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)值。轉(zhuǎn)速到1 850 r/min時(shí)停留0.5 h，振動(dòng)保持穩(wěn)定，因此決定繼續(xù)升速。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至2 259 r/min時(shí)，1X方向振動(dòng)為290 μm，1Y方向振動(dòng)為236 μm，達(dá)到峰值。隨后振動(dòng)迅速下降，最終機(jī)組成功達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，空載下1～5號(hào)軸振情況如表1所示。

表1 額定轉(zhuǎn)速下1～5號(hào)軸承振動(dòng)情況(單位：μm)

4 軸系質(zhì)量不平衡故障

機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中，各軸承振動(dòng)與空載時(shí)相比變化不大，1X軸振約為180 μm，1Y軸振約為230 μm，3～5號(hào)軸振均超過100 μm。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至150 MW左右時(shí)，高壓調(diào)門進(jìn)汽方式由單閥切換為多閥，1Y軸振從230 μm下降至61 μm，但3～5號(hào)軸振有所增大，150 MW負(fù)荷下1～5號(hào)軸承Y方向振動(dòng)情況如表2所示。對(duì)空載和帶負(fù)荷后的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出3～5號(hào)軸振以一倍頻為主，相位穩(wěn)定，據(jù)此判斷軸系存在質(zhì)量不平衡。

因此決定在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行徑向動(dòng)平衡處理。根據(jù)同機(jī)型動(dòng)平衡處理經(jīng)驗(yàn)，分別在中壓末級(jí)葉輪處加質(zhì)量1 165 g，中低聯(lián)軸器處加質(zhì)量600 g，低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)兩側(cè)葉輪處各加390 g，加質(zhì)量后各軸振測(cè)點(diǎn)的振幅明顯下降，如表2所示。

表2 動(dòng)平衡前后負(fù)荷150 MW時(shí)1～5號(hào)軸振數(shù)據(jù) (單位：μm)

5 結(jié) 論

某215 MW機(jī)組大修后啟動(dòng)，升速過程中1號(hào)、2號(hào)軸振快速爬升，主要是因?yàn)楦邏恨D(zhuǎn)子發(fā)生了動(dòng)靜碰磨故障。通過調(diào)整軸封間隙，動(dòng)靜碰磨現(xiàn)象消失。

高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過臨界點(diǎn)后，沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速過程中，振動(dòng)再次爬升，判斷高壓轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡。由于現(xiàn)場(chǎng)無法進(jìn)行動(dòng)平衡處理，因此通過提高潤滑油溫度來增大油膜剛度，使機(jī)組轉(zhuǎn)速成功升至額定轉(zhuǎn)速。

機(jī)組在空載和帶負(fù)荷時(shí)，3～5號(hào)軸振偏大的主要原因是軸系存在質(zhì)量不平衡，通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，振動(dòng)明顯下降。