50 MW背壓機(jī)組缸體偏心擺動(dòng)問題的分析及對(duì)策

李豐均1，孫海龍1，季先超1，陳 杰2，石家魁，萬 杰

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073; 2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310052; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

當(dāng)前，隨著城市供熱、工業(yè)印染等熱蒸汽需求的持續(xù)增加，背壓型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組開始受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-2]。文獻(xiàn)[3]提出了基于背壓機(jī)組的熱電聯(lián)供型光熱電站與建筑相變儲(chǔ)能的離網(wǎng)型綜合能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)大中型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與背壓機(jī)組匹配抽凝機(jī)組選型方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]提出在超臨界350 MW機(jī)組上，采用背壓式給水泵小汽輪機(jī)工業(yè)供熱的策略。其中，50 MW級(jí)別背壓機(jī)因其在啟停方面的靈活、高效等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)主流機(jī)型中所占比重不斷增長(zhǎng)。為了解決50 MW級(jí)別汽輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的各類問題，研究人員都開展了不少相關(guān)工作。文獻(xiàn)[6]針對(duì)50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組的軸封漏氣問題，分別從結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[7]闡述了汽輪機(jī)停機(jī)后汽缸下半汽封齒碰磨的原因，提出了防止汽封齒碰磨的優(yōu)化措施。文獻(xiàn)[8]從理論和實(shí)際上分析了背壓機(jī)組自容式油動(dòng)機(jī)故障關(guān)閉的原因，指出了存在的問題，提出了解決措施。文獻(xiàn)[9]論述了用渦流傳感器監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的偏心擺動(dòng)問題，提出了一種在時(shí)域完全去除偏心擺動(dòng)的方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子振動(dòng)中的偏心擺動(dòng)處理。文獻(xiàn)[10]針對(duì)50 MW級(jí)別的光熱汽輪機(jī)，基于理論建模分析了軸系的振動(dòng)特性。然而，針對(duì)50 MW背壓機(jī)組在啟動(dòng)或變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的缸體偏心擺動(dòng)問題，未見權(quán)威公開文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本文以某電廠50 MW級(jí)背壓機(jī)組為實(shí)際案例，針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的汽缸偏心擺動(dòng)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)性的提出了應(yīng)對(duì)措施，保障了50 MW機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)于解決同類型機(jī)組偏心擺動(dòng)的問題具有借鑒價(jià)值。

1 故障的現(xiàn)象概述及機(jī)理分析

1.1 故障現(xiàn)象概述

某電廠配備4臺(tái)由杭州汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)的50 MW抽汽背壓機(jī)組。機(jī)組投運(yùn)后，在啟動(dòng)過程中，均出現(xiàn)主蒸汽管道有劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象，且?guī)?dòng)汽缸輕微振動(dòng)?，F(xiàn)以一次啟機(jī)過程出現(xiàn)的問題來分析，其事故過程如下：機(jī)組沖轉(zhuǎn)后，#2瓦軸振超限，并引發(fā)非停，機(jī)組惰走期間，缸體出現(xiàn)異音，且惰走時(shí)間由正常30 min減小至8 min，初步分析汽輪機(jī)缸體出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨。出于安全考慮，機(jī)組調(diào)停以后對(duì)機(jī)組進(jìn)行開缸檢查。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子起吊，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1)汽輪機(jī)左側(cè)汽封齒磨損嚴(yán)重，尤其是前汽封、平衡活塞和調(diào)節(jié)級(jí)葉頂位置，部分汽封齒倒伏、破損以及脫落等現(xiàn)象；

(2)前內(nèi)軸封處汽封體存在過熱痕跡，汽缸揭缸后，拆除前內(nèi)軸封(短汽封)上半后，發(fā)現(xiàn)前內(nèi)軸封體中分面明顯過熱痕跡，軸封體汽封齒嚴(yán)重磨損。

1.2 故障機(jī)理分析

通過就地檢查并參考汽輪機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，分析汽輪機(jī)缸體出現(xiàn)偏心擺動(dòng)的主要原因是：

(1)暖機(jī)過程中主蒸汽管道的振動(dòng)，帶動(dòng)汽輪機(jī)缸體移動(dòng)。其詳細(xì)分析如下。

50 MW機(jī)組屬于小型汽輪機(jī)組，其設(shè)計(jì)缸體厚度及設(shè)備尺寸較小，當(dāng)缸體外部蒸汽管道進(jìn)汽稍有不均或出現(xiàn)較大振動(dòng)時(shí)，即可對(duì)缸體產(chǎn)生相對(duì)較大沖擊。在上述機(jī)組產(chǎn)生故障過程，當(dāng)出現(xiàn)明顯主蒸汽管道劇烈振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，結(jié)合下面主蒸汽管道進(jìn)汽示意圖可驗(yàn)證此分析。圖1中主蒸汽管道從鍋爐側(cè)來時(shí)，在4.5 m層有13.5 m的直管段，雖然在主蒸汽管道從9 m層下降至4.5 m層時(shí)安置了膨脹彎頭。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，主蒸汽管道從冷態(tài)暖管至熱態(tài)后，1點(diǎn)位置管道向A排柱膨脹，2點(diǎn)為主蒸汽管道導(dǎo)向支架，左右固定，軸向可以自由膨脹。當(dāng)1號(hào)位置膨脹，2號(hào)位置固定時(shí)，根據(jù)杠桿原理，3號(hào)位置將向爐側(cè)偏心擺動(dòng)，以致汽缸與汽輪機(jī)中心線位置發(fā)生偏移。

(2)汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)薄弱，間隙過大致使抵抗外部干擾能力下降,其詳細(xì)分析如下。

機(jī)組停機(jī)后，通過開缸檢查以及設(shè)計(jì)圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的滑銷系統(tǒng)較為薄弱。如圖2所示，其滑銷系統(tǒng)只有汽缸前端的縱銷和位于排汽缸端部的調(diào)整元件(死點(diǎn))，前缸滑銷位于汽缸底部1位置，主蒸汽進(jìn)汽管道位于2位置，導(dǎo)致汽缸滑銷對(duì)受主蒸汽管道外力抗干擾能力進(jìn)一步降低。綜合上述兩個(gè)條件，最終導(dǎo)致汽缸偏心擺動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，致使汽缸與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置發(fā)生了變化，也是造成汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨故障原因之一。

圖1 主蒸汽管道進(jìn)汽示意圖

圖2 滑銷系統(tǒng)剖面圖

2 實(shí)際應(yīng)對(duì)措施

2.1 硬件加固措施

首先，依據(jù)故障機(jī)理，采取硬件加固措施：

(1)對(duì)汽輪機(jī)主蒸汽管道和各抽汽管道的導(dǎo)向支架進(jìn)行全方位的檢查。采取增加主蒸汽管道上1位置的導(dǎo)向支架，加固管道的支撐，并增加了主蒸汽管道膨脹指示。防止當(dāng)主蒸汽管道的蒸汽來時(shí)，1號(hào)位置的熱膨脹過大而導(dǎo)致主蒸汽管道偏心擺動(dòng)過大。

(2)對(duì)于滑銷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其前后滑銷系統(tǒng)采用相同形式，為插片結(jié)構(gòu)。鑒于機(jī)組汽缸已經(jīng)無法更改，無法對(duì)滑銷系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，所以相較于基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)，增加回字型工裝，將原萬向支撐的滑銷增加間隙塞片使滑銷系統(tǒng)更加強(qiáng)壯，消除外力對(duì)汽缸偏心擺動(dòng)造成的影響。如圖3所示。

圖3 滑銷系統(tǒng)升級(jí)改造

圖4 偏心擺動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理圖

2.2 偏擺實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

進(jìn)一步，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組偏心狀態(tài)，及時(shí)做出調(diào)整，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了汽輪機(jī)缸體偏心擺動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，圖4即為偏心擺動(dòng)裝置示意圖。

其中，c為需要測(cè)量計(jì)算的量，其反應(yīng)機(jī)組缸體偏擺的大小，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2確定a，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4確定b；x為測(cè)點(diǎn)延伸到缸體內(nèi)部的虛擬垂直距離，y為測(cè)量裝置外部?jī)山M測(cè)點(diǎn)間距，需要指出的是，測(cè)點(diǎn)1與側(cè)點(diǎn)2到缸體的垂直距離也是y，此設(shè)計(jì)是為了便于計(jì)算c。紅色虛線圈內(nèi)即是設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置，計(jì)算原理如式(1)所示。

(1)

化簡(jiǎn)上式可得

c=2a-b

(2)

所以，當(dāng)測(cè)量裝置測(cè)出參數(shù)a與b后即可得出缸體偏擺數(shù)值c。

圖5為實(shí)際安裝的裝置，用來輔助運(yùn)行人員在啟機(jī)過程中監(jiān)視汽缸偏心擺動(dòng)問題，防止偏心擺動(dòng)過大而引起機(jī)組安全運(yùn)行的問題。

圖5 汽機(jī)偏心擺動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置位置圖

如圖6所示，即為在汽缸位置1增加的偏擺在線監(jiān)測(cè)裝置。并且，為滿足實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)了兩種監(jiān)測(cè)方案，其中圖6(a)中所示為就地監(jiān)測(cè)儀表，圖6(b)中所示為經(jīng)傳感器實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程同步監(jiān)測(cè)，圖6(c)即為DCS顯示。

圖6 汽缸偏心擺動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置

3 結(jié)論

本文結(jié)合理論分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，研究了50 MW汽輪機(jī)的運(yùn)行故障，得到的結(jié)論如下：

(1)發(fā)現(xiàn)了一種新的汽輪機(jī)故障現(xiàn)象，并給出了“汽缸偏心擺動(dòng)”的定義；

(2)分析了汽缸偏擺的故障機(jī)理，提出了兩種相應(yīng)的解決方案：一是通過加固主蒸汽管道、改造滑銷系統(tǒng)，消除外力對(duì)汽缸偏擺造成的影響；二是設(shè)計(jì)了偏心擺動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置；

(3)實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證了該方案的有效性。

本文對(duì)同類型機(jī)組偏心擺動(dòng)問題的解決提供了借鑒與參考。