600MW火電廠汽輪機(jī)振動(dòng)大原因及對(duì)策分析

國電華北公司霍州發(fā)電廠 葛紅健

汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象并引發(fā)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽輪機(jī)組已經(jīng)發(fā)生振動(dòng)故障中有80%左右是因轉(zhuǎn)子不平衡而導(dǎo)致的，其中屬轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量問題的約占90%。當(dāng)前汽輪機(jī)整體工藝水平有顯著提升，加之火電廠自身不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、不斷提升安裝和檢修質(zhì)量，由轉(zhuǎn)子本身導(dǎo)致的振動(dòng)故障率在逐漸降低，但當(dāng)前汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要振源仍來自于轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量不平衡力。

1 國電霍州發(fā)電廠#1機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)大原因分析

1.1 汽輪機(jī)概述

國電霍州發(fā)電廠#1機(jī)組600MW 汽輪機(jī)為東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)制造。型號(hào)NZK600-24.2/566/566，型式為超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。設(shè)計(jì)額定出力600MW，最大出力（VWO 工況）664.827MW，最大連續(xù)出力638.746MW，壽命不少于30年。汽輪機(jī)為沖動(dòng)式，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)級(jí)38級(jí)，其中高壓缸8級(jí)、中壓缸6級(jí)、低壓缸2×2×6級(jí)。機(jī)組采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式，滑壓范圍30%～88%。汽輪機(jī)具有七級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠?，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針（從機(jī)頭向發(fā)電機(jī)看）。2011年5月投入運(yùn)營，其振動(dòng)主要表現(xiàn)在6X 振動(dòng)大，歷次啟機(jī)接近報(bào)警值，經(jīng)過大修2017年3月啟動(dòng)，5、6瓦軸振較大，5X 振動(dòng)109μm，6X 振動(dòng)103μm，6X 啟機(jī)過臨界振動(dòng)和大修前變化不大，5X 振動(dòng)明顯變大。

1.2 原始質(zhì)量不平衡

這是一種汽輪機(jī)原本就存在的故障，并不是汽機(jī)運(yùn)行后才引發(fā)的，而是原來自身的條件就包含著。首先轉(zhuǎn)子存在設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致加工存在偏差，此時(shí)也易造成安裝偏差，最終導(dǎo)致機(jī)組中轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的存在。在運(yùn)行中因動(dòng)平衡精度不高，只進(jìn)行低速動(dòng)平衡時(shí)離心力較小，但轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量離心力會(huì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高以轉(zhuǎn)速的平方關(guān)系增加[1]。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷上升直到達(dá)到工作轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子的這一離心力要迫使機(jī)組振動(dòng)，從而造成汽輪機(jī)振動(dòng)過大。原始質(zhì)量不平衡故障特征可總結(jié)為：轉(zhuǎn)子振動(dòng)是與轉(zhuǎn)速同頻的強(qiáng)迫振動(dòng)，在一定轉(zhuǎn)速下振動(dòng)是比較穩(wěn)的。定振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速及振動(dòng)理論中的共振曲線規(guī)律變換，在臨界區(qū)達(dá)到最大值。

原始質(zhì)量不平衡發(fā)生時(shí)間在新機(jī)啟動(dòng)和機(jī)組大修后，汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡大多發(fā)生在轉(zhuǎn)子部位，當(dāng)然也存在低壓轉(zhuǎn)子不平衡狀況，這兩種情況下的轉(zhuǎn)子不平衡部位均是靠發(fā)電機(jī)一側(cè)，一般高中壓轉(zhuǎn)子很少發(fā)生原始質(zhì)量不平衡的情況。由原始質(zhì)量不平衡造成的機(jī)組振動(dòng)是轉(zhuǎn)子本身問題，因此這種振動(dòng)在一定轉(zhuǎn)速下受機(jī)組參數(shù)影響不大，與升速時(shí)或帶負(fù)荷的時(shí)間延續(xù)性沒有直接關(guān)聯(lián)，且不受啟動(dòng)方式影響[2]。結(jié)構(gòu)不合理、設(shè)備部件制造存誤差過大、材料本身不均勻等是原始質(zhì)量不平衡的幾個(gè)主要因素。

表1 檢修前后具體數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 #1機(jī)組加平衡塊后振動(dòng)值（2017年4月26日）

1.3 部件摩擦、受熱變形等因素

由于各種原因，像摩擦碰撞，在汽輪機(jī)內(nèi)部工作時(shí)常會(huì)發(fā)生振動(dòng)摩擦現(xiàn)象。在此過程中如有部件脫落，工作狀態(tài)就會(huì)很危險(xiǎn)，所以在汽輪機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)脫落故障就會(huì)發(fā)生。此外轉(zhuǎn)子在工作過程中本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如不能將熱量及時(shí)散發(fā)出去很容易因熱積累導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生應(yīng)力變形[3]。一旦出現(xiàn)變形彎曲汽輪機(jī)組就會(huì)發(fā)生異常振動(dòng)的現(xiàn)象。氣流激振現(xiàn)象也是發(fā)電機(jī)組常見振動(dòng)之一，這種振動(dòng)往往會(huì)伴隨兩個(gè)明顯的信號(hào)，一是運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)器振動(dòng)的增強(qiáng)有較強(qiáng)的影響，二是會(huì)有大量值的低頻分量出現(xiàn)。如今處理這種問題的方法是采用動(dòng)平衡技術(shù)。國電霍州發(fā)電廠#1機(jī)組大修后啟動(dòng)，#5，#6軸承振動(dòng)增大，均達(dá)到報(bào)警值125μm（表1）。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)大對(duì)策分析

由表1數(shù)據(jù)看出，振動(dòng)的分量主要以轉(zhuǎn)速分量為主，相位穩(wěn)定，增加的分量是一倍頻量，為改善3000rpm 振動(dòng)狀況，根據(jù)過臨界和帶負(fù)荷的振動(dòng)相位計(jì)算，太原電科院時(shí)工、明工分析造成#1機(jī)組振動(dòng)大的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，建議加裝平衡塊。

如圖1所示，#2號(hào)低壓兩端加重5瓦側(cè)：408克∠100°；6瓦側(cè)：417克∠280°。其中加重角度以汽機(jī)前箱的鍵相槽為0°，逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向度量；圖1中所示是指從機(jī)頭向發(fā)電機(jī)看，機(jī)組為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。加裝平衡塊后，2017年3月16日#1機(jī)組重新啟動(dòng)，并做啟動(dòng)分析（表1），由表2數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤煽闯?，加裝平衡塊后#1機(jī)組啟機(jī)時(shí)的振動(dòng)值有明顯改善，充分說明此次對(duì)策的正確性。

圖1 霍州電廠#1號(hào)機(jī)組#2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子平衡示意圖

3 汽輪機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化建議

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中，必須就地嚴(yán)密監(jiān)視汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化及機(jī)組聲音、振動(dòng)、各軸承溫度等變化情況。應(yīng)確認(rèn)高壓缸通風(fēng)閥在打開位置，并嚴(yán)密監(jiān)視高壓缸排汽口金屬溫度變化。沖轉(zhuǎn)升速過程，禁止利用“調(diào)節(jié)器設(shè)定”進(jìn)行手動(dòng)方式增減轉(zhuǎn)速。及時(shí)調(diào)整高低壓旁路系統(tǒng)，按啟動(dòng)曲線控制汽溫、汽壓。及時(shí)調(diào)整排汽裝置熱井、除氧器水位，注意軸封壓力的變化。

沖轉(zhuǎn)過程中禁止在臨界轉(zhuǎn)速附近停留，振動(dòng)超限保護(hù)拒動(dòng)時(shí)應(yīng)立即打閘停機(jī)，投入連續(xù)盤車，檢查大軸彎曲值，待大軸彎曲值回到原始值并檢查機(jī)組無異常、連續(xù)盤車時(shí)間足夠（應(yīng)不少于4小時(shí)）后方可重新啟動(dòng)[4]。嚴(yán)禁降低轉(zhuǎn)速暖機(jī)或強(qiáng)迫升速。在中速暖機(jī)前軸承振動(dòng)不得超過30μm，過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，軸承振動(dòng)不得超過80μm，軸振不得超過150μm，當(dāng)軸承振動(dòng)達(dá)100μm 或軸振達(dá)250μm時(shí)，應(yīng)緊急打閘停機(jī)。

火電廠里有很多重要的輸配電設(shè)備，汽輪機(jī)發(fā)電組就是其中之一，對(duì)其進(jìn)行有效地預(yù)防并控制故障，才能使汽輪發(fā)電組穩(wěn)定而高效地運(yùn)行[5]。如何有效解決汽輪機(jī)組振動(dòng)大的現(xiàn)象，需技術(shù)人員進(jìn)一步研究分析數(shù)據(jù)，提出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行策略，從而提高汽輪機(jī)組的運(yùn)行可靠性能。