汽輪機(jī)汽封碰磨軸振問(wèn)題的處理措施

劉億鑫，趙新宇，趙志強(qiáng)，王 闖，馬海波

(1.華電內(nèi)蒙古能源有限公司，呼和浩特 010020;2.華電內(nèi)蒙古能源公司包頭發(fā)電分公司,包頭 014000)

為了使機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，汽輪機(jī)動(dòng)靜部分之間需留有合適的徑向間隙，但間隙大會(huì)使漏汽量增加，從而降低機(jī)組效率。在機(jī)組中安裝汽封，可有效減少漏汽，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。王學(xué)棟等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在330 MW機(jī)組上采用柔齒和刷式汽封相結(jié)合的方法后，高壓缸效率提高了0.75%，熱耗率降低了265.84 kJ/(kW·h)，說(shuō)明汽封的節(jié)能降耗效果顯著。因此，為滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，汽封工作間隙被壓縮得很小，一般為0～0.1 mm。但是較小的工作間隙可能引起動(dòng)靜摩擦，存在一定安全隱患。

晏紅兵等[2]對(duì)某機(jī)組進(jìn)行汽封改造后振動(dòng)偏大的問(wèn)題進(jìn)行了研究分析，采用“啟?！狈?，成功解決了汽封與轉(zhuǎn)子的碰磨振動(dòng)問(wèn)題。機(jī)組從初次啟動(dòng)到完全正常并網(wǎng)共打閘6次：前3次啟動(dòng)中，為保證汽封間隙調(diào)整效果，將打閘振動(dòng)值控制在較小數(shù)值；后3次因機(jī)組已并列運(yùn)行，打閘振動(dòng)值有所放大，但均在允許范圍內(nèi)。徐國(guó)生等[3]通過(guò)振動(dòng)頻譜特征分析，查明了某汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因?yàn)槠馀c轉(zhuǎn)子碰磨，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生了熱彎曲，通過(guò)6次反復(fù)啟停，讓汽封與轉(zhuǎn)子之間充分摩擦，將機(jī)組振動(dòng)控制在合格范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)接觸式汽封碰磨引起的振動(dòng)大的問(wèn)題，通過(guò)4次停機(jī)和5次啟動(dòng)，也解決了動(dòng)靜碰磨引起的振動(dòng)問(wèn)題。

不同于常規(guī)的“啟?！狈?，本文介紹的汽輪機(jī)振動(dòng)大的解決方法一邊帶負(fù)荷一邊讓動(dòng)靜部分磨合，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)將振動(dòng)值控制在正常范圍內(nèi)。整個(gè)過(guò)程中，動(dòng)靜部分充分膨脹、磨合后，振動(dòng)大的現(xiàn)象自然消除。該方法具有處理周期短、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)，可為解決其他同類(lèi)機(jī)組類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒。

1 機(jī)組概況

某電廠汽輪機(jī)采用亞臨界、中間再熱、單軸、三缸四排汽、沖動(dòng)式、凝汽式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)額定功率為600 MW，最大連續(xù)出力641.6 MW。汽輪機(jī)采用高中壓合缸結(jié)構(gòu)，低壓缸為雙流反向布置。汽輪機(jī)機(jī)組軸系共有9個(gè)軸承，如圖1所示，汽輪機(jī)側(cè)有6個(gè)軸承，發(fā)電機(jī)側(cè)有2個(gè)軸承，勵(lì)磁機(jī)側(cè)有1個(gè)軸承。除勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子以外所有轉(zhuǎn)子均是雙支點(diǎn)支撐，發(fā)電機(jī)的前后軸承端蓋處裝有密封瓦。推力軸承位于前軸承箱內(nèi)，為瓦塊間自動(dòng)平均分配荷載的均載式軸承。

圖1 軸系支撐圖

為進(jìn)一步挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，在機(jī)組大修時(shí)對(duì)部分刷式汽封進(jìn)行了更換和修復(fù)，刷式汽封更換情況如表1所示。

表1 刷式汽封更換范圍及數(shù)量

2 故障現(xiàn)象

機(jī)組并網(wǎng)后，軸振隨負(fù)荷的增加而波動(dòng)，如圖2所示。在負(fù)荷為0～100 MW時(shí)，機(jī)組軸振較小，繼續(xù)升負(fù)荷后，5號(hào)、6號(hào)軸振(X向)急劇增大，分別增加了80 μm和200 μm，達(dá)到了100 μm和215 μm。在額定轉(zhuǎn)速下，規(guī)定軸振值大于125 μm時(shí)機(jī)組報(bào)警，大于250 μm時(shí)機(jī)組跳閘。所以此時(shí)機(jī)組軸振已經(jīng)超過(guò)報(bào)警值，必須采取相應(yīng)措施，防止發(fā)生重大事故，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 軸振與負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

3 故障分析

由圖2軸振與負(fù)荷變化關(guān)系曲線可知，振動(dòng)增加的最小時(shí)滯為10 min，振動(dòng)減小的時(shí)滯為15 min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析及以往電廠振動(dòng)處理經(jīng)驗(yàn)[5]判斷，軸振增大的原因?yàn)榘l(fā)生了轉(zhuǎn)軸碰磨，振動(dòng)最大時(shí)滯由碰磨的嚴(yán)重性決定，隨著碰磨加重，時(shí)滯明顯減小。目前對(duì)該振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)顯示，該振動(dòng)增大的最小時(shí)滯大于2 min。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合機(jī)組大修時(shí)更換和修復(fù)了部分刷式汽封的情況，相關(guān)調(diào)試人員判斷認(rèn)為，此次機(jī)組振動(dòng)是由于汽封刷毛與轉(zhuǎn)軸間隙較小，且轉(zhuǎn)子受熱膨脹速度大于汽缸膨脹速度，這使汽封刷毛與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生局部變形，從而引發(fā)振動(dòng)。

4 處理措施

以往研究通常采用反復(fù)“啟?！狈▉?lái)消除汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子因?yàn)榕c汽封碰磨產(chǎn)生的振動(dòng)故障。將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)到臨界轉(zhuǎn)速之下，并穩(wěn)定到某一值，監(jiān)控各軸瓦振動(dòng)參數(shù)，當(dāng)振動(dòng)上升超過(guò)警戒值時(shí)，進(jìn)行手動(dòng)打閘。轉(zhuǎn)子惰走至600 r/min時(shí)，如果各瓦振動(dòng)在允許范圍內(nèi)，則進(jìn)行重新沖轉(zhuǎn)。反復(fù)啟停使轉(zhuǎn)子與汽封之間充分膨脹，通過(guò)轉(zhuǎn)子與汽封之間的反復(fù)碰磨，將高點(diǎn)消除，使振動(dòng)恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。但是反復(fù)啟停缺點(diǎn)較多，如延長(zhǎng)并網(wǎng)時(shí)間、增加煤耗和廠用電率、縮短汽輪機(jī)極熱態(tài)啟動(dòng)壽命等。尤其對(duì)運(yùn)行10年以上的機(jī)組，極熱態(tài)頻繁啟停對(duì)機(jī)組壽命影響巨大。各類(lèi)啟動(dòng)的壽命損耗如表2所示。鑒于“啟?！狈ǖ牟蛔?，本次機(jī)組采用邊帶負(fù)荷邊動(dòng)靜磨合的辦法來(lái)解決汽封碰磨軸振的問(wèn)題。

表2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗

機(jī)組帶負(fù)荷后，5號(hào)、6號(hào)軸振較大，計(jì)劃在0～300 MW各負(fù)荷段進(jìn)行暖機(jī)，使轉(zhuǎn)子與汽缸充分膨脹，將汽封刷毛高點(diǎn)磨除，使軸振恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。整個(gè)暖機(jī)過(guò)程需嚴(yán)密監(jiān)視汽輪機(jī)高、低壓缸脹差以及振動(dòng)情況，確保在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)穩(wěn)定、無(wú)較大波動(dòng)的情況下，以每10 MW的幅度緩慢增加機(jī)組負(fù)荷，每一次增加負(fù)荷操作需待機(jī)組各參數(shù)穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一次操作。

漲負(fù)荷時(shí)，嚴(yán)密監(jiān)視汽輪機(jī)脹差和振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)脹差或振動(dòng)有明顯上升趨勢(shì)時(shí)，立即降低負(fù)荷，減少汽輪機(jī)進(jìn)汽量，在振動(dòng)回歸到正常水平之前，禁止升負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷增加情況，適當(dāng)提高主再熱汽溫度，每10 min的溫度變化不超過(guò)2 ℃。嚴(yán)密監(jiān)視汽輪機(jī)軸承振動(dòng)，尤其是3號(hào)至6號(hào)瓦振動(dòng)。值班員實(shí)時(shí)做好DCS振動(dòng)曲線記錄，進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。發(fā)現(xiàn)軸承振動(dòng)有異常變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，使軸振穩(wěn)定，同時(shí)觀察軸振變化趨勢(shì)。如軸振無(wú)緩和，應(yīng)立即降低負(fù)荷。如仍無(wú)緩和，可適當(dāng)降低軸封溫度(不得低于155 ℃，事后應(yīng)將其及時(shí)調(diào)整至正常溫度)。在低壓缸排汽溫度較低時(shí)，降低低壓缸噴水量，提高低壓缸溫度(短時(shí)間不超過(guò)85 ℃，長(zhǎng)時(shí)間不超過(guò)60 ℃)。在低壓缸排汽壓力較低時(shí)，降低真空(真空壓力不低于73 kPa)，停止1臺(tái)真空泵運(yùn)行，開(kāi)啟1臺(tái)加熱器汽側(cè)排空手動(dòng)門(mén)(專(zhuān)人操作)，或者手動(dòng)開(kāi)啟真空破壞門(mén)。若振動(dòng)上漲變快，可立即降低主蒸汽溫度，然后穩(wěn)定參數(shù)，觀察振動(dòng)變化，振動(dòng)正常后，將各參數(shù)恢復(fù)至正常水平。

圖3為采取措施后的振動(dòng)趨勢(shì)圖。10∶52，5號(hào)軸振為20 μm，6號(hào)軸振為15 μm，負(fù)荷100.5 MW，此時(shí)軸封溫度為180 ℃，凝汽器真空為-80.6 kPa。10∶58，運(yùn)行人員判斷振動(dòng)有增大的趨勢(shì)，開(kāi)始緩慢降低負(fù)荷。11∶10，振動(dòng)持續(xù)惡化，運(yùn)行人員通過(guò)減少供煤量、減小主汽門(mén)開(kāi)度的方式持續(xù)降低負(fù)荷。11∶24，負(fù)荷降至10 MW，與此同時(shí)將軸封供汽溫度降低至165 ℃，停運(yùn)1臺(tái)真空泵，提升真空至-77.7 kPa。11∶58，5號(hào)、6號(hào)軸振最大值達(dá)到100 μm和215 μm，隨后逐漸減小。12∶40，5號(hào)、6號(hào)軸振分別降至35 μm和26 μm。在操作過(guò)程中，運(yùn)行人員準(zhǔn)確地預(yù)判了振動(dòng)變化趨勢(shì)，采取了一系列措施，經(jīng)過(guò)約2 h的不斷調(diào)試，終于將振動(dòng)情況控制穩(wěn)定。由于火電機(jī)組龐大而復(fù)雜，因此所采取的一系列措施有明顯的滯后效應(yīng)，需要操作人員認(rèn)真負(fù)責(zé)，時(shí)刻關(guān)注各軸振參數(shù)，做好預(yù)測(cè)分析。在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，使軸封壓力維持在55 kPa，軸封溫度維持在175～185 ℃，不得大幅變化。應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視凝汽器真空和低壓缸脹差，避免其大幅變化。將凝汽器液位維持在800 mm，機(jī)組潤(rùn)滑油溫度維持在40 ℃，定子冷卻水溫度維持在42 ℃，氫氣溫度維持在40 ℃。

圖3 采取措施后的振動(dòng)變化趨勢(shì)

低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)子膨脹快于汽缸膨脹，轉(zhuǎn)子與汽缸的間隙再次縮小，當(dāng)間隙變小后，軸瓦振動(dòng)出現(xiàn)異常升高，分析產(chǎn)生變化的原因有：(1)負(fù)荷增加，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量發(fā)生變化，軸系穩(wěn)定受到影響；(2)主蒸汽溫度、壓力發(fā)生變化，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子膨脹過(guò)快；(3)低壓缸排汽溫度升高，蒸汽通流量發(fā)生變化；(4)主機(jī)真空變化。此時(shí)，必須及時(shí)采取人工干預(yù)，改變軸系振動(dòng)趨勢(shì)，減緩轉(zhuǎn)子膨脹。當(dāng)負(fù)荷升至300 MW時(shí)，汽輪機(jī)通過(guò)動(dòng)靜磨合，轉(zhuǎn)子與汽封之間已有足夠的動(dòng)靜間隙，不再發(fā)生碰磨，軸振恢復(fù)至正常范圍。

5 處理效果

由圖2可知，機(jī)組經(jīng)過(guò)79 h的帶負(fù)荷暖機(jī)碰磨，5號(hào)、6號(hào)軸振由原來(lái)的最大110 μm和215 μm降低到46 μm和35 μm。隨后，在機(jī)組負(fù)荷變化的過(guò)程中，5號(hào)、6號(hào)軸振都趨于穩(wěn)定，再無(wú)突變現(xiàn)象。本文的措施徹底解決了因更換汽封導(dǎo)致動(dòng)靜間隙不足，從而發(fā)生碰磨，引起機(jī)組振動(dòng)大的問(wèn)題。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)某600 MW汽輪機(jī)機(jī)組軸振大的問(wèn)題，在參考其他電廠及相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自主分析，認(rèn)為原因是大修時(shí)更換了汽封，導(dǎo)致了動(dòng)靜碰磨。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)曲線分析，認(rèn)為本機(jī)組的問(wèn)題可以不采用傳統(tǒng)的“啟?！狈?，由此提出了邊帶負(fù)荷邊碰磨的方法。該方法縮短了處理故障的周期，減少了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命損耗，保證了發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，為同類(lèi)型機(jī)組提供了有價(jià)值的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。