650 MW 機(jī)組給水泵汽輪機(jī)排汽端軸承振動(dòng)爬升診斷及處理

肖承明

（國家能源集團(tuán)江西電力有限公司，江西 南昌 330029）

0 引言

某電廠有2臺(tái)650 MW 超臨界發(fā)電機(jī)組，2號(hào)機(jī)組2019年8月31日開始大修，11月25日7時(shí)08分并網(wǎng)運(yùn)行，大修時(shí)對(duì)兩臺(tái)給水泵汽輪機(jī)（簡(jiǎn)稱小機(jī)）汽封進(jìn)行了調(diào)整，汽封間隙按制造廠規(guī)定的下限控制，因汽封間隙較小，沖轉(zhuǎn)時(shí)軸端汽封與轉(zhuǎn)子軸頸的碰磨較頻繁，在600 r/min 進(jìn)行了4 h 的軸封磨合才啟動(dòng)成功。機(jī)組正式運(yùn)行后，半年內(nèi)給水泵汽輪機(jī)排汽端軸承（簡(jiǎn)稱2號(hào)軸承）發(fā)生了五次振動(dòng)爬升（見表1），嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

表1 2號(hào)機(jī)小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升情況

1 設(shè)備介紹

該發(fā)電公司每臺(tái)機(jī)組配備兩臺(tái)50%容量的汽動(dòng)給水泵和一臺(tái)35%容量的電動(dòng)給水泵，機(jī)組正常運(yùn)行中兩臺(tái)汽泵運(yùn)行，電泵備用。小汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的ND（Z）84/79/07型13.5 MW驅(qū)動(dòng)給水泵用變轉(zhuǎn)速凝汽式汽輪機(jī)，是單汽缸、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其轉(zhuǎn)子由單列調(diào)節(jié)級(jí)和6個(gè)壓力級(jí)組成，由前后二只徑向軸承支承，前后軸承中心間距2.668 m。前后徑向軸承均采用可傾瓦結(jié)構(gòu)，可以有效的保持軸承油膜的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)子的中心位置。推力軸承承受汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的全部推力，它與前徑向軸承組成聯(lián)合軸承布置在前軸承座內(nèi)（見圖1）。給水泵汽輪機(jī)靜止部分絕對(duì)死點(diǎn)位于后汽缸的排汽口中心，靜止部分在受熱之后自死點(diǎn)向前膨脹。靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相對(duì)死點(diǎn)為推力盤并置于前軸承座內(nèi)，轉(zhuǎn)子受熱以后向后膨脹，靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分以各自的死點(diǎn)向兩相反方向膨脹。

2 小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)特征分析

2020年05月03 日20時(shí)04分 某電廠2號(hào)機(jī)組負(fù)荷650 MW，A/B小機(jī)轉(zhuǎn)速為5398/5460 r/min，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)B小機(jī)2號(hào)瓦振動(dòng)由28 μm緩慢上漲最高至112 μm，降負(fù)荷降低小機(jī)轉(zhuǎn)速，啟D 循泵運(yùn)行，20時(shí)12分B 小機(jī)2號(hào)瓦振動(dòng)逐漸下降至正常，振動(dòng)穩(wěn)定后繼續(xù)升負(fù)荷至590 MW運(yùn)行正常。此次振動(dòng)主要特征有：

1）軸承振動(dòng)開始爬升前汽輪機(jī)各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，進(jìn)、排汽壓力、溫度無明顯變化，小機(jī)潤滑油壓力、溫度穩(wěn)定，軸向位移、各軸承溫度無變化，軸封進(jìn)汽溫度無變化，給水流量無大幅變化，無法從運(yùn)行參數(shù)上找到振動(dòng)爬升的起源。

2）小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升過程中其它軸承的振動(dòng)沒有明顯的上升，小機(jī)1號(hào)軸承振動(dòng)還有反向的略微下降，給水泵兩端的軸承振動(dòng)只有輕微的上升，振動(dòng)的源頭清晰的指向?yàn)樾C(jī)2號(hào)軸承。

3）振動(dòng)的爬升為緩慢向上過程，持續(xù)時(shí)間5 min以上，有足夠的運(yùn)行處置時(shí)間，在采取降負(fù)荷降低小機(jī)轉(zhuǎn)速后振動(dòng)上升趨勢(shì)變緩，繼續(xù)降低小機(jī)轉(zhuǎn)速后振動(dòng)達(dá)到最高點(diǎn)后緩慢下降，逐漸降回至爬升前振動(dòng)數(shù)值。

4）發(fā)生振動(dòng)爬升時(shí)機(jī)組負(fù)荷高（額定負(fù)荷650 MW），且高負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（2 h以上），此時(shí)小機(jī)轉(zhuǎn)速非常高（5400 r/min以上）。

5）振動(dòng)的爬升幅度比較大，2號(hào)瓦振動(dòng)由28 μm緩慢上漲最高至112 μm，已接近小機(jī)振動(dòng)保護(hù)跳閘值150 μm，發(fā)現(xiàn)和處置不及時(shí)可能造成小機(jī)跳閘。

3 小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)原因分析

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械軸承振動(dòng)的原因復(fù)雜，包括設(shè)備制造、加工方面的瑕疵，檢修裝配質(zhì)量不良；運(yùn)行中轉(zhuǎn)子受熱彎曲變形，氣流發(fā)生激烈振動(dòng)，軸承的油膜發(fā)生震蕩，設(shè)備出現(xiàn)動(dòng)靜摩擦等，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作出分析和判斷[1-4]。

如果是小機(jī)2號(hào)軸承自身存在缺陷，發(fā)生軸承振動(dòng)爬升時(shí)一般會(huì)伴隨軸承溫度的升高，現(xiàn)場(chǎng)聽音會(huì)有明顯的摩擦聲等現(xiàn)象，振動(dòng)出現(xiàn)上升后采取降低轉(zhuǎn)速的方法一般不會(huì)有效果，軸承解體后軸頸和軸瓦會(huì)有明顯的損傷表象特征，而2號(hào)機(jī)組小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸承聽音檢查未聽見軸承內(nèi)部的摩擦聲音，振動(dòng)爬升前軸承的振動(dòng)在30 μm左右，屬于較優(yōu)秀的振動(dòng)水平，停機(jī)時(shí)對(duì)軸承解體檢查軸瓦和軸頸均沒有明顯的磨痕和刮傷情況（見圖2），軸承自身存在問題引起振動(dòng)爬升的因素可以排除。

在發(fā)生小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)排汽端軸封處有明顯的汽封摩擦音，振動(dòng)下降后摩擦音消失，從現(xiàn)象上可以判斷引起軸承振動(dòng)爬升的原因是排汽端汽封和軸頸發(fā)生摩擦引起。從軸承結(jié)構(gòu)圖（見圖3）可以看出，小機(jī)排汽端軸封和排汽端軸承位置非常靠近，對(duì)該軸承的影響較大。要消除機(jī)組運(yùn)行中排汽端軸承振動(dòng)爬升的安全隱患，關(guān)鍵是要分析清楚軸封和軸頸發(fā)生摩擦的原因，設(shè)法消除。

圖3 小機(jī)軸承結(jié)構(gòu)圖

4 小機(jī)排汽端軸封摩擦原因分析

由小汽輪機(jī)排汽端軸封結(jié)構(gòu)圖（見圖4）可以看出，正常情況下，軸頸的凸起部分與軸封片的低齒相對(duì)應(yīng)，軸頸與汽封片存在一定的間隙，不會(huì)發(fā)生摩擦。由于汽封安裝調(diào)整時(shí)是按照下限控制，且小汽輪機(jī)的靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分為反方向膨脹，熱態(tài)時(shí)動(dòng)靜間隙將變?yōu)闃O小，運(yùn)行中參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致動(dòng)靜間隙輕微的變化時(shí)都有可能使動(dòng)靜摩擦，引起軸承振動(dòng)爬升。

圖4 排汽端軸封結(jié)構(gòu)圖

從小汽輪機(jī)的靜止部分來看，影響其相對(duì)位置發(fā)生變化最大的是排汽缸的溫度，當(dāng)排汽缸溫度升高時(shí)，排汽缸帶動(dòng)汽封向機(jī)頭方向膨脹，升高至某一溫度時(shí)就可能使汽封片和轉(zhuǎn)子凸起部分碰磨[5-9]。

使小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置發(fā)生變化的影響因素比較復(fù)雜，小汽輪機(jī)軸封蒸汽溫度過高、小汽輪機(jī)蒸汽濕度增大、小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過高等都會(huì)引起轉(zhuǎn)子向膨脹方向變化。具體分析如下：

1）小汽輪機(jī)軸封蒸汽溫度高

小汽輪機(jī)軸封蒸汽溫度過高時(shí)，軸封段轉(zhuǎn)子被加熱膨脹，轉(zhuǎn)子向排汽端伸長(zhǎng)，動(dòng)靜間隙縮小，動(dòng)靜間隙消失時(shí)就可能使汽封片和轉(zhuǎn)子凸起部分碰磨。

2）小汽輪機(jī)蒸汽濕度增大

小汽輪機(jī)蒸汽濕度增大時(shí)，小汽輪機(jī)軸向位移變大，轉(zhuǎn)子動(dòng)靜間隙縮小，動(dòng)靜間隙消失時(shí)就可能使汽封片和轉(zhuǎn)子凸起部分碰磨。

3）小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過高

機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高，泊桑效應(yīng)下轉(zhuǎn)子變短變粗，轉(zhuǎn)子徑向位置的變化將引起排汽端汽封輕微碰磨，引起軸承振動(dòng)爬升。

5 制定運(yùn)行措施

5.1 防止小汽輪機(jī)蒸汽濕度增大

運(yùn)行每班對(duì)A/B 小汽輪機(jī)各路疏水進(jìn)行逐一疏水，具體疏水為：高壓進(jìn)汽電動(dòng)門后疏水袋，低壓進(jìn)汽電動(dòng)門后疏水袋，小汽輪機(jī)前汽室疏水氣動(dòng)門，小汽輪機(jī)高壓調(diào)閥后疏水氣動(dòng)門，小汽輪機(jī)前汽缸下部疏水氣動(dòng)門。防止小汽輪機(jī)蒸汽濕度增大引起排汽端軸承振動(dòng)爬升。

5.2 防止小汽輪機(jī)排汽缸溫度過高

優(yōu)化循泵運(yùn)行方式，防止小汽輪機(jī)排汽缸溫度過高[10-13]。低速循泵運(yùn)行時(shí)當(dāng)高壓凝汽器排汽壓力達(dá)到11.0 kPa倒換至高速循泵運(yùn)行，高速循泵運(yùn)行時(shí)當(dāng)高壓凝汽器排汽壓力達(dá)到11.5 kPa時(shí)增啟一臺(tái)低速循泵運(yùn)行，高壓凝汽器排汽壓力降至9.0 kPa時(shí)停運(yùn)低速循泵。

5.3 防止小汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

該廠小汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為5342 r/min，在不采取措施的情況下機(jī)組帶650 MW 負(fù)荷時(shí)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速5400～5450 r/min左右，已超過額定轉(zhuǎn)速。為了防止小汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在機(jī)組負(fù)荷600 MW以上時(shí)適當(dāng)?shù)亟档椭髡羝麎毫υO(shè)定值（-0.5 MPa左右），全開汽機(jī)調(diào)門滿足帶負(fù)荷需要，使機(jī)組650 MW時(shí)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制在5300 ～5400 r/min左右，在額定轉(zhuǎn)速±50 r/min范圍內(nèi)變化，小汽輪機(jī)偶爾超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，降低排汽端汽封發(fā)生輕微碰磨的概率，防止2號(hào)軸承發(fā)生振動(dòng)爬升。

5.4 發(fā)生小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升的處理

當(dāng)發(fā)生小汽輪機(jī)2 號(hào)軸承振動(dòng)爬升時(shí)應(yīng)立即降低故障小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（設(shè)置汽泵轉(zhuǎn)速負(fù)偏置或適當(dāng)降低機(jī)組負(fù)荷）觀察振動(dòng)變化趨勢(shì)，如降低小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速后振動(dòng)停止上升并逐漸下降，則穩(wěn)定機(jī)組負(fù)荷，待軸承振動(dòng)回落至正常值后考慮升降負(fù)荷；如降低小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速后軸承振動(dòng)仍繼續(xù)爬升，應(yīng)繼續(xù)降低故障小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速直至退出故障汽泵組運(yùn)行；如采取上述措施后小汽輪機(jī)軸承振動(dòng)繼續(xù)上升至保護(hù)定值，小汽輪機(jī)應(yīng)跳閘，否則手動(dòng)打閘故障小汽輪機(jī)，防止保護(hù)拒動(dòng)損壞小汽輪機(jī)設(shè)備。

6 控制效果

在分析了小汽輪機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升的可能原因后，于2020年5月8日制定了《防止2號(hào)機(jī)小汽輪機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升運(yùn)行措施》交運(yùn)行班組執(zhí)行，運(yùn)行至今已有一年多時(shí)間，2號(hào)機(jī)組沒有再發(fā)生過小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬升的情況，消除了小機(jī)2號(hào)軸承振動(dòng)爬

升這一事故隱患。

7 結(jié)語

小汽輪機(jī)軸封間隙按照設(shè)計(jì)下限控制對(duì)保證汽泵組的效率來說是非常有利的，但存在難以在啟動(dòng)過程中完成全行程汽封磨合的問題，特別是小汽輪機(jī)排汽端軸封，受運(yùn)行中影響因素多，容易發(fā)生機(jī)組高負(fù)荷時(shí)汽封摩擦使相鄰的排汽端軸承出現(xiàn)振動(dòng)爬升的異常情況。

小汽輪機(jī)排汽端軸封發(fā)生摩擦的觸發(fā)因素跟排汽缸的運(yùn)行工況聯(lián)系緊密，運(yùn)行中通過循泵運(yùn)行方式的改變控制好排汽缸溫度不要太高有利于防止排汽端軸封的摩擦，減少排汽端軸承振動(dòng)爬升的機(jī)率。

利用好小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的泊桑效應(yīng)規(guī)律，高負(fù)荷時(shí)盡量避免小汽輪機(jī)超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，減少由于轉(zhuǎn)子軸向位置的變化引起排汽端軸封的摩擦；運(yùn)行中一旦發(fā)生排汽端軸封摩擦?xí)r應(yīng)果斷降低小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子軸向位置改變退出碰磨位置，防止摩擦加劇小汽輪機(jī)軸承振動(dòng)大跳閘。

定期對(duì)小汽輪機(jī)本體及進(jìn)汽管進(jìn)行疏水，消除給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽濕度增大的危害因素，對(duì)防止小汽輪機(jī)軸承振動(dòng)爬升具有積極的意義。

從運(yùn)行參數(shù)的控制方面入手，防止小汽輪機(jī)軸承振動(dòng)爬升具有非常重要的作用。