1 000 MW二次再熱變轉(zhuǎn)速小汽機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理

李立波

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 前言

火電機(jī)組的大型化和高參數(shù)是時(shí)下發(fā)展的趨勢(shì)?！疤贾泻汀焙汀疤歼_(dá)峰”大背景為大功率火電機(jī)組的安全穩(wěn)定性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。由于機(jī)組容量的增大，與其配套的拖動(dòng)鍋爐給水泵的小汽機(jī)容量也需要進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)容。但大容量火電機(jī)組在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，其小汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)往往借鑒小容量機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可能會(huì)存在“大小汽輪機(jī)”不適配的問(wèn)題[2]。若不進(jìn)行匹配優(yōu)化，則極易出現(xiàn)非常規(guī)振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定性。

對(duì)于大功率火電機(jī)組的軸系穩(wěn)定研究，現(xiàn)階段主要通過(guò)運(yùn)行中的處理經(jīng)驗(yàn)來(lái)促進(jìn)機(jī)組設(shè)計(jì)的改進(jìn)，不斷完善機(jī)組的軸系穩(wěn)定性，減少振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。有學(xué)者嘗試通過(guò)分析溫度對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而歸納出更加抗干擾的保護(hù)措施[3]。也有學(xué)者從運(yùn)行方案的角度出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化汽輪機(jī)的噴嘴進(jìn)汽模式[4]，以提高機(jī)組軸系穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有研究成果中，對(duì)于百萬(wàn)級(jí)別的二次再熱汽輪機(jī)給水泵小汽機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象的處理方案，以及對(duì)于“大小汽輪機(jī)”適配的問(wèn)題研究，暫未見(jiàn)權(quán)威文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

對(duì)此，本文針對(duì)某百萬(wàn)二次再熱汽輪機(jī)給水泵小汽機(jī)調(diào)試期間出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了故障診斷及相應(yīng)處理。最后通過(guò)升降轉(zhuǎn)速磨合和現(xiàn)場(chǎng)處理軸向膨脹導(dǎo)向螺栓，使各個(gè)軸瓦振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良水平。

1 振動(dòng)情況介紹

1.1 軸系構(gòu)成簡(jiǎn)介

某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)為引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)生產(chǎn)的百萬(wàn)超超臨界二次再熱機(jī)組，鍋爐給水系統(tǒng)采用一臺(tái)100%容量的給水泵，由變轉(zhuǎn)速凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，該汽輪機(jī)是單缸、反動(dòng)、雙流、純凝汽式、外切換、變參數(shù)、變轉(zhuǎn)速、變功率且能采用多種汽源的汽輪機(jī)。小汽輪機(jī)軸系由三部分組成，前置泵、小汽輪機(jī)和給水泵，小汽輪機(jī)與給水泵之間、汽輪機(jī)與前置泵之間均采用撓性聯(lián)軸器連接，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由前后二個(gè)徑向軸承支撐，中心距為3.9 m，軸承均為可傾瓦結(jié)構(gòu)，推力軸承與后軸承布置在后軸承座內(nèi)(水泵端)，汽輪機(jī)靜止部分絕對(duì)死點(diǎn)位于汽缸(水泵端)的排汽口中心，靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相對(duì)死點(diǎn)為推力盤(pán)并置于后軸承座內(nèi)，軸系布置如圖1所示。

圖1 軸系簡(jiǎn)圖

1.2 機(jī)組振動(dòng)情況介紹

2020年5月10日1號(hào)機(jī)組進(jìn)行小汽輪機(jī)單獨(dú)試轉(zhuǎn)試驗(yàn)，1X實(shí)測(cè)一階臨界轉(zhuǎn)速1 849 r/min，振動(dòng)幅值47.9 μm，2X實(shí)測(cè)一階臨界轉(zhuǎn)速1 724 r/min，振動(dòng)幅值25 μm，定速5 000 r/min時(shí)，1X為63 μm，2X為20 μm，均在合格范圍內(nèi)。

5月17日小汽輪機(jī)與給水泵、前置泵連成軸系后進(jìn)行冷態(tài)首次啟動(dòng)，升速過(guò)程中1X過(guò)臨界最大振動(dòng)幅值為96 μm，2X臨界轉(zhuǎn)速不明顯，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振動(dòng)峰值，定速2 700 r/min后，1X為53 μm，2X為67 μm，運(yùn)行20 min后，由于凝結(jié)水泵故障導(dǎo)致小汽機(jī)被迫打閘停機(jī)進(jìn)行處理。

5月26日進(jìn)行第二次冷態(tài)啟動(dòng)，1X過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)最大振動(dòng)為120 μm，2X過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)峰值仍不明顯，定速2 900 r/min后，1X為60 μm，2X為86 μm,2Y較大，為113 μm，由于2瓦軸動(dòng)不穩(wěn)定，且一直處于增長(zhǎng)的狀態(tài)而被迫打閘停機(jī)。停機(jī)后反復(fù)進(jìn)行了三次熱態(tài)啟動(dòng)，每一次都因一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)大而跳機(jī)。

6月6日進(jìn)行油檔處理后的首次冷態(tài)啟動(dòng)，一階臨界轉(zhuǎn)速下1X為143 μm，2X為77 μm，2Y為110 μm，定速2 580 r/min時(shí)，1X為93 μm，2X為52 μm，由于1瓦軸振幅值持續(xù)增大而停機(jī)，停機(jī)后再次進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)，因一階臨界振動(dòng)大打閘停機(jī)。每次啟動(dòng)具體振動(dòng)情況如表1所示。

表1 歷次啟動(dòng)過(guò)程記錄

2 振動(dòng)原因分析

2.1 小汽輪機(jī)振動(dòng)狀態(tài)分析

從5月10日冷態(tài)下單獨(dú)試轉(zhuǎn)小汽輪機(jī)數(shù)據(jù)看，小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子自身平衡狀態(tài)較好，一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)1X為25 μm，2X為48 μm，表明小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速下殘余振動(dòng)很小，機(jī)組在5 000 r/min時(shí)運(yùn)行了3 min，1X有小幅增長(zhǎng)，如圖2和圖3所示，2X振動(dòng)幅值基本穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)1瓦附近軸封部位可能有輕微碰磨發(fā)生，2瓦附近軸封沒(méi)有發(fā)生動(dòng)靜碰磨。

圖2 單獨(dú)試轉(zhuǎn)小汽輪機(jī)振動(dòng)伯德圖

圖3 單獨(dú)試轉(zhuǎn)小汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖

由于5 000 r/min運(yùn)行時(shí)間較短，此時(shí)轉(zhuǎn)子和汽缸還沒(méi)有充分膨脹，從振動(dòng)特征上還沒(méi)有表現(xiàn)出有嚴(yán)重動(dòng)靜碰磨的跡象。

2.2 油檔動(dòng)靜碰磨分析

動(dòng)靜碰磨是新機(jī)組啟動(dòng)中經(jīng)常遇到的振動(dòng)故障[5]，通常造成動(dòng)靜碰磨故障的原因有[6-7]：(1)動(dòng)靜間隙調(diào)整過(guò)小或間隙不均勻；(2)運(yùn)行參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲；(3)汽缸膨脹不暢、保溫不良、進(jìn)冷蒸汽或水等引起的汽缸變形、偏移；(4)隔板、汽封等結(jié)構(gòu)部件的變形；(5)汽缸或基礎(chǔ)的沉降。

5月26日連續(xù)進(jìn)行了三次熱態(tài)啟動(dòng)，均因臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值增長(zhǎng)過(guò)快而被迫打閘停機(jī)，根據(jù)振動(dòng)現(xiàn)象判斷油檔或者軸封位置發(fā)生了嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨故障，由于本機(jī)采用的是蜂窩汽封，一旦發(fā)生碰磨很難在短時(shí)間內(nèi)消除。

從振動(dòng)頻譜圖看，振動(dòng)幅值以基頻分量為主，說(shuō)明振動(dòng)的性質(zhì)屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)[8]，從振動(dòng)趨勢(shì)上看，1X和2X振動(dòng)幅值增長(zhǎng)較快，為動(dòng)靜碰磨的振動(dòng)特征，但是降速和升速時(shí)的振動(dòng)幅值非常接近，與軸封碰磨熱彎曲的故障又有一定區(qū)別，給故障原因的判斷增加了一定的困難。結(jié)合機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，外油檔位于撓性聯(lián)軸器上，距離軸承較遠(yuǎn)，即使發(fā)生碰磨，其產(chǎn)生的熱量也不會(huì)使轉(zhuǎn)子本體發(fā)生熱彎曲[9]，因此在升降速過(guò)程中不會(huì)表現(xiàn)出熱彎曲的振動(dòng)特征，綜合以上判斷碰磨發(fā)生的位置應(yīng)該是外油檔位置，間隙太小或者不均勻?qū)е略摬课话l(fā)生了嚴(yán)重碰磨，碰磨位置相當(dāng)于小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的外伸端，外伸端的擾動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)幅值增大無(wú)法通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速。

圖4 熱態(tài)啟動(dòng)1瓦和2瓦軸心軌跡圖

2.3 蜂窩汽封動(dòng)靜碰磨分析

2020年6月6日處理完油檔后冷態(tài)啟動(dòng)正常，但停機(jī)后再次進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)仍舊存在一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)大的問(wèn)題，從振動(dòng)數(shù)據(jù)和頻譜分析，仍然在某一部位存在嚴(yán)重動(dòng)靜碰磨，通過(guò)停機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查排除了油檔碰磨的可能，因此確認(rèn)碰磨位置位于小汽輪機(jī)兩側(cè)軸封附近。

由于小汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，其軸封為出廠前裝配的蜂窩式汽封，裝配后小汽輪機(jī)整體運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，因此現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)軸封部位的間隙和碰磨情況進(jìn)行檢查。蜂窩汽封可能因退讓彈簧卡澀或膨脹間隙的原因[10]，在機(jī)組沖轉(zhuǎn)至臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)可能產(chǎn)生碰磨，且由于蜂窩汽封較寬，碰磨后不容脫開(kāi)，發(fā)生的振動(dòng)會(huì)持續(xù)升高，降低轉(zhuǎn)速才能使碰磨脫開(kāi)，再次升速時(shí)還會(huì)發(fā)生類(lèi)似故障，與其它類(lèi)型軸封相比，很難磨合，因此碰磨會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在[11]，嚴(yán)重影響機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)幅值。

2.4 膨脹不暢導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨分析

(1)從前幾次處理結(jié)果分析，針對(duì)軸封和油檔碰磨已經(jīng)做了相應(yīng)的處理，由于間隙小導(dǎo)致再次發(fā)生碰磨的的情況已經(jīng)排除。

(2)幾次振動(dòng)異常增大都是發(fā)生在機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，說(shuō)明機(jī)組膨脹存在一定的問(wèn)題，即膨脹不暢導(dǎo)致汽封間隙發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨，熱態(tài)運(yùn)行時(shí)間越久，碰磨越嚴(yán)重，小汽機(jī)振動(dòng)越大。

根據(jù)分析結(jié)果確定膨脹不暢是引起軸封碰磨的直接原因，碰磨是膨脹不暢導(dǎo)致的結(jié)果。因此，下一步的重點(diǎn)是檢查機(jī)組是否存在膨脹受阻的地方。

3 振動(dòng)處理過(guò)程

3.1 第一次檢查及處理

鑒于熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值較大，經(jīng)過(guò)多次升降速磨合均不能有效降低臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值，于是決定對(duì)小汽輪機(jī)兩側(cè)內(nèi)外油檔間隙進(jìn)行檢查和處理。檢查中發(fā)現(xiàn)1瓦外油檔水平中分面下方發(fā)生明顯碰磨，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸上(撓性聯(lián)軸器位置)有1～2 mm的痕跡(如圖5所示)。

圖5 1瓦外油檔間隙及磨損情況

由于劃痕太深，出于安全原因考慮更換了一個(gè)新的撓性聯(lián)軸器。

3.2 第二檢查及處理

第一次檢查發(fā)現(xiàn)1瓦外油檔處發(fā)生了嚴(yán)重的碰磨，為了避免再次發(fā)生碰磨，對(duì)1瓦和2瓦的內(nèi)外油檔間隙重新進(jìn)行了調(diào)整[12]，取油檔間隙的上限值，因此油檔再次發(fā)生碰磨的幾率很小，為了進(jìn)一步確認(rèn)，第二次停機(jī)檢查時(shí)再次對(duì)內(nèi)外油檔進(jìn)行了檢查，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的碰磨痕跡，這樣就排除了油檔碰磨導(dǎo)致的振動(dòng)問(wèn)題。

因此將檢查重點(diǎn)放在了膨脹導(dǎo)受阻致軸封變形上，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)汽缸兩側(cè)中分面位置的膨脹導(dǎo)向螺栓發(fā)生嚴(yán)重卡澀，已經(jīng)失去導(dǎo)向作用，成為制約汽缸膨脹的關(guān)鍵因素，導(dǎo)致機(jī)組在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)軸向膨脹受阻，汽缸發(fā)生拱背現(xiàn)象[13]，兩側(cè)軸封位置與轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰磨；而機(jī)組在冷態(tài)時(shí)，由于間隙的存在，軸封位置能夠正常膨脹，還沒(méi)有發(fā)生碰磨，小汽輪機(jī)能夠正常通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速。

由于機(jī)組設(shè)計(jì)原因，螺栓與汽缸之間未留有足夠的膨脹間隙，導(dǎo)致熱態(tài)下發(fā)生嚴(yán)重卡澀，汽缸膨脹受阻，軸封部位間隙消失，發(fā)生嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨故障。對(duì)螺栓進(jìn)行重新加工，導(dǎo)向螺栓與汽缸之間留有足夠的膨脹間隙。

6月9日進(jìn)行處理后的冷態(tài)啟動(dòng)，1X過(guò)臨界最大振動(dòng)為71 μm，2X為35 μm，定速3 400 r/min時(shí)1X為44 μm，2X為55 μm，振動(dòng)幅值穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)增大現(xiàn)象。為了驗(yàn)證熱態(tài)下的啟動(dòng)情況，停機(jī)后又進(jìn)行了熱態(tài)啟動(dòng)，順利通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速，定速后振動(dòng)幅值也很穩(wěn)定。

圖6 膨脹導(dǎo)向螺栓

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某百萬(wàn)級(jí)二次再熱汽輪機(jī)給水泵小汽機(jī)出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了分析及相應(yīng)處理，得出的結(jié)論如下：

(1)機(jī)組膨脹導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，極易產(chǎn)生由于設(shè)計(jì)漏洞而造成機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重故障，嚴(yán)重時(shí)則可能導(dǎo)致機(jī)組某些部件損壞。

(2)實(shí)踐證明，膨脹受阻導(dǎo)致的動(dòng)靜碰磨問(wèn)題不能通過(guò)反復(fù)磨合解決，長(zhǎng)時(shí)間的碰磨容易導(dǎo)致彎軸事故發(fā)生。

(3)本文通過(guò)分析“大小汽輪機(jī)”的匹配度，認(rèn)為大容量變轉(zhuǎn)速小汽機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)組的膨脹問(wèn)題應(yīng)該得到充分的考慮。

本文填補(bǔ)了百萬(wàn)二次再熱機(jī)組大容量變轉(zhuǎn)速小汽機(jī)振動(dòng)處理的空白，可為今后類(lèi)似故障的分析和處理提供參考和借鑒。