汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片脫落故障振動(dòng)特征分析

辛士紅，袁 海，吳興燕，俎海東

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蒙電項(xiàng)目建管分公司，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，呼和浩特 010020）

0 引言

在雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，清潔能源裝機(jī)量和發(fā)電量占比不斷增加，火電機(jī)組積極開展轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造的三改聯(lián)動(dòng)逐步推進(jìn)，以滿足節(jié)能降耗和消納風(fēng)電、光伏等清潔能源的要求[1-2]。然而火電機(jī)組實(shí)施的各種改造和快速啟停、深度調(diào)峰等靈活性運(yùn)行方式使得汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行偏離了原有的設(shè)計(jì)工況[3-4]，安全可靠性降低、故障頻次增多、故障嚴(yán)重程度增大，其中汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子末幾級葉片脫落故障就是典型故障之一[5]。本文針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障歸納了故障過程振動(dòng)趨勢的變化特征，并以某300 MW 汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障為案例，進(jìn)行故障發(fā)生前后及故障發(fā)生過程中機(jī)組軸系振動(dòng)分析，總結(jié)了該類典型故障的振動(dòng)趨勢和振動(dòng)數(shù)據(jù)特征，為其他機(jī)組類似故障的振動(dòng)分析和診斷提供參考[6-11]。

1 機(jī)組概況

某電廠300 MW機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CZK/300/350-24.2/566/566/0.4型超臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱、直接空冷、采暖供熱抽汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-350-2型水-氫-氫冷卻發(fā)電機(jī)。機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，軸系由1 號軸承箱內(nèi)的推力軸承定位，由6 個(gè)徑向軸承支撐；高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間均采用法蘭式剛性聯(lián)軸器連接，構(gòu)成了軸系。機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)和支承情況如圖1所示。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)和支承情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shafting structure and support of the unit

2 故障過程

某日07：00，機(jī)組負(fù)荷261 MW，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常；07：06，機(jī)組軸系各軸承處振動(dòng)均突升，隨后穩(wěn)定在突升后高值，其中低壓轉(zhuǎn)子3 號、4 號軸承處振動(dòng)幅值變化最大；機(jī)組快速降負(fù)荷至175 MW，軸系各軸承處振動(dòng)無明顯變化；隨后機(jī)組正?；瑓?shù)停機(jī)，機(jī)組投入連續(xù)盤車后盤車電流、轉(zhuǎn)子惰走時(shí)間等技術(shù)參數(shù)均正常。最終對機(jī)組低壓缸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片斷裂，斷裂位置為自葉片根部平臺上方約20 mm 處，葉片下半部分仍鑲嵌于葉根槽內(nèi)，上半部分脫落掉入下缸內(nèi)，并將相鄰的多片次末級葉片和末級葉片擊打損傷。低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片斷裂位置和脫落部件如圖2所示。

圖2 低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片斷裂位置和脫落部件Fig.2 Fracture position and detached components of the penultimate blade on the vapor side of the low-pressure rotor

3 振動(dòng)趨勢分析

機(jī)組故障過程中低壓轉(zhuǎn)子3號、4號軸承處振動(dòng)趨勢如圖3 所示。軸系各軸承處振動(dòng)特征主要如下：

圖3 機(jī)組故障過程低壓轉(zhuǎn)子3號、4號軸承處振動(dòng)趨勢圖Fig.3 Vibration trend diagram of bearing 3 and bearing 4 of low-pressure rotor during the fault process of the unit

（1）機(jī)組軸系各軸承處振動(dòng)（軸振、座振）均同時(shí)發(fā)生不同程度突增，其中低壓轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)突增幅值最大。

（2）故障前機(jī)組軸系各軸承處振動(dòng)相對穩(wěn)定；故障過程中各軸承處振動(dòng)幅值均在1～3 s突增，隨后經(jīng)2 min 左右過渡，穩(wěn)定在某一數(shù)值后不再明顯變化。

（3）故障后機(jī)組軸系各軸承處振動(dòng)相對穩(wěn)定，不隨機(jī)組負(fù)荷、潤滑油溫度等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)變化而明顯變化[12-17]。

4 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

機(jī)組故障過程中各軸承處振動(dòng)數(shù)據(jù)變化情況見表1。分析其主要特征如下：

表1 機(jī)組故障過程中各軸承處振動(dòng)數(shù)據(jù)變化情況Tab.1 Changes of vibration data of each bearing during the fault process of the unit

（1）各軸承處振動(dòng)均明顯變化，其中低壓轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)變化最大，相鄰的高中壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)變化相對較小。

（2）故障前振動(dòng)主要以1倍頻振動(dòng)分量為主，1倍頻振動(dòng)分量幅值、相位均相對穩(wěn)定；故障后振動(dòng)也主要為1 倍頻振動(dòng)分量，1 倍頻振動(dòng)分量幅值、相位均相對穩(wěn)定。

（3）振動(dòng)變化主要為1倍頻振動(dòng)分量變化，1倍頻振動(dòng)分量幅值、相位均不同程度變化。

（4）低壓轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)幅值、1 倍頻振動(dòng)分量變化最大，相鄰高中壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)幅值、1倍頻振動(dòng)分量變化相對較小。

（5）低壓轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)同相分量、反相分量均明顯變化，其中反相分量變化較同相分量變化數(shù)值大。

（6）高中壓轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)同相分量、反相分量均變化，其中反相分量變化較同相分量變化數(shù)值大。

（7）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承處振動(dòng)同相分量、反相分量均變化，其中同相分量變化較反相分量變化數(shù)值大。

5 故障振動(dòng)特征分析

從汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障引起振動(dòng)的機(jī)理分析，主要是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落發(fā)生時(shí)軸系的平衡狀態(tài)突變，從一個(gè)平衡狀態(tài)快速改變?yōu)榱硪粋€(gè)新的平衡狀態(tài)，與平衡狀態(tài)相對應(yīng)的振動(dòng)也隨之變化。但需要說明的是振動(dòng)變化指的是振動(dòng)矢量變化，包含振動(dòng)幅值和相位，而非單指振動(dòng)幅值[7]。

上述汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障，屬于低壓轉(zhuǎn)子跨內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落；從轉(zhuǎn)子振動(dòng)機(jī)理看，相當(dāng)于低壓轉(zhuǎn)子跨內(nèi)部分失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)，其振動(dòng)響應(yīng)具有轉(zhuǎn)子跨內(nèi)失衡的特點(diǎn)，有別于低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子跨外低發(fā)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障[18-22]。

分析總結(jié)上述汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障振動(dòng)特征主要如下：

（1）從機(jī)組軸系振動(dòng)趨勢看，故障發(fā)生前各軸承處振動(dòng)相對穩(wěn)定，故障發(fā)生時(shí)各軸承處振動(dòng)（軸振、座振）均同時(shí)快速突變（在數(shù)秒內(nèi)變化），故障發(fā)生后經(jīng)過一個(gè)短時(shí)間的過渡過程振動(dòng)基本穩(wěn)定在一個(gè)新的狀態(tài)，且振動(dòng)不隨機(jī)組負(fù)荷、潤滑油溫度等相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)變化而明顯變化。

（2）從機(jī)組軸系振動(dòng)數(shù)據(jù)看，故障發(fā)生前各軸承處振動(dòng)以1 倍頻振動(dòng)分量為主，振動(dòng)通頻幅值、1倍頻振動(dòng)分量幅值和相位相對穩(wěn)定；故障發(fā)生時(shí)振動(dòng)變化主要為1 倍頻振動(dòng)分量變化；故障發(fā)生后振動(dòng)以1 倍頻振動(dòng)分量為主，振動(dòng)通頻幅值、1 倍頻振動(dòng)分量幅值和相位穩(wěn)定在一個(gè)新的狀態(tài)。

（3）從機(jī)組軸系各轉(zhuǎn)子振動(dòng)數(shù)據(jù)變化看，低壓轉(zhuǎn)子跨內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障發(fā)生后低壓轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)矢量變化較大，相鄰轉(zhuǎn)子振動(dòng)矢量變化相對較小。

（4）從機(jī)組軸系各轉(zhuǎn)子振動(dòng)數(shù)據(jù)同相分量和反相分量變化看，低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障發(fā)生后低壓轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)矢量同相分量與反相分量均變化，其中反相分量變化較同相分量變化大；高壓轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)矢量反相分量變化較同相分量變化大；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)矢量同相分量變化較反相分量變化大。

汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障，一方面部件脫落發(fā)生突然，導(dǎo)致軸系振動(dòng)狀態(tài)會(huì)突變，振動(dòng)狀態(tài)具有突變的明顯特征；另一方面部件脫落勢必造成軸系平衡狀態(tài)改變，振動(dòng)狀態(tài)改變主要為1 倍頻振動(dòng)分量的改變，個(gè)別情況會(huì)因間接引發(fā)其他故障而導(dǎo)致非1倍頻振動(dòng)分量變化。汽輪發(fā)電機(jī)組軸系不同位置部件脫落失衡會(huì)引起軸系不同的振動(dòng)響應(yīng)，對于軸系某一轉(zhuǎn)子主要分為跨內(nèi)部件脫落失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)好跨外部件脫落失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)。汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障對于低壓轉(zhuǎn)子為跨內(nèi)部件脫落失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)組工作轉(zhuǎn)速3000 r/min 處于低壓轉(zhuǎn)子一階和二階臨界轉(zhuǎn)速之間且接近二階臨界轉(zhuǎn)速，所以振動(dòng)響應(yīng)主要為反相分量；對于高中壓轉(zhuǎn)子為跨外部件脫落失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)?000 r/min 處于高中壓轉(zhuǎn)子一階和二階臨界轉(zhuǎn)速之間且跨外不平衡主要激發(fā)高中壓轉(zhuǎn)子二階振型，所以振動(dòng)響應(yīng)主要為反相分量；對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為跨外部件脫落失衡引起的振動(dòng)響應(yīng)，因?yàn)?000 r/min處于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階和三階臨界轉(zhuǎn)速之間且跨外不平衡主要激發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三階振型，所以振動(dòng)響應(yīng)主要為同相分量[11]。

6 結(jié)語

本文以汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子汽側(cè)次末級葉片脫落故障典型案例為對象，研究了故障發(fā)生前后及過程中機(jī)組軸系振動(dòng)趨勢和振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了故障發(fā)生過程機(jī)組軸系振動(dòng)趨勢和振動(dòng)數(shù)據(jù)的變化特征，為機(jī)組頻發(fā)的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落故障分析及診斷提供參考，對機(jī)組類似故障的快速、精確診斷具有重要意義。