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)
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]。
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
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
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]。
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。
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]。
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。