汽輪機(jī)高壓缸膨脹受阻導(dǎo)致1號(hào)軸承振動(dòng)大事故案例分析
2023-10-27
來(lái)源：火電圈
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某電廠兩臺(tái)機(jī)組的汽輪機(jī)采用全新一代超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式660 MW汽輪機(jī)。機(jī)組從機(jī)頭至機(jī)尾依次串聯(lián)1個(gè)高壓缸，1個(gè)中壓缸和2個(gè)低壓缸。其中高壓通流反向布置，共12個(gè)壓力級(jí)；中壓通流正向布置，9個(gè)壓力級(jí)；低壓通流雙分流布置，共2×2×5個(gè)壓力級(jí)。
高壓模塊中，高壓外缸采用傳統(tǒng)中分面結(jié)構(gòu)。高壓缸配汽方式為節(jié)流配汽，上下切向進(jìn)汽。新結(jié)構(gòu)對(duì)稱、變形小，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，圓周間隙均勻，對(duì)機(jī)組啟動(dòng)有利。在機(jī)組試運(yùn)中，1#軸振多次出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸膨脹受大管道阻礙、高壓內(nèi)缸靜子與高壓轉(zhuǎn)子中心偏差較大，經(jīng)調(diào)整處理后，機(jī)組異常振動(dòng)得以解決。
1 機(jī)組啟動(dòng)期間振動(dòng)介紹
機(jī)組定速3 000 r/min時(shí)，各軸承振動(dòng)優(yōu)良，但在升負(fù)荷過(guò)程中1#軸振多次快速增大，減負(fù)荷后振動(dòng)幅值回落。早出現(xiàn)振動(dòng)增大的負(fù)荷大致為343 MW，隨著負(fù)荷升高，1#軸振幅值突增，幅度也在增大。在1#軸振幅值異常增大期間，其他軸振幅值變化不大。圖1是機(jī)組帶負(fù)荷至503 MW期間1Y軸振瀑布圖，從圖1可見(jiàn)，1#軸承基頻振動(dòng)一直穩(wěn)定，且幅值較小；1Y軸振動(dòng)增大主要系低頻振動(dòng)所致，低頻振動(dòng)頻率為27.3 Hz。
圖1 1Y軸振動(dòng)瀑布圖
現(xiàn)場(chǎng)嘗試了改變軸承潤(rùn)滑油供油溫度、啟動(dòng)頂軸油泵、強(qiáng)制CV1和CV2形成不同的開(kāi)度等試驗(yàn)，后兩項(xiàng)措施對(duì)振動(dòng)無(wú)明顯影響。降低潤(rùn)滑油供油溫度可使振動(dòng)波動(dòng)的負(fù)荷點(diǎn)提高30～50 MW，即對(duì)低頻振動(dòng)有抑制作用，但效果有限。
總結(jié)機(jī)組1#軸振存在如下特點(diǎn):
（1）1#軸承振動(dòng)為低頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率為27.3 Hz；
（2）潤(rùn)滑油溫度從40℃降低至36℃后，對(duì)低頻振動(dòng)有抑制作用，但抑制程度有限；
（3）機(jī)組振動(dòng)突增的負(fù)荷點(diǎn)并不確定，同一負(fù)荷點(diǎn)有時(shí)振動(dòng)比較穩(wěn)定，有時(shí)振動(dòng)幅值大幅增加；
（4）1#軸承金屬溫度存在隨機(jī)組負(fù)荷升高而下降的趨勢(shì)，從并網(wǎng)初期的79℃，已經(jīng)降低至570 MW時(shí)的68℃左右（期間油溫降低約5℃）；
（5）機(jī)組負(fù)荷約570 MW時(shí)，1#軸承振動(dòng)增大時(shí)其幅值超過(guò)200 μm。
由于升高負(fù)荷過(guò)程中1#軸振幅值多次異常增大，影響機(jī)組安全運(yùn)行，需分析處理。
2 振動(dòng)分析
從振動(dòng)現(xiàn)象看，機(jī)組軸振異常主要是1#軸承處，重點(diǎn)對(duì)1#軸承振動(dòng)原因進(jìn)行分析。
汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)低頻振動(dòng)，主要可能原因?yàn)椋耗Σ琳駝?dòng)、油膜渦動(dòng)、汽流激振。出現(xiàn)摩擦振動(dòng)時(shí)工頻振動(dòng)的幅值及相位會(huì)有明顯變化，與該機(jī)特征不符。
汽流激振屬于自激振動(dòng)，與負(fù)荷有關(guān)，主要發(fā)生于高參數(shù)大容量機(jī)組的高壓轉(zhuǎn)子上。其振動(dòng)會(huì)隨著負(fù)荷增大到某一臨界負(fù)荷時(shí)瞬間發(fā)散，有較好的重復(fù)性。振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相關(guān)。汽流激振的發(fā)生與汽輪機(jī)蒸汽流量有一定的關(guān)系，而與工作轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，這是它與油膜渦動(dòng)的主要區(qū)別。
從機(jī)組的振動(dòng)特點(diǎn)看，與汽流激振相似。在機(jī)組負(fù)荷增大后，1#軸承負(fù)載明顯減輕，降低了軸承的穩(wěn)定性，同時(shí)汽流激振力增大，造成1#軸振發(fā)生蒸汽自激振動(dòng)。可以確定1#軸承振動(dòng)過(guò)大由汽流激振引起。
根據(jù)目前公認(rèn)的研究成果，汽輪機(jī)汽流激振來(lái)自3個(gè)方面:即葉片頂隙激振、密封流體激振與作用于高、中壓轉(zhuǎn)子上的不均衡靜態(tài)蒸汽力[1]。簡(jiǎn)言之:汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心相對(duì)靜子中心的靜偏心（由于機(jī)組安裝不規(guī)范、徑向通流不均勻或者機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后滑銷系統(tǒng)間隙變大導(dǎo)致汽缸跑偏產(chǎn)生）使動(dòng)靜間隙不均致轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生渦動(dòng)，產(chǎn)生葉頂間隙激振；轉(zhuǎn)子、靜子間不同心或動(dòng)態(tài)偏心渦動(dòng)，使汽封各齒間形成的腔室空間大小不均，導(dǎo)致各腔室的蒸汽壓力不均勻，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于轉(zhuǎn)子偏心方向的合力，加劇轉(zhuǎn)子渦動(dòng)，發(fā)生密封流體激振。總之，汽流激振主要是缸內(nèi)動(dòng)靜間隙不均勻引起的振動(dòng)。
3 處理措施及結(jié)果
根據(jù)上述1#軸承振動(dòng)原因分析，停機(jī)后檢修時(shí)立足于查找引起汽流激振的高壓缸“跑偏”原因是處理1#軸承振動(dòng)的主要方法；適當(dāng)增加1#軸承載荷是輔助手段。
機(jī)組停機(jī)冷卻到常溫后:
（1）拆除高壓缸上半端汽封，按圖2測(cè)量高壓轉(zhuǎn)子與外缸左、右、上方向“Y”值，確認(rèn)是否存在跑偏情況（兩側(cè)端汽封處徑向尺寸“Y”值符合設(shè)計(jì)要求，即認(rèn)為整個(gè)高壓徑向通流間隙正確）。
圖2 高壓轉(zhuǎn)子與汽缸定位尺寸示意圖
高壓缸兩端轉(zhuǎn)子與汽缸相對(duì)位置實(shí)測(cè)值如表1所示。
表1 高壓轉(zhuǎn)子與汽缸定位尺寸
表1數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)廠內(nèi)總裝測(cè)量值而言，檢修時(shí)左側(cè)測(cè)量值變大，而右側(cè)測(cè)量值變小。這表明汽缸相對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了向左的位移，汽缸向左跑偏。高壓動(dòng)靜中心偏移量汽機(jī)端（1#軸承端）1.01 mm，電機(jī)端（2#軸承端）0.28 mm。
復(fù)裝時(shí)，自由狀態(tài)下重新配準(zhǔn)貓爪和立鍵墊片，恢復(fù)動(dòng)靜間隙為廠內(nèi)總裝值，以校正高壓通流動(dòng)靜中心偏差，保證徑向間隙均勻。
（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，查找并排除干涉。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)高壓排汽管與支架干涉，詳見(jiàn)圖3。
圖3 高壓排汽管與支架干涉部位
高排管與支吊架門(mén)梁擋干涉，會(huì)影響高壓缸膨脹，此外還會(huì)引起高壓缸向一側(cè)“跑偏”。為此，停機(jī)檢修時(shí)將擋塊割除，留出足夠膨脹間隙，見(jiàn)圖4。
圖4 高壓排汽管與支架
在恢復(fù)中心及處理干涉問(wèn)題后，再次開(kāi)機(jī)，THA工況下1#軸承未出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，整個(gè)軸系振動(dòng)良好，運(yùn)行穩(wěn)定。
THA（660 MW）工況下，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行畫(huà)面見(jiàn)圖5。
圖5 THA工況機(jī)組運(yùn)行畫(huà)面
4 總結(jié)
汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)靜間隙周向不均勻是引起汽流激振的主要原因。高壓缸膨脹受阻導(dǎo)致高壓通流間隙一致性變差，同時(shí)汽缸跑偏加劇了動(dòng)靜間隙的不均勻度。通過(guò)以高壓缸端汽封處動(dòng)、靜間隙為基準(zhǔn)校正通流間隙，保證高壓缸自由膨脹，防止滑銷系統(tǒng)跑偏是解決汽流激振問(wèn)題的有效手段。采用上述手段后，機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題得到徹底解決。
