馬運(yùn)翔， 薛江濤， 劉曉鋒， 盧修連， 丁建良

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

1000 MW二次再熱超超臨界汽輪機(jī)組摩擦故障分析與處理

馬運(yùn)翔， 薛江濤， 劉曉鋒， 盧修連， 丁建良

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

國(guó)電泰州電廠3號(hào)機(jī)組為1000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組，機(jī)組調(diào)試期間超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)，振動(dòng)不斷爬升，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析，指出摩擦故障是導(dǎo)致超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定振動(dòng)的根本原因，現(xiàn)場(chǎng)分析故障原因，改變機(jī)組啟動(dòng)方式，并采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，處理后摩擦故障消除，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

二次再熱；超超臨界機(jī)組；摩擦振動(dòng)；動(dòng)平衡；調(diào)試

我國(guó)一次能源以煤炭為主，火力發(fā)電在我國(guó)電力行業(yè)占主導(dǎo)地位。2008年G8(八國(guó)首腦高峰會(huì)議)確定2050年CO2排放降低50%的目標(biāo)，為了有效提高燃煤機(jī)組的循環(huán)效率，降低排放，大型化、高參數(shù)成為今后燃煤機(jī)組發(fā)展的重點(diǎn)。1000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組采用二次再熱循環(huán)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)性大幅度提高，與常規(guī)1000 MW機(jī)組相比，熱耗降低幅度達(dá)到3.3%～3.6%，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益。

汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)靜部件的碰磨是火電機(jī)組運(yùn)行中常見(jiàn)的故障現(xiàn)象，主要發(fā)生在機(jī)組動(dòng)靜葉片密封、轉(zhuǎn)子軸封以及滑動(dòng)軸承等處。為了提高火電機(jī)組運(yùn)行效率，減少機(jī)組內(nèi)蒸汽泄漏造成的效率損失，汽輪機(jī)組動(dòng)靜部件密封處的間隙往往都調(diào)整得很小，但也增加了運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)靜部件發(fā)生碰磨的可能性。同時(shí)系統(tǒng)采用二次再熱，機(jī)組增加1個(gè)超高壓缸，蒸汽參數(shù)更高，軸系更長(zhǎng)，動(dòng)靜部件之間的設(shè)計(jì)間隙更小，二次再熱機(jī)組動(dòng)靜部件更容易碰磨，發(fā)生摩擦故障。

1 機(jī)組概況

國(guó)電泰州電廠3號(hào)機(jī)組為1000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司制造的超超臨界二次再熱凝汽式、單軸、五缸四排汽汽輪機(jī)。汽輪機(jī)型號(hào)為：N1000-31/600/610/610。3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為： THDF125/67，發(fā)電機(jī)冷卻方式為水氫氫冷卻。勵(lì)磁機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司制造，主勵(lì)磁機(jī)型號(hào)為：ELR70/90-30/6-20N，副勵(lì)磁機(jī)型號(hào)為ELP50/42-30/16。汽輪機(jī)由6只落地式軸承支撐，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)為三支承，發(fā)電機(jī)由2只端蓋軸承支撐，勵(lì)磁機(jī)由1個(gè)落地式軸承支撐。機(jī)組整個(gè)軸系如圖1所示。

2 機(jī)組振動(dòng)測(cè)試情況

機(jī)組調(diào)試期間完成甩負(fù)荷500 MW試驗(yàn)后，于2015年09月16日8:25熱態(tài)啟機(jī)，考慮到超高壓缸和轉(zhuǎn)子溫度較高，主蒸汽參數(shù)不滿足三缸沖轉(zhuǎn)要求，決定在啟機(jī)時(shí)切除超高壓缸，采用兩缸啟動(dòng)。機(jī)組于8:40定速3000 r/min，定速后2號(hào)、3號(hào)和7號(hào)瓦X方向軸振較大，通頻幅值分別達(dá)139 μm，136 μm，117 μm，并不斷爬升，表1給出了機(jī)組定速3000 r/min時(shí)各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)。

機(jī)組此次啟機(jī)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)瓦軸振動(dòng)都偏大，同時(shí)1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)瓦振也增大，1號(hào)瓦瓦振由0.7 mm/s增長(zhǎng)到1.8 mm/s，3號(hào)瓦瓦振由0.9 mm/s增長(zhǎng)到2.6 mm/s， 5號(hào)瓦振動(dòng)也由2.3 mm/s增長(zhǎng)到4.0 mm/s。定速3000 r/min后機(jī)組1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)瓦X方向振動(dòng)爬升很快，振動(dòng)很快爬升至200 μm且有繼續(xù)爬升的趨勢(shì)，打閘停機(jī)，停機(jī)前1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)瓦振動(dòng)都達(dá)到較高的振動(dòng)水平，其中3號(hào)瓦通頻幅值達(dá)240 μm，5號(hào)瓦軸振達(dá)209 μm。

表1 3號(hào)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖1 機(jī)組軸系圖

表1給出了打閘停機(jī)時(shí)各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)。從表1可以看出機(jī)組穩(wěn)定在3000 r/min過(guò)程中各瓦X向軸振都有爬升，其中1號(hào)瓦X向軸振工頻分量增長(zhǎng)了127 μm， 2號(hào)瓦X向軸振工頻分量增長(zhǎng)了82 μm，3號(hào)瓦X向軸振增長(zhǎng)了114 μm，4號(hào)瓦X向軸振工頻分量增長(zhǎng)了86 μm，5號(hào)瓦X向軸振工頻分量增長(zhǎng)了131 μm， 7號(hào)瓦X向軸振工頻分量增長(zhǎng)了116 μm。1號(hào)、5號(hào)和6號(hào)瓦X向軸振爬升的同時(shí)相位角分別變化了30°、11°和48°。機(jī)組軸振爬升的同時(shí)，瓦振也在增加，5號(hào)瓦測(cè)點(diǎn)A由3.6 mm/s增至8.3 mm/s，測(cè)點(diǎn)B分別由4.0 mm/s增至9.0 mm/s。

圖2—6給出了機(jī)組1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)瓦軸振X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖。從圖中可以看出各瓦軸振振動(dòng)以工頻為主，升降速伯德圖的重復(fù)性較差，降速時(shí)振動(dòng)均大于升速時(shí)振動(dòng)，轉(zhuǎn)子發(fā)生了熱變形?，F(xiàn)場(chǎng)巡檢人員反映機(jī)組此次沖轉(zhuǎn)過(guò)程中5號(hào)瓦處探聽(tīng)到刮擦聲音，初步判斷該機(jī)組超高壓缸、高壓缸和低壓缸發(fā)生了不同程度的碰磨故障。

圖2 1號(hào)瓦X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖

圖3 2號(hào)瓦X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖

圖4 3號(hào)瓦X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖

圖5 5號(hào)瓦X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖

圖6 7號(hào)瓦X方向振動(dòng)啟停機(jī)伯德圖

3 機(jī)組摩擦的原因和機(jī)理

3.1 機(jī)組摩擦故障機(jī)理

汽輪機(jī)組徑向和軸向碰磨通常發(fā)生在隔板汽封、圍帶汽封及軸端汽封，還可能在軸承油擋、檔汽片部位；發(fā)電機(jī)的徑向碰磨大多發(fā)生在密封瓦處。動(dòng)靜碰磨通常有下列起因[1-3]：

(1) 動(dòng)靜間隙不足。隨著機(jī)組容量的增大，參數(shù)不斷提高，為保證效率，機(jī)組設(shè)計(jì)人員可能將間隙定的較小，要求的安裝間隙值不當(dāng)；加上現(xiàn)場(chǎng)安裝、檢修的原因，造成間隙調(diào)整超差；實(shí)際上，通流間隙是受多種因素影響，不同運(yùn)行參數(shù)下動(dòng)靜間隙也有差異，如真空、凝汽器灌水、缸溫等。即便在開(kāi)缸狀態(tài)下調(diào)整好，扣缸后的上下間隙也要變化。間隙量的控制和設(shè)計(jì)人員以及安裝、檢修人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

(2) 轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)大。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、失穩(wěn)等原因造成振動(dòng)過(guò)大，不論何種原因，振幅一旦增大到動(dòng)靜之間間隙大小，轉(zhuǎn)軸就可與靜止部件碰磨，造成振動(dòng)異常。

3.2 機(jī)組摩擦故障原因

機(jī)組此次沖轉(zhuǎn)由于參數(shù)不滿足要求采用雙缸啟動(dòng)，切除超高壓缸，相對(duì)于正常的三缸啟動(dòng)方式，該啟動(dòng)方式造成各個(gè)氣缸進(jìn)汽分布發(fā)生很大變化，動(dòng)靜間隙不足，導(dǎo)致動(dòng)靜部件碰磨。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸表面線速度很高，摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，使轉(zhuǎn)軸被摩擦側(cè)溫度高于另一側(cè)，引起轉(zhuǎn)子熱變形，其振動(dòng)特征與轉(zhuǎn)子不平衡很類似，振動(dòng)主要是工頻分量 如果振動(dòng)與摩擦合成不平衡量增大，則轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大，摩擦越嚴(yán)重，熱變形越來(lái)越大，摩擦就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，振動(dòng)會(huì)急劇惡化[1]。機(jī)組1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)瓦原始振動(dòng)較大且以工頻分量為主，存在一定動(dòng)平衡問(wèn)題，該機(jī)組超高壓缸和高壓缸內(nèi)部及軸封設(shè)計(jì)間隙較小，容易導(dǎo)致動(dòng)靜部件碰磨。

機(jī)組包含2個(gè)低壓缸，分為低壓缸1和低壓缸2，結(jié)構(gòu)相同，均為雙流、，雙層焊接結(jié)構(gòu)，并有以下特點(diǎn)：

(1) 軸承座固定在基礎(chǔ)上不動(dòng)，低壓內(nèi)缸通過(guò)前后各2個(gè)貓爪搭在前后2個(gè)軸承座上，支撐整個(gè)內(nèi)缸、持環(huán)及靜葉的重量。在接觸面有耐磨低摩擦合金，內(nèi)缸可以相對(duì)軸承座沿軸向滑動(dòng)；

(2) 內(nèi)缸與中壓外缸，或者2個(gè)低壓缸的內(nèi)缸之間，通過(guò)推拉桿連動(dòng)；使低壓靜子部件與轉(zhuǎn)子同向膨脹；

(3) 外缸與軸承座分離，直接坐落于凝汽器上，可以自由在徑向膨脹。水平方向則隨凝汽器膨脹移動(dòng)。一方面降低了運(yùn)轉(zhuǎn)層基礎(chǔ)的負(fù)荷，另一方面汽輪機(jī)背壓變化造成的外缸徑向變形不影響內(nèi)缸和轉(zhuǎn)子，動(dòng)靜間隙不受背壓變化。根本上克服了座缸支撐，背壓變化影響軸系振動(dòng)的弊病。

(4) 外缸猶如1個(gè)外殼功能，通過(guò)波紋管補(bǔ)償內(nèi)外缸之間的位移差，并起到密封作用。

機(jī)組增加1個(gè)超高壓缸，超高壓缸排汽和高壓缸排汽通風(fēng)閥接口均接至位于凝汽器A升壓站側(cè)8.6 m 處，接入管內(nèi)無(wú)減溫減壓裝置，且排汽口微斜向上，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。機(jī)組在兩缸運(yùn)行時(shí)，為了盡量減少超高壓缸內(nèi)蒸汽或空氣，減少鼓風(fēng)，防止超高壓缸溫度過(guò)高，造成轉(zhuǎn)子工況惡化、超溫，高中壓缸漲差不好控制。超高壓缸排汽通風(fēng)閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，超高壓缸排汽正好吹在低壓缸外缸A下面的端板上，導(dǎo)致低壓缸外缸不正常溫升，低壓缸膨脹不均勻，動(dòng)靜部件碰磨。

圖7 低壓缸結(jié)構(gòu)

4 故障處理

停機(jī)盤車3 h后，采用三缸啟動(dòng)的方式啟機(jī)，適當(dāng)延長(zhǎng)機(jī)組暖機(jī)時(shí)間，讓動(dòng)靜部位長(zhǎng)時(shí)間充分摩擦的方法，擴(kuò)大動(dòng)靜間隙，消除碰磨[4-7]。機(jī)組定速后快速帶負(fù)荷，縮短空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間。機(jī)組于13:07定速3000 r/min，機(jī)組各瓦振動(dòng)穩(wěn)定，各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出機(jī)組第二次采用三缸啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉超高排和高排通風(fēng)閥，各瓦振動(dòng)都有很大改善，瓦振也普遍較小。機(jī)組啟動(dòng)定速后，由于關(guān)閉關(guān)閉超高排和高排通風(fēng)閥，導(dǎo)致鼓風(fēng)效應(yīng)加強(qiáng)，機(jī)組1號(hào)—3號(hào)瓦振動(dòng)爬升，帶負(fù)荷后超高排溫度和高排溫度恢復(fù)正常，振動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定。

表2 3號(hào)機(jī)組第二次定速3000 r/min時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)

機(jī)組此次啟動(dòng)定速3000 r/min后振動(dòng)穩(wěn)定，2X和3X振動(dòng)仍然較大，成分以工頻為主，說(shuō)明高壓轉(zhuǎn)子存在一定的原始不平衡質(zhì)量。轉(zhuǎn)子存在一定的不平衡質(zhì)量，原始振動(dòng)較大是造成此次機(jī)組摩擦故障的另一個(gè)主要原因，需要進(jìn)一步處理。2016年2月17日，機(jī)組停機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，在高壓轉(zhuǎn)子上反對(duì)稱加重，2號(hào)、3號(hào)瓦側(cè)分別加重880 g。加重后啟機(jī)，機(jī)組各瓦振動(dòng)均低于90 μm，瓦振也在優(yōu)秀范圍內(nèi)，振動(dòng)問(wèn)題解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

摩擦是導(dǎo)致超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定振動(dòng)的根本原因。采用常規(guī)三缸進(jìn)汽啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉超高排和高排通風(fēng)閥，避免因高溫蒸汽沖刷低壓缸造成低壓缸膨脹不均，能有效避免低壓缸碰磨故障；但是關(guān)閉超高排和高排通風(fēng)閥會(huì)加強(qiáng)超高壓缸和高壓港的鼓風(fēng)效應(yīng)，造成振動(dòng)不穩(wěn)定，需盡快帶負(fù)荷。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)保證足夠的暖機(jī)時(shí)間，讓動(dòng)靜部件充分摩擦，擴(kuò)大動(dòng)靜間隙，能有效抑制并治理摩擦故障。機(jī)組設(shè)計(jì)間隙較小，同時(shí)轉(zhuǎn)子存在不平衡質(zhì)量，摩擦故障發(fā)生幾率增大，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡后機(jī)組基準(zhǔn)振動(dòng)減小，振動(dòng)故障發(fā)生幾率降低。

[1] 楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程運(yùn)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2007：127-129.

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馬運(yùn)翔

馬運(yùn)翔(1988 —)，男，江蘇徐州人，工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作；

薛江濤(1979 —)，男，河北邯鄲人，高級(jí)工程師，從事電廠項(xiàng)目調(diào)試工作;

劉曉鋒(1976 —)，男，內(nèi)蒙古包頭人，高級(jí)工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作；

盧修連(1963 —)，男，江蘇徐人州，高級(jí)工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作；

丁建良(1969 —)，男，江蘇蘇人州，高級(jí)工程師，從事電廠項(xiàng)目調(diào)試工作。

Fault Diagnosis for a Rub Vibration Problem Occurred in a 1000 MW Ultra-supercritical Steam Turbine Unit with Double Reheat Cycles

MA Yunxiang, XUE Jiang tao, LIU Xiaofeng, LU Xiulian, DING Jianliang

(Jiangsu Frontier Electrical Technology Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Unsteady vibration occurred in the Ultra high-pressure rotor, high-pressure rotor and low-pressure rotor for a 1000MW ultra-supercritical turbine generator unit of Taizhou power plant during the debugging process seriously affects the safety and stable operation of the unit. On the base of the detailed vibration analysis, we found that rotor-to-stator rub is the main cause of the unsteady vibration of the three rotors. The field dynamic balancing experiment was proceeded, and the starting method of the unit was changed. The unsteady vibration problem was solved.

double reheat; ultra-supercritical unit; rub vibration; dynamic balancing; debugging.

2016-08-19；

2016-10-12

TM73

B

2096-3203(2017)01-0113-04