李晚濤，傅行軍，邢海波，鄧敏強(qiáng)，蔡 明

(1. 東南大學(xué) 火電機(jī)組振動國家工程研究中心，南京 210096； 2. 皖能合肥發(fā)電有限公司，合肥 230041)

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運行與改造

660 MW汽輪發(fā)電機(jī)組熱態(tài)啟動振動診斷及處理

李晚濤1，傅行軍1，邢海波1，鄧敏強(qiáng)1，蔡 明2

(1. 東南大學(xué) 火電機(jī)組振動國家工程研究中心，南京 210096； 2. 皖能合肥發(fā)電有限公司，合肥 230041)

針對某電廠660 MW機(jī)組熱態(tài)啟動過程中1瓦振動過大問題，分析機(jī)組升速、降速和定速過程中振動變化特征，確定故障原因是熱態(tài)啟動條件下脹差過小導(dǎo)致碰摩。通過調(diào)整運行參數(shù)，縮短升速時間，機(jī)組成功升至額定轉(zhuǎn)速，且振動狀態(tài)優(yōu)良，對治理同類故障具有參考價值。

汽輪機(jī)； 熱態(tài)啟動； 脹差； 碰摩； 振動

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組不斷向高參數(shù)、高效率、高性能方向發(fā)展，汽輪機(jī)動靜間隙減小，碰摩可能性增加。碰摩故障可能發(fā)生在定速暖機(jī)、升速和帶負(fù)荷過程，目前發(fā)生頻率僅次于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的第二大類振動故障[1]。由于該類故障的發(fā)生機(jī)理較復(fù)雜，既可能由其它故障引起，如質(zhì)量不平衡、熱彎曲、軸系不對中、油膜渦動等，又往往是其它故障的誘發(fā)因素，造成轉(zhuǎn)子振動增大，至今仍沒有完備的解決辦法。碰摩易造成轉(zhuǎn)子磨損和熱彎曲，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運行，及時準(zhǔn)確診斷發(fā)生碰摩的根本原因并實施有效的處理方案具有重要意義。

某電廠6號機(jī)組大修期間進(jìn)行了K值(高中壓、低壓轉(zhuǎn)子第一個壓力級與第一級靜葉之間的軸向距離，是確定機(jī)組脹差零點的依據(jù))調(diào)整和通流優(yōu)化。大修結(jié)束后，機(jī)組于2016年6月15日晚首次啟動成功，運行一段時間后，機(jī)組于次日下午停機(jī)并立即重新啟動，轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時，1瓦振動過大，常規(guī)處理方案實施后，振動情況未得到改善，機(jī)組無法升至額定轉(zhuǎn)速。筆者通過對機(jī)組振動數(shù)據(jù)和相關(guān)運行參數(shù)進(jìn)行分析，最終診斷該故障為碰摩振動并確定故障原因，通過實施有效的處理方案，故障得到解決。

1 機(jī)組概況

該機(jī)組汽輪機(jī)為C600-24.2/1.1/566/566型，超臨界、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)總級數(shù)為48級，高壓轉(zhuǎn)子為12級，其中第一級為調(diào)節(jié)級，中壓轉(zhuǎn)子為8級，低壓轉(zhuǎn)子為2×2×7級，高中壓缸為合缸結(jié)構(gòu)，兩個低壓缸均為雙流反向布置。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓1號轉(zhuǎn)子、低壓2號轉(zhuǎn)子、以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成。除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為三軸承支撐外，其余轉(zhuǎn)子均為雙軸承支撐。汽輪機(jī)共有6個支撐軸承，其中1號軸承為LEG可傾瓦軸承，其余軸承為LEG軸承。推力軸承為自衛(wèi)式可傾瓦軸承。軸系圖見圖1。

圖1 軸系圖

2 啟動過程

該機(jī)組大修后首次升速至額定轉(zhuǎn)速過程中各軸承處振動情況良好，振動數(shù)據(jù)見表1。

表1 首次啟動過程中振動情況

機(jī)組運行一段時間后，根據(jù)操作規(guī)程，于2016年6月16日下午停機(jī)并立即重新升速。機(jī)組以200 (r/min)/min的升速率沖轉(zhuǎn)至1 200 r/min時定速暖機(jī)5 min，暖機(jī)結(jié)束后1瓦振幅迅速爬升，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 313 r/min時，1瓦X方向振幅為145 μm，Y方向振幅為185 μm。根據(jù)以往經(jīng)驗，認(rèn)為1瓦振動變大是暖機(jī)時間不足所致，于是降速至1 200 r/min進(jìn)行暖機(jī)，定速1.5 h，1瓦振幅無明顯下降趨勢，當(dāng)降速至600 r/min，定速10 min后，振幅不降反升(該過程1瓦振動數(shù)據(jù)見表2，伯德圖見圖2、圖3；1 200 r/min時的頻譜圖見圖4、圖5)。繼續(xù)降速至300 r/min，此時大軸偏心值為45 μm，高于初始偏心值31 μm，維持該轉(zhuǎn)速待偏心恢復(fù)。偏心值恢復(fù)正常后，再次升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)600 r/min時，1瓦振動依然較大，故停止升速，轉(zhuǎn)速維持在600 r/min，監(jiān)視振動變化。

表2 第二次啟動過程中1瓦振動情況

圖2 第二次啟動時1X方向伯德圖

圖3 第二次啟動時1Y方向伯德圖

圖4 第二次啟動1 200 r/min時1X方向頻譜圖

圖5 第二次啟動1 200 r/min時1Y方向頻譜圖

3 振動原因分析

根據(jù)啟動過程中1瓦振動變化情況，可以排除暖機(jī)時間不足的原因。另外該機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子無中心孔，可以排除中心孔進(jìn)油的影響。由于1瓦頻譜圖中有少量高頻分量，伯德圖中降速過程1瓦振幅比升速過程大，機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在600 r/min時1瓦振幅爬升，降速至300 r/min時大軸偏心值較大，因此導(dǎo)致1瓦振動過大最可能的原因是高壓轉(zhuǎn)子處發(fā)生了動靜碰摩，碰摩產(chǎn)生的熱量使轉(zhuǎn)子熱彎曲，產(chǎn)生不平衡量。根據(jù)一般情況，發(fā)生碰摩的可能原因有：

(1) 高壓轉(zhuǎn)子存在一定的質(zhì)量不平衡。

(2) 大修過程中動靜間隙調(diào)整不當(dāng)。

(3) 轉(zhuǎn)動部件脫落。

(4) 轉(zhuǎn)子不對中。

(5) 油膜失穩(wěn)。

(6) 高壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)特性不均導(dǎo)致熱彎曲[2]。

(7) 套裝部件緊力消失。

(8) 運行參數(shù)調(diào)整不當(dāng)。

對比第一次啟動時1瓦振動情況，可排除(1)和(2)；1瓦振幅并非突然增大，可排除(3)；1瓦的頻譜圖中主要頻率成分是基頻，二倍頻幅值低，可排除(4)；頻譜圖中無低頻分量，可排除(5)；從該機(jī)運行歷史看，也可排除(6)；該機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子為整鍛結(jié)構(gòu)，無套裝部件，可排除(7)。第二次啟動屬于熱態(tài)啟動，基本可以確定是因為運行參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，從而導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生動靜碰摩。

在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最終維持在600 r/min時，通過查看汽缸膨脹量、脹差和上下缸溫差，發(fā)現(xiàn)汽缸膨脹量和上下缸溫差在合理范圍，而高壓脹差過小，只有0.8 mm(該機(jī)組高壓脹差裕度是-4.56～10.28 mm),且有減小的趨勢。由于該值是脹差表安裝部位的脹差，不是高壓缸各級脹差的精確值[3]，因此高壓缸轉(zhuǎn)子局部動靜間隙消失從而發(fā)生碰摩的可能性較大。導(dǎo)致脹差向負(fù)方向發(fā)展的可能原因有：(1)凝汽器真空度過高，從而主蒸汽流量小，轉(zhuǎn)子膨脹不足；(2)主蒸汽溫度太低，熱態(tài)啟動時，轉(zhuǎn)子被冷卻的速度大于汽缸被冷卻的速度[4]；(3)主蒸汽過熱度不夠，導(dǎo)致水沖擊；(4)軸封蒸汽溫度低，軸封處轉(zhuǎn)子膨脹不足。

經(jīng)查看，凝汽器真空度在合理范圍，排除原因(1)，熱態(tài)啟動時，主蒸汽溫度應(yīng)當(dāng)比調(diào)節(jié)級處缸溫高50～80 K，而此時調(diào)節(jié)級處缸溫為390 ℃，主蒸汽溫度為410 ℃，后者只比前者高20 K，主蒸汽溫度偏低。主蒸汽要保持50 K的過熱度，而此時主蒸汽過熱度偏低。軸封蒸汽溫度應(yīng)當(dāng)與調(diào)節(jié)級處缸溫相匹配，實際卻低于缸溫。因此導(dǎo)致脹差向負(fù)方向發(fā)展的最可能原因是(2)、(3)、(4)。

4 處理措施及效果

根據(jù)振動原因分析結(jié)果，筆者給出具體處理方案：(1)將主蒸汽溫度由410 ℃提高至440 ℃；(2)適當(dāng)降低主蒸汽壓力以提高過熱度；(3)將軸封蒸汽溫度提高至390 ℃，各項參數(shù)均隨缸溫的升高進(jìn)行及時的調(diào)整；(4)適當(dāng)提高升速率使機(jī)組快速通過臨界轉(zhuǎn)速附近區(qū)域；(5)設(shè)定振動跳機(jī)值200 μm，以免過臨界轉(zhuǎn)速時1瓦振動過大損壞轉(zhuǎn)子。待高壓缸脹差值增大至3.2 mm時，機(jī)組以250 (r/min)/min的升速率從600 r/min開始升速，同時嚴(yán)密監(jiān)視振動和脹差變化，期間不進(jìn)行暖缸，防止暖機(jī)過程發(fā)生碰摩。

機(jī)組升速過程中，高壓轉(zhuǎn)子處脹差值持續(xù)增大，在1 200 r/min時，脹差值為3.4 mm；在1 315 r/min時，1瓦振動情況相比第二次啟動中首次沖轉(zhuǎn)至同轉(zhuǎn)速時有明顯改善，X方向下降44 μm，Y方向下降55 μm。過臨界轉(zhuǎn)速時1瓦X方向振幅176 μm，Y方向振幅110 μm，振幅值均未達(dá)到跳機(jī)值，順利通過臨界轉(zhuǎn)速，之后1瓦振幅急劇下降。機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下暖機(jī)1.5 h后，開始降速并重新升速，臨界轉(zhuǎn)速時1X和1Y振幅均低于60 μm，較前一次大幅下降，額定轉(zhuǎn)速下1瓦振動優(yōu)良，振動故障得到解決。

兩次沖轉(zhuǎn)過程的伯德圖見圖6、圖7、圖8、圖9。圖7中，1Y方向的伯德圖有兩個波峰，前一個波峰發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以下，波峰左側(cè)振幅增大是由于碰摩，右側(cè)振幅減小是由于動靜部件脫離接觸，熱彎曲逐漸恢復(fù)正常。

圖6 處理后第一次沖轉(zhuǎn)時1X方向伯德圖

圖7 處理后第一次沖轉(zhuǎn)時1Y方向伯德圖

圖8 處理后第二次沖轉(zhuǎn)時1X方向伯德圖

圖9 處理后第二次沖轉(zhuǎn)時1Y方向伯德圖

5 結(jié)語

(1) 碰摩故障的確定應(yīng)該在排除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、材料熱彎曲、不對中、中心孔進(jìn)油等故障之后。

(2) 此次碰摩故障發(fā)生的主要原因是機(jī)組熱態(tài)啟動條件下，運行參數(shù)調(diào)整不及時引起高壓缸脹差值減小。

(3) 機(jī)組熱態(tài)啟動時，應(yīng)該適當(dāng)提高升速率，縮短升速時間，防止碰摩發(fā)生。

(4) 機(jī)組在臨界轉(zhuǎn)速以下升速過程中發(fā)生碰摩時，應(yīng)當(dāng)停止升速，找到碰摩原因。

[1] 陸頌元. 大型機(jī)組動靜碰磨的振動特征及現(xiàn)場應(yīng)急處理方法[J]. 中國電力,2003,36(1): 6-11.

[2] 張學(xué)延. 汽輪發(fā)電機(jī)組振動診斷[M]. 北京: 中國電力出版社,2008.

[3] 江文強(qiáng). 基于功的互等定理的汽機(jī)脹差計算方法及應(yīng)用[D]. 保定: 華北電力大學(xué)(保定),2006.

[4] 湯明峰. 熱態(tài)開機(jī)過程中振動分析及處理[C]//全國火電100～200 MW級機(jī)組技術(shù)協(xié)作會2008年年會論文集. 秦皇島: 全國電力企業(yè)聯(lián)合會,全國發(fā)電機(jī)組技術(shù)協(xié)作會,2008: 233-243.

Vibration Diagnosis and Disposal of a 660 MW Turbo-Generator Unit During Hot Starting

Li Wantao1,Fu Xingjun1,Xing Haibo1,Deng Minqiang1,Cai Ming2

(1. National Engineering Research Center of Turbo-Generator Vibration, Southeast University,Nanjing 210096,China; 2. Wenergy Hefei Power Generation Co.,Ltd.,Hefei 230041,China)

To solve the problem of excessive shaft vibration near the first bearing of a 660 MW unit during hot starting process,the vibration characteristics were analyzed when the turbine was accelerating,decelerating or at a constant speed,after which the fault was found to be caused by rub-impacts due to too small expansion difference in the case of hot starting. By adjusting the operation parameters and shortening the speed-up time,the unit succeeded in reaching rated speed and the vibration was kept within reasonable range. This may serve as a reference for dealing with such kind of faults.

steam turbine; hot starting; expansion difference; rub-impact; vibration

2016-08-30；

2016-10-19

李晚濤(1992—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動故障診斷及治理。

E-mail: 2275864906@qq.com

TK267

A

1671-086X(2017)04-0272-04