張世偉， 胥建群

(1. 國(guó)電泰州發(fā)電有限公司， 江蘇泰州 225300; 2. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠中的重要發(fā)電設(shè)備，其動(dòng)靜部分碰摩會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)過大無法正常啟動(dòng)和運(yùn)行，甚至?xí)斐捎谰眯赞D(zhuǎn)子彎曲，使整個(gè)機(jī)組損壞。因此，有必要研究和分析現(xiàn)代大型汽輪機(jī)動(dòng)靜部分發(fā)生碰摩的原因，避免事故的發(fā)生，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。筆者針對(duì)某電廠1號(hào)機(jī)組動(dòng)靜部分的碰摩進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，并找出事故原因。

1 動(dòng)靜部分軸向磨損研究方法

自Jeffcott H H提出Jeffcott轉(zhuǎn)子模型以來，線性理論的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方面的研究獲得了很大的發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的動(dòng)靜碰摩問題進(jìn)行了大量的研究：Kellenberger W通過對(duì)汽輪機(jī)軸封處由轉(zhuǎn)子受熱變形產(chǎn)生的動(dòng)靜間隙消失而發(fā)生碰摩導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了理論探討[2]；Adams M L等采用數(shù)值積分的方式揭示了發(fā)生動(dòng)靜部分碰摩時(shí)的混沌現(xiàn)象，同時(shí)也指出了引起機(jī)組振動(dòng)過大或不正常振動(dòng)的原因[3]；Edwards S等采用數(shù)值方法對(duì)扭矩在碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究[4]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)學(xué)方面對(duì)動(dòng)靜部分軸向磨損的研究取得了大量的研究成果，筆者從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行出發(fā)，探討動(dòng)靜部分軸向磨損的處理方案及預(yù)防措施。

該電廠1號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)蒸汽參數(shù)為主汽壓25 MPa，主、再熱汽溫度均為600 ℃，額定出力為1 000 MW。機(jī)組在首次大修中，汽輪機(jī)本體解體發(fā)現(xiàn)低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端動(dòng)靜部分發(fā)生了軸向接觸。

為檢查轉(zhuǎn)動(dòng)件與固定件之間在運(yùn)行過程中的間隙，采用錐面測(cè)量法測(cè)量轉(zhuǎn)子膨脹量與汽輪機(jī)殼體膨脹量之間的差值，即差脹，低壓缸A轉(zhuǎn)子檢測(cè)儀位于6號(hào)軸承處(見圖1)，低壓缸B轉(zhuǎn)子檢測(cè)儀位于8號(hào)軸承處(見圖2)。

圖1 低壓缸A 轉(zhuǎn)子檢測(cè)儀標(biāo)尺示意

圖2 低壓缸B轉(zhuǎn)子檢測(cè)儀標(biāo)尺示意

圖1、圖2中綠色標(biāo)記為止推軸承前側(cè)或汽輪機(jī)側(cè)間隙為0時(shí)汽輪機(jī)的冷設(shè)定，用來測(cè)量差脹量的基準(zhǔn)點(diǎn)；第一報(bào)警點(diǎn)與紅色標(biāo)記間的距離表示汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由于泊桑效應(yīng)影響，在升速過程中的縮短量；紅色區(qū)域?yàn)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸間發(fā)生軸向接觸區(qū)域；黃色區(qū)域表示汽輪機(jī)由于熱膨脹的變大或變小而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生膨脹的程度，其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度與第一報(bào)警點(diǎn)與紅色標(biāo)記間的距離相同。

采用錐面測(cè)量法測(cè)量時(shí)，通道1的傳感器測(cè)量軸錐面的位移，通道2的傳感器作為參照傳感器，測(cè)量軸的徑向位移，見圖3。

圖3 錐面測(cè)量原理

錐面角度為23°，測(cè)量錐面的傳感器始終垂直于錐面。可測(cè)量的最大軸位移量為：

(1)

式中：s為軸位移量，mm；d1為傳感器測(cè)量范圍，mm；為錐面傾斜角度，(°)。

測(cè)量系統(tǒng)采用聯(lián)合測(cè)量裝置，低壓缸差脹傳感器與支架為固定安裝，在安裝時(shí)根據(jù)汽輪機(jī)檢修安裝定位數(shù)據(jù)分別確定對(duì)應(yīng)前置器輸出電壓，低壓缸A差脹量程為0～+50 mm，低壓缸B差脹量程為0～+50 mm。

2 動(dòng)靜部分軸向磨損現(xiàn)場(chǎng)案例

2.1 案例說明

該機(jī)組低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端動(dòng)靜部分發(fā)生了軸向接觸，見圖4～圖6。

圖4 低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端第2級(jí)動(dòng)葉葉根

圖5 低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端第3級(jí)動(dòng)葉葉根

圖6 低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端第4級(jí)動(dòng)葉葉根

低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端第2、3、4級(jí)出汽側(cè)動(dòng)靜部分有明顯的磨損痕跡，經(jīng)初步測(cè)量轉(zhuǎn)子動(dòng)葉葉根部位磨損量為：調(diào)端第2級(jí)磨損量約2.95 mm，第3級(jí)磨損量約1.15 mm，第4級(jí)磨損量約1.95 mm。在低壓缸A轉(zhuǎn)子電端及低壓缸B轉(zhuǎn)子上沒有發(fā)現(xiàn)這樣的損傷。相應(yīng)隔板未見磨損，但附著了轉(zhuǎn)子磨損的殘留物。

汽輪機(jī)的高壓缸轉(zhuǎn)子、中壓缸轉(zhuǎn)子、低壓缸轉(zhuǎn)子都有一個(gè)固定的K值，是由制造廠設(shè)定轉(zhuǎn)子一個(gè)壓力級(jí)動(dòng)靜之間的軸向距離。圖7為低壓缸A動(dòng)靜間隙，隔板與葉端軸向間隙為N，隔板與葉根軸向間隙為L(zhǎng)。

圖7 低壓缸A動(dòng)靜間隙圖

對(duì)低壓缸通流間隙進(jìn)行了測(cè)量，見表1、表2，其中0°表示轉(zhuǎn)子12點(diǎn)鐘方向，A、B側(cè)分別表示與0°按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)90°、270°處。

表1 低壓缸A通流間隙測(cè)量值(調(diào)端) mm

表2 低壓缸A通流間隙測(cè)量值(電端) mm

2.2 案例分析

圖8為主機(jī)滑銷系統(tǒng)圖。由圖8可以看出：機(jī)組汽缸膨脹死點(diǎn)位于3軸承座，而轉(zhuǎn)子膨脹相對(duì)死點(diǎn)在2軸承座。高壓缸K值偏小，高、中壓缸未回到零位是由于1、2軸承座未按設(shè)計(jì)向電端滑動(dòng)到位，從而使2軸承座及轉(zhuǎn)子膨脹相對(duì)死點(diǎn)向調(diào)端方向移動(dòng)，造成兩個(gè)低壓缸轉(zhuǎn)子相對(duì)低壓缸零位偏向調(diào)端，測(cè)量的兩個(gè)低壓缸K值均偏大。

圖8 主機(jī)滑銷系統(tǒng)圖

查閱1號(hào)機(jī)組168 h檢修文件包，發(fā)現(xiàn)低壓缸K值偏大(低壓缸AK值24.15 mm，低壓缸BK值39.15 mm)，1、2軸承座未按設(shè)計(jì)向電端滑動(dòng)到位，高、中壓缸未回到原始零位，偏差為3 mm，機(jī)務(wù)未對(duì)零位指示值進(jìn)行修正，儀控也未與機(jī)務(wù)核對(duì)，直接對(duì)原始零位進(jìn)行出廠設(shè)定。造成了低壓缸差脹的實(shí)際值小于顯示值3 mm。

1號(hào)機(jī)組168 h檢修后首次啟動(dòng)，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)和帶負(fù)荷過程中均發(fā)生不同程度的振動(dòng)異常，其振動(dòng)異常主要發(fā)生在5、6、7、8軸承。在加負(fù)荷至291 MW的過程中，5、6、7、8軸振沒有發(fā)生明顯上升。在運(yùn)行人員供1A給水泵汽輪機(jī)軸封汽，凝汽器壓力從8.3 kPa逐漸下降到5.1 kPa，過程中5、6、7、8軸振發(fā)生明顯上升，其中6X軸振最大達(dá)到158 μm。

通過停供1A給水泵汽輪機(jī)軸封汽、停運(yùn)真空泵，將凝汽器壓力提高19 kPa，并適當(dāng)減負(fù)荷，機(jī)組振動(dòng)得以控制，逐漸恢復(fù)至正常范圍。這說明低壓內(nèi)缸出現(xiàn)暫時(shí)性的不同變形，在汽缸內(nèi)部發(fā)生了碰摩。此后做超速試驗(yàn)，機(jī)組解列、再次并網(wǎng)后只有低壓缸A的振動(dòng)明顯。負(fù)荷 177 MW，背壓在逐漸下降，但還在8.63 kPa以上，5、6、7、8軸振沒有大的變化。之后背壓進(jìn)一步下降，5X、6X軸振開始明顯上升，7X軸振下降、8X軸振微漲，成背離現(xiàn)象。通過提高背壓，使振動(dòng)得到控制，機(jī)組的振動(dòng)與背壓波動(dòng)趨勢(shì)一致，同時(shí)振動(dòng)的大趨勢(shì)向小的方向發(fā)展，說明碰摩的地方已脫離，間隙逐漸變大。

由此推斷：該電廠1號(hào)機(jī)組在首次大修停機(jī)后，由于高、中壓缸滑銷原因，1、2軸承座未按設(shè)計(jì)向電端滑動(dòng)到位，偏差3 mm；大修過程中機(jī)務(wù)未對(duì)零位指示值進(jìn)行修正，儀控也未與機(jī)務(wù)核對(duì)，直接對(duì)原始零位進(jìn)行出廠設(shè)定，造成監(jiān)視值與實(shí)際值存在偏差；之后在大修后的超速試驗(yàn)中，造成此次低壓缸A軸向碰摩。

2.3 處理方法

采用拔出高、中壓缸貓爪橫銷，借助千斤頂前后移動(dòng)1、2軸承座以此來檢查其滑動(dòng)情況，未見明顯異常后裝復(fù)高、中壓缸汽缸橫銷。經(jīng)監(jiān)視測(cè)量發(fā)現(xiàn)：1軸承座向電端移動(dòng)了2.3 mm，2軸承座向電端移動(dòng)了2 mm。再次測(cè)量低壓缸軸向通流間隙，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)低壓缸K值(低壓缸A為24.31 mm，低壓缸B為38.08 mm)與第一次大修后基本相近。建議采取以下處理方法：

(1) 清除碰摩葉片出口側(cè)的毛刺并進(jìn)行PT或MT探傷，確認(rèn)葉片出口側(cè)的葉根處是否有裂紋。

(2) 由于葉片接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生過熱，考慮會(huì)發(fā)生硬度增大、磁化，建議對(duì)碰摩葉片處進(jìn)行磁力測(cè)量。

(3) 建議調(diào)整汽缸的軸向鍵(更換不同的鍵)，使K值恢復(fù)到合適值。

(4) 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，300 MW以下負(fù)荷，負(fù)荷變化率以0.5%/min以下進(jìn)行。

綜合以上建議，并結(jié)合該機(jī)組168 h大修至今的運(yùn)行情況，決定不調(diào)整汽缸的軸向鍵，只對(duì)低壓缸差脹零位指示值進(jìn)行修正。低壓缸A差脹零位設(shè)計(jì)指示值為17.7 mm,低壓缸B差脹零位設(shè)計(jì)指示值為11.6 mm。由于此次檢修時(shí)的K值與基建時(shí)K值分別增大了3.21 mm、3.28 mm，對(duì)低壓缸A、低壓缸B定位時(shí)的差脹值進(jìn)行修小3 mm處理，低壓缸A差脹零位指示值為14.7 mm,低壓缸B差脹零位指示值為8.6 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

通過分析該電廠1號(hào)機(jī)組低壓缸A轉(zhuǎn)子調(diào)端第2、3、4級(jí)動(dòng)靜部分碰摩事故，結(jié)合低壓差脹錐面測(cè)量方法，探討出動(dòng)靜部分軸向磨損的處理方案，并提出以下預(yù)防措施：

(1) 機(jī)組冷態(tài)啟、停機(jī)時(shí)，要加強(qiáng)汽缸溫差、差脹等重要參數(shù)的監(jiān)視，一定要控制在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)要注意機(jī)組的振動(dòng)情況，盡量維持參數(shù)溫度[5]。

(2) 定期對(duì)汽機(jī)滑銷系統(tǒng)注油維護(hù)。