汽輪機(jī)汽流激振故障的分析和處理

1、某臺汽輪機(jī)汽流激振故障的分析和處理崔亞輝1，張俊杰1，徐福海2，畢春海1，溫武斌2，陳榮軒2(1. 神華國華(北京)電力研究院有限公司 北京 100069；2. 三河發(fā)電有限公司 三河市 065201)摘要：某臺汽輪機(jī)的振動明顯受到調(diào)門開啟順序和開度大小的影響，通過對機(jī)組的振動特征以及調(diào)門產(chǎn)生的汽流力進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)：采用調(diào)整閥門的開啟順序產(chǎn)生汽流力來提高軸承載荷并不能減小或消除該機(jī)組的振動，反而增大了機(jī)組的振動；原因是轉(zhuǎn)子在汽缸中的徑向位置發(fā)生了變化，改變了通流部分的間隙；通過采取合理的調(diào)門開啟順序和開度減小轉(zhuǎn)子在汽缸中的偏移，雖然軸承偏心率減小、軸承載荷下降，但是振動水平明顯降低了。由此

2、可知，抑制汽流激振的方法有若干種，有些方法在現(xiàn)場實(shí)施起來可能會出現(xiàn)矛盾，此時首先需分析引起汽流激振的主要因素，然后采取能解決問題的關(guān)鍵措施，才能取滿意的效果。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)，振動故障診斷，汽流激振Analysis and management of steam-excited vibration fault of a certain steam turbineYahui Cui1, Junjie Zhang1, Fuhai Xu2, Chunhai Bi1, Wubin Wen2, Rongxuan Chen2(1. Shenhua Guohua(Beijing) Electric Power

3、 Research Institute Limited Company; 2. Sanhe Power Plant Limited Company)Abstract: The vibration of a certain steam turbine was effected by the opening order and size of control valve obviously, the vibration characteristics and the steam force which originated from control valve were analyzed, and

4、 the results showed that the vibration of unit could not be decreased or eliminated by increasing the load of journal, the load of journal could be adjusted by steam force which originated from the opening order of control valve. On the contrary, it increased the vibration of unit. The reason was th

5、at the radial position of rotor which located in casing had changed, and then the clearance of overcross section was changed. The offset of rotor was decreased by applying reasonable opening order and size of control valve, although the eccentricity and load of journal were decreased, the vibration

6、was decreased obviously. Therefore, there are several methods to inhibit steam-excited vibration, the contradiction may occur when some methods are implemented on site. Firstly, it need to analyze the main factor which arouses steam-excited vibration, the satisfactory effect can be gained by applyin

7、g key management. Keywords: Turbine, Vibration fault diagnosis, Steam-excited vibration0 引言我國不同等級容量的亞臨界和超臨界機(jī)組中，有部分機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)過汽流激振問題，國內(nèi)外雖然對汽流激振問題開展了很多研究1-5，并在數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)上取得了一定的成果，但是現(xiàn)場中機(jī)組發(fā)生汽流激振的原因并不相同，在現(xiàn)場對機(jī)組采取一種措施或者幾種組合措施，有時候效果比較明顯，有時候效果不理想。隨著中國節(jié)能減排政策的執(zhí)行越來越嚴(yán)厲，汽輪發(fā)電機(jī)組正向著大容量、超臨界超超臨界機(jī)組的方向發(fā)展，汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步提高，會導(dǎo)致高

8、壓缸進(jìn)汽密度增大、流速提高，汽流在高壓(高中壓)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的切向力也會增大，即作用在高壓(高中壓)轉(zhuǎn)子上的激振力會增大，汽流激振問題將變得越來越突出，并逐漸成為汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比較棘手的問題。機(jī)組發(fā)生汽流激振問題時，其振動水平一般會明顯升高，比較嚴(yán)重時機(jī)組將被迫限負(fù)荷運(yùn)行，對社會和發(fā)電企業(yè)都將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此迫切需要開展對汽流激振問題的深入研究。1. 振動故障機(jī)理分析某臺汽輪機(jī)的型號為C300/218-16.7/0.45/537/537，該機(jī)組為亞臨界、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排氣、沖動式凝汽式機(jī)組，高中壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子。該機(jī)組軸系包括高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,各轉(zhuǎn)子之間

9、通過剛性聯(lián)軸器連接。該機(jī)組的#1軸承和#2軸承均為可傾瓦軸承，#3軸承、#4軸承、#5軸承和#6軸承為橢圓瓦軸承。從2010年8月18日至2011年1月19日之間，在滿負(fù)荷及工作轉(zhuǎn)速下，#1軸承方向軸振的1倍頻振幅如圖1所示。圖1 從2010年8月18日至2011年1月19日之間軸振1倍頻的振幅如圖1所示，從2010年8月份開始， #1軸承方向軸振的1倍頻振幅逐漸增大，在2010年11月18日至2010年12月17日之間，根據(jù)運(yùn)行過程中振動與負(fù)荷之間的關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷到218MW附近時，#1軸承和#2軸承的振動會增大，且重復(fù)性好；#1軸承的振動增大比#2軸承的振動增大更明顯，#1軸承方向軸振

10、1倍頻的增大比方向軸振1倍頻的增大要明顯。頻譜圖中以1倍頻為主，雖然沒有明顯的低頻成分，但是低頻成分是否出現(xiàn)與軸承的阻尼以及油膜是否有附加激振作用有關(guān)1。汽流激振的典型特點(diǎn)是振動對機(jī)組所帶負(fù)荷比較敏感，與調(diào)節(jié)閥門開啟順序和開度等有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此，可以判斷轉(zhuǎn)子的振動受到汽流力的影響比較明顯，1倍頻振幅甚至超過了150，后來電廠調(diào)整了噴嘴閥門的開啟順序，噴嘴位置和產(chǎn)生的汽流力如圖2所示，將機(jī)組的調(diào)門開啟順序設(shè)置為：順序閥號和號閥門同時開啟，然后開號閥門，號閥門關(guān)閉，將振動降低到110左右，振動不太穩(wěn)定有波動，這種閥序下機(jī)組的振動本來可以接受，機(jī)組一直維持運(yùn)行直到2011年2月20日開展C修。

11、圖2 噴嘴配汽簡圖和噴嘴產(chǎn)生的汽流力在圖2中，為號噴嘴組產(chǎn)生的汽流力(1、2、3和4)，為在垂直方向的分力，為在水平方向的分力。正常情況下，因?yàn)樘?、號、號和號噴嘴組的噴嘴數(shù)量相同，均為37個噴嘴，所以、和在數(shù)值上是相等的，只是方向不同。本來順序閥號和號閥門同時開啟，作用力和相等、方向相反，會互相抵消；作用力和都是垂直向下的，會把轉(zhuǎn)子往下壓，將增加軸承的偏心率(增大軸承載荷)，正常情況下對振動是有抑制作用。該機(jī)組在C修前采取的調(diào)門開啟順序下運(yùn)行時，機(jī)組的振動不太穩(wěn)定。通常情況下，負(fù)荷的改變會引起軸頸在軸瓦中的位置發(fā)生變化，即產(chǎn)生了一個把轉(zhuǎn)子抬起來的作用力，使得軸承的載荷下降，改變了軸承的動力特性

12、，引起工作轉(zhuǎn)速下的振動增大，因此常規(guī)的方法是增大軸承載荷。為了提高#1軸承的載荷，在C修的過程中，將#1軸承的標(biāo)高抬高了60，將#2軸承的標(biāo)高降低了50。開展C修前的振動雖然有波動但可以被接受，直到3月中旬，機(jī)組的振動又逐漸地增加。為了減小振動，電廠在2011年3月份初步做的調(diào)門開啟順序和開度試驗(yàn)如表1所示。表1 該機(jī)組3月份做的閥序及開度試驗(yàn)負(fù)荷MW閥序調(diào)門開度GV1 調(diào)門開度GV2調(diào)門開度GV3調(diào)門開度GV41X1Y 290單閥，開，關(guān)100100100011592300單閥，開3232323216586285順序閥，開-343434011893257順序閥，開-3737240150922

13、47順序閥，開-10012100012069205順序閥，開-421242012681246順序閥，開-623162011678273順序閥，開- 623162011477如表1中第二組數(shù)據(jù)所示，在單閥、號閥門同時開啟，開度均為32的情況下，機(jī)組的振動水平并不好，1X振幅達(dá)到165。理想情況下，單閥運(yùn)行不會產(chǎn)生沿著轉(zhuǎn)子渦動方向的切向力，應(yīng)該是比較好的閥序，但是這臺機(jī)組不同尋常，反映了這臺機(jī)組的情況不再是理想的情況。如表1中第一組數(shù)據(jù)所示，在單閥、同時開啟，開度均為100，號閥門關(guān)閉的情況下，機(jī)組的振動相對表1的第二組要好一些，1X振幅達(dá)到95，因?yàn)樘栭y門關(guān)閉，造成，與的作用相互抵消，轉(zhuǎn)子會在汽

14、流力的作用下，向右下角移動。與表1中的第二組數(shù)據(jù)相比，為什么轉(zhuǎn)子向右移動反而能減小振動呢？這需要從引起汽流激振的主要因素說起。引起汽流激振的因素主要有三種6-9：葉頂間隙不均勻產(chǎn)生的激振力；密封間隙不均勻產(chǎn)生的激振力；作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)蒸汽力。2011年4月2日檢查了該電廠初步做的閥序試驗(yàn)之后，因?yàn)樵摍C(jī)組高壓通流部分設(shè)計(jì)為反向流動，高壓和中壓進(jìn)氣口都布置在高中壓缸中部，過熱器產(chǎn)生的蒸汽通過主蒸汽管進(jìn)入高壓主汽調(diào)節(jié)閥，再經(jīng)4根高壓主汽管道和裝在高中壓外缸中部的4根高壓進(jìn)汽管分別從上、下方進(jìn)入高壓內(nèi)缸中的噴嘴室，然后進(jìn)入高壓通流部分，所以初步懷疑轉(zhuǎn)子在汽缸中的徑向位置發(fā)生變化，引起通流部分間隙的變

15、化。發(fā)生汽流激振之后，傳統(tǒng)的方法所采用的閥門開啟順序應(yīng)該把軸頸壓到左下邊，增大軸承載荷，提高穩(wěn)定性；但是因?yàn)橥鞑糠珠g隙的變化產(chǎn)生的氣流激振力對轉(zhuǎn)子的影響比較大，把軸頸壓向軸承的左下角并不能起到太多的緩解作用，通過把轉(zhuǎn)子往右側(cè)推，使通流部分間隙變得均勻，才能減小氣流激振力對轉(zhuǎn)子的影響，進(jìn)而減小振動。從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)的方向看，初步判斷轉(zhuǎn)子在汽缸的偏移如圖3所示。圖3 初步判斷轉(zhuǎn)子在汽缸中向左偏移 如圖3所示，如果轉(zhuǎn)子在汽缸中向左偏移了，那么葉頂間隙沿著圓周方向是不均勻的，葉頂間隙小的地方，葉片會受到較大的周向作用力；葉頂間隙大的地方，葉片受到較小的周向作用力；各個葉片受到的周向作用力的合力不為零

16、，這些周向作用力除了產(chǎn)生力偶推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)之外，還會產(chǎn)生一個垂直于葉輪中心位移的橫向力，這個橫向力推動轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)動方向發(fā)生速度為的渦動。如果在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周的過程中，這個橫向力所做的功大于阻尼力消耗的能量，則會引起轉(zhuǎn)子出現(xiàn)自激振動。如果采用的調(diào)門開啟順序產(chǎn)生的汽流力把轉(zhuǎn)子壓到左邊下角的話，雖然提高了軸承阻尼，但是由于轉(zhuǎn)子進(jìn)一步往左偏移，使得垂直于葉輪中心位移的橫向力進(jìn)一步增大，對轉(zhuǎn)子的擾動作用進(jìn)一步增強(qiáng)，因此轉(zhuǎn)子的振動會進(jìn)一步增大。2. 調(diào)門開啟順序和開度試驗(yàn)為了驗(yàn)證前面的判斷是不是合理的，電廠在4月9日又開展了調(diào)門開啟順序和開度大小試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2 在4月9日開展的閥序及開度試

17、驗(yàn)負(fù)荷MW閥序均為順序閥調(diào)門開度GV1 調(diào)門開度GV2調(diào)門開度GV3調(diào)門開度GV41X1Y 300和同時開-301001001090102300和同時開-6010010010124101293和同時開-10010010015137108275和同時開-23100100065119300和同時開-101001003289123290和同時開-1510010040138134274和同時開-01001002062113如表2所示，采用2種閥門開啟順序，均為順序閥運(yùn)行，分別在不同的調(diào)門開度下做了7組試驗(yàn)，這7組閥序的相同點(diǎn)在于：都是首先同時開啟號和號閥門，不同點(diǎn)在于：號閥門和號閥門的開啟順序和開度大

18、小。因?yàn)樘栭y門會產(chǎn)生向上抬起軸頸的分力，所以盡量不開啟號閥門，最終電廠選擇的閥門開啟順序和開度為：和同時開-。比如表2的第4組數(shù)據(jù)可見：順序閥號和號閥門同時開到100，汽流力和在水平方向的分力和會把轉(zhuǎn)子往右側(cè)推動，然后將號閥門開到23，號閥門完全關(guān)閉，這組閥序下，當(dāng)負(fù)荷為275MW時，1X和1Y振幅分別為65和119，#1軸承右側(cè)瓦溫增加。另外，從現(xiàn)場的數(shù)據(jù)來看，只要號閥門的開度大于30，當(dāng)主蒸汽溫度和壓力下降時，1X和1Y的振幅會迅速增大；即使主蒸汽溫度和壓力下降，只要號閥門的開度小于30，1X和1Y的振幅也不會迅速增大。如圖2可知，號閥門產(chǎn)生的汽流力會把轉(zhuǎn)子往左邊推，即把轉(zhuǎn)子往左邊推則進(jìn)一

19、步增大了轉(zhuǎn)子在汽缸中的偏置，汽流力對轉(zhuǎn)子的影響會增大，這就驗(yàn)證了做試驗(yàn)前的假設(shè)和判斷。以前#1軸承方向軸振大于方向軸振，采用現(xiàn)在的調(diào)門開啟順序和開度之后，#1軸承方向軸振大于方向軸振，這是因?yàn)槠髁Ω淖兞溯S頸的位置，油膜支撐剛度和阻尼都發(fā)生了變化，造成了方向軸振偏大。該機(jī)組最近3次停機(jī)過臨界方向基頻的振幅和相位如表3所示。表3機(jī)組最近3次停機(jī)過臨界振幅和相位時間1瓦基頻(/°)2瓦基頻(/°)2010-10-4197/276211/2632010-10-19212/284113/2632010-10-29185.7/284103/264 根據(jù)表3可知，該機(jī)組停機(jī)過臨界的振幅還是比較大，但是相位基本穩(wěn)定。表3反映了臨界轉(zhuǎn)速下高中壓轉(zhuǎn)子存在一定的一階不平衡。另外，工作轉(zhuǎn)速下#1軸承和#2軸承的相位基本是反相，反映了工作轉(zhuǎn)速下存在二階不平衡。因此將來有停機(jī)機(jī)會時，可以通過動平衡減小工作轉(zhuǎn)速下的不平衡激振力，從而減小振動。