大型汽轮发电机组在不同工况下的碰摩研究

2015-12-20王凤良

发电设备 2015年1期

王凤良

（黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150030）

随着我国电力工业不断深化和发展，电力企业逐步由生产型向经营型转变，由高耗能企业向节约型企业发展。为增加经济效益并节能减排，火电厂更是趋向于单机容量大、机组数量多的发展趋势。大型汽轮发电机组振动故障的诱因有很多，碰摩故障是一个重要的原因，严重时可能造成整个轴系的破坏，造成巨大的经济损失［1］。因此，为了防止大型汽轮发电机组碰摩故障的发生，笔者对不同工况下发生碰摩故障所表现的特征进行了分析，提出了应对措施，对于发电企业的安全生产具有非常现实的指导意义。

1 碰摩故障案例统计

目前，大型汽轮发电机组的碰摩故障发生率已经成为除了质量不平衡以外的第二大故障，统计分析大约10年内国内大型汽轮发电机组发生的碰摩故障案例［2-8］，结果表明：大型汽轮发电机组碰摩故障可能发生在从机组调试完成首次整套启动至汽轮发电机组寿命周期内的各个运行工况。经过统计分析，可以粗略划分为以下几个工况：（1）新机组调试完成后首次整套启动过程；（2）移交生产后各次大修后首次启动过程；（3）生产过程带稳定负荷；（4）生产过程升负荷过程；（5）生产过程降负荷过程。大型汽轮发电机组在这5种工况下发生碰摩故障的比率相差不大，统计分析见图1。

图1 碰摩发生所处工况统计分析

碰摩故障发生的原因可以从结构、检修和运行3个方面进行分析，有的碰摩故障是由2种以上的原因共同作用的结果。随着检修工艺的不断完善，检修工具与手段的不断更新，由于检修原因所引起的碰摩故障正逐年减少，而机组运行时发生碰摩故障的几率正逐年增加，其主要原因有：（1）动静间隙过小；（2）汽封问题；（3）汽缸跑偏或膨胀受阻；（4）转轴振动过大；（5）滑销系统卡涩；（6）蒸汽温度或流量变化较快；（7）其他原因。故障原因统计分析见图2。

图2 碰摩故障原因统计分析

国产300MW汽轮发电机组发生碰摩故障的比率最大，尤其是高中压转子在启动暖机过程中；国产600MW和1 000MW汽轮发电机组发生的碰摩故障也在逐年增加，而国产200MW机组发生碰摩故障的案例逐年减少。

2 不同工况下发生的碰摩故障分析

2.1 新机组调试完成后首次整套启动

目前，大型汽轮发电机组调试完成后在首次整套启动时都应该对整个轴系进行振动监测，在此过程中可以利用测取的振动数据来指导新机组启动，评价机组的制造和安装质量，并为机组以后的启停、运行和诊断振动故障提供依据。新机组在安装的过程中，火电厂出于机组经济性的考虑，往往要求安装单位将汽封间隙等按照标准要求的下限安装，因此，新机组在首次启动过程中发生碰摩故障的概率占到了1／5，一般具有如下特征：

（1）安装单位出于对机组安全的考虑，在安装过程中会自行调整间隙，而不是严格按照业主的要求间隙下限处理，这使得机组在首次启动过程中即使发生碰摩故障，也只是轻微的碰摩。

（2）新机启动过程的碰摩故障一般发生在中速暖机过程，机组转速较低时几乎不会发生碰摩故障。

（3）碰摩故障发生在中速暖机时，表现为碰摩部位的轴振动与轴承座振动出现缓慢爬升，一般在整个暖机过程中振动爬升值不大，机组可以升至额定转速，但振动故障是否消除视机组安装质量、转轴振动和碰摩的轻重程度而定。

（4）碰摩故障发生后，振动爬升以基频振动为主，会出现少量的2、3倍频成分，但是振动幅值不大。

图3为某电厂新建机组1号汽轮发电机组高中压转子在调试完成后首次整套启动中的幅频特性曲线。从图3可见：高、中压转子在2 100r／min下暖机时发生了碰摩，1号轴承处X、Y方向的轴振动出现缓慢爬升现象，机组升至额定转速后仍然存在碰摩。

图3 1号机组1瓦处转子的幅频特性曲线

2.2 移交生产后各次大修后首次启动

机组调试完成后，168h试运结束机组随即投入生产，至机组第一次大修至少需要4年，在这段时间里，机组经历数次启、停机，各种负荷工况后会达到一个相对稳定的状态，各种间隙的磨合也会日益增大，致使机组经济性逐渐下滑。为此，业主为了机组的经济性与安全性综合考虑对机组进行A级检修，对机组的通流部分进行改造，更换各种新型汽封，如布莱登、蜂窝、刷式汽封等，有的业主为追求经济性往往将汽封大量更换为刷式汽封，并且零间隙安装。

大修后的机组发生碰摩的概率要比调试完成后的首次启动高一些，这是由于对机组更换接触式汽封的缘故。机组各次大修后首次启动碰摩故障有如下特点：

（1）机组出现碰摩故障一般较为严重，即使在很低的转速下机组都会出现碰摩，有的机组甚至在500r／min听音检查的过程中振动就会快速爬升。

（2）机组碰摩过程较为漫长，转速增长困难，机组升至额定转速往往需要数次甚至十几次的反复启动，且振动非常不稳定。

（3）机组发生碰摩故障后，振动会快速增长，且增长的振动幅值成分一般为基频成分，振动相位基本无变化或变化很小。

（4）机组发生的碰摩故障较为顽固，一般定速后甚至带负荷的过程中仍会发生，机组安全隐患大。

图4为某电厂2号机组大修后首次启动过程高中压转子发生故障的幅频特性曲线。从图4可以看出：机组在启动过程中高中压转子碰摩严重，振动幅值爬升较快，高中压转子发生了严重的弹性变形。经过连续盘车4h后机组继续冲转，直至第13次启动才将机组升至额定转速，且高中压转子振动很不稳定。

图4 2号机组1瓦处转子的幅频特性曲线

2.3 生产过程定速／带稳定负荷

大型汽轮发电机组升至额定转速后，一般会做相关的电气试验，在电气试验的过程中，机组维持额定转速带空负荷，此时发生的碰摩故障一般是机组启动过程中机组额定转速下空负荷下的碰摩故障的延续，此种碰摩故障与机组的启动过程相关，与机组的暖机时间、汽缸的膨胀、排汽缸温度等参数有关，有的机组会在额定转速下出现振动爬升现象直至机组跳机。而带负荷下的诊断要比机组启动过程困难，因为带负荷下的振动特征较为复杂，现场诊断时首先应排除与其振动特征相类似的一些振动故障，如大轴热弯曲、联轴器松动、转轴与水接触等。机组定速／带稳定负荷过程中发生碰摩故障有如下特征：

（1）振动幅值的波动幅度可能比启动中小，但波动持续时间长。带负荷时的碰摩由于接触部分的金属不会很快磨损和融化，使得不同形式的机组或同一台机组，都会出现不同的不稳定形式。

（2）带负荷下的轻微碰摩故障会导致机组相关振动测点的幅值出现波动，且波动的振动分量一般不是基频振动，波动的周期性、规律性不强。

（3）一些机组带负荷下的碰摩故障发生时往往没有征兆，这是因为机组某些运行参数调整后会改变轴系各支撑轴承的油膜刚度，轴系振动会有所改变，如果振动增大就可能与间隙较小的部位接触导致碰摩故障的发生。

图5为某电厂1号机组在带稳定负荷时发生通频振动趋势。从图5可见：振动波动值最大达到50μm。经诊断为转子发生了轻微的碰摩故障，现场处理发现其浮动油挡浮起受阻，导致与转子之间发生摩擦，处理后振动波动消失。

图5 3号轴承X方向轴振动发生碰摩故障的趋势

2.4 生产过程升／降负荷

大型汽轮发电机组在升／降负荷的过程中发生碰摩故障的比率也很高，尤其是机组在降负荷过程。碰摩故障的根本原因是机组在升／降负荷时对转子及汽缸的相对加热和降温，而在此过程中，转子的升温与降温相对较快，汽缸由于质量、体积都比较大导致对温度的变化较转子反应迟缓，如果机组通流部分存在间隙过小，就会导致碰摩故障的发生。机组在升／降负荷过程发生碰摩故障有如下特征：

（1）机组在降负荷的过程较升负荷更容易发生碰摩故障，碰摩故障所引起的振动变化与负荷变化有一定的时滞。

（2）一些机组在启动过程中就存在碰摩故障且并网时间不长，在负荷的变化过程中容易发生碰摩故障。

（3）碰摩故障发生后，通过调整负荷参数可以遏制碰摩振动的恶化，没能及时调整负荷参数跳机的机组且可以确定是碰摩原因引发的，往往能够顺利升至额定转速并带负荷。

图6为某电厂600MW机组6号轴承在降负荷过程中发生碰摩故障的趋势。

图6 6号轴承X方向轴振动发生碰摩故障的趋势

3 碰摩故障的现场处理

大型汽轮发电机组的碰摩故障的处理原则是在振动可控、保证机组安全的前提下进行磨合。如果启动过程中发现振动增加过快，且振动数值较大时，要严格控制机组的振动，不要强行冲过临界转速；如果转速在一阶临界转速以下振动达到规定的数值，应该立即打闸停机、连续盘车4h以上且大轴挠度在合格范围内可以再次对机组进行冲转；如果碰摩故障发生在一阶临界转速以上，则在振动可以控制的转速上多停留一段时间，振动稳定后再升速。

现场处理碰摩故障时可以采取以下措施：

（1）选择合适的启动方式。大型汽轮发电机组尽量采用滑参数启动，升速率控制在150r／min，升负荷率控制在1 000kW／min，并尽量延长低负荷及中负荷的暖机时间，减少汽缸与转子的温差来控制汽轮机膨胀差值在允许范围内，尽量减少上、下缸温差在50K以下，以减小径向间隙的变化量［9］。

（2）在振动可控下磨合。碰摩故障最好的处理方法是在振动可控的前提下进行磨合，出现振动持续爬升过快时应迅速打闸停机，并及时投入盘车，待机组具备启动条件时再启动，不能盲目冲转。

（3）振动监测数据指导机组运行。机组碰摩故障应该以实际测试的振动数据为基础来指导现场运行，严格监测转子的晃度，不得在超限下对机组强行启动。

（4）加强机组膨胀参数的监测。尽早消除汽缸膨胀不畅或跑偏，运行操作时避免上、下缸温差超标，防止转子弯曲造成恶性循环。

（5）适当延长暖机时间。通过对机组暖机时间的适当延长，可以消除如转子晃度超标、汽缸膨胀受阻等多种引起碰摩故障的因素。