300 MW汽轮机通流改造后振动问题的分析和处理

李晓晖，葛晶晶

（浙能台州发电厂，浙江 台州 318016）

300 MW汽轮机通流改造后振动问题的分析和处理

李晓晖，葛晶晶

（浙能台州发电厂，浙江 台州 318016）

某300 MW机组进行汽轮机高中压缸通流增容改造后，高负荷时出现1号、2号轴承振动突然升高的现象，分析为汽流激振导致。通过优化调整4个调门的阀序、提高轴承轴瓦比压、改造轴承油流管路等方法，轴承的振动得到了有效控制。

汽轮机；汽流激振；阀序优化；轴瓦比压；油路改造

0 引言

汽轮机机组的汽流激振是汽轮机内部汽流激振力造成的汽轮机转子振动突然增大的现象。随着汽轮机容量与蒸汽参数的提高，汽流激振已成为影响汽轮机安全运行的重要因素。汽轮机内部汽流激振力的来源主要有：轴封蒸汽激振力、叶顶间隙激振力、作用在转子上的不对称蒸汽力和力矩3个方面[1]。

目前，对于汽轮机激振的研究可以大致分为工程研究与理论研究。工程研究主要通过振动测量装置获得汽轮机组的振动情况，并通过工程实践总结出汽轮机激振的影响因素，如汽流结构、轴承结构、运行方式等，针对性地提出解决措施，如改变进汽方式、改造轴承结构、加大转子刚度、增大系统阻尼、调整轴瓦标高等[2-5]。部分研究人员通过数值模拟方法研究了涡动效应与叶顶围带密封蒸汽流造成的激振力[6]、配汽方式对激振力的频率产生影响[7]、转速和频率对激振力的影响[8]、部分进汽汽轮机动叶在进入及离开进汽通道的过程中的激振力变化情况[9]。汽轮机叶轮偏心也是产生激振的因素之一，一般采用动叶做功法进行相应的理论计算与分析[10-12]。

本文针对300 MW机组通流改造扩容至330 MW后所产生的汽流激振问题进行分析，提出有效的解决方案，成功解决了限制机组出力的振动故障。

1 存在的问题

某汽轮机为东方汽轮机厂（日立技术）生产的N300 MW亚临界、一次中间再热、单轴、双缸(高中压缸合缸)、双排汽、凝汽式汽轮机。为了提升机组出力，进行了汽轮机高中压缸通流改造，改造后机组增容至330 MW。主要改造内容为汽轮机高压缸喷嘴组、高压缸第2～9级隔板和动叶片进行更换；高/中/低压缸汽、轴封结构和径向间隙进行优化改造；为平衡轴向推力，高中压转子进行了补充加工。机组采用节流喷嘴配汽方式，由4只高压调节汽阀控制。

通流改造后，汽机冲转至机组并网初期（45 MW以内），汽机轴承多次发生振动，1X及2X振幅为150～200 μm，从而导致数次停机。几次振动均表现为振幅缓慢爬升、振动相位也在缓慢变化、转子发生碰摩，随后在升负荷过程中，控制负荷缓慢上升，经过长时间磨合后，机组振动幅值和相位逐渐恢复正常，振幅均在40 μm左右。

此后，机组负荷280 MW以上时，又多次发生1号、2号轴振动突然增大现象，分析发现振动与高压调门开度关系密切，如：负荷301 MW时，调门CV1和CV2全开、CV3强制全关，当CV4开度由37%开至42%时，1X从34 μm突升至188 μm，2X从45 μm突升至139 μm；负荷310 MW时，CV1和CV2全开、强制CV4开度40%，CV3从18%开至26%时，1X从35 μm突升至184 μm，2X从49 μm突升至158 μm，如图1所示。

图1 调门开度与振动试验曲线

几次振动突变均发生在机组带高负荷且高压调门动作时，与启动初期的低负荷振动现象不同的是高负荷发生的振动上升快，持续时间在1 min左右。

2 高负荷振动原因分析

机组带高负荷时1X和2X振动出现突升，振动上升快，持续时间在1 min左右，并且与调门开度有关。从振动突变前后幅频看，轴承1X振动一倍频幅值基本不变，而30 Hz（0.6倍频）左右的分量由6 μm突升至179 μm，导致振动突升，1X轴承振动频幅见图2。机组振动故障发生时有以下特征：

（1）机组带高负荷（负荷超过280 MW）时，某一瞬间振动会出现突增，减负荷后振动可恢复，有较好的重复性；振动突变有门槛负荷。

（2）振动与调门开度关系密切，低频分量的出现与高调门开度有明确关联，当CV3和CV4开度达到一定幅度时，低频分量会突然出现，速关该调门，低频分量瞬间消失。

图2 1X振动幅值分析

从以上现象和特征判断：1X和2X振动突升是由汽流激振引起的。

因叶片顶部间隙的周向不均匀，在转子上会引起不平衡扭矩。由不平衡扭矩作用在转子上产生的蒸汽涡动转动和静止部件不同心，导致产生叶片顶部间隙内汽流的周向流动。由汽封内部静压的周向变化引起的蒸汽涡动，汽封间隙沿圆周向的变化将导致汽封内部静压的变化。这等同于许多个气体轴承，这些气体轴承产生的交叉刚度积累到一定程度将导致轴系的失稳，从而产生汽流激振。

3 消除汽流激振的措施

对于汽流激振的处理主要从两方面着手：减小汽流激振力和提高转子-轴承系统的稳定性。提高轴承的稳定性是现场处理的主要手段，本着先易后难的原则，通过运行在线参数调整、轴承比压调整、优化油路等手段来抑制汽流激振。

3.1 阀序优化调整

在高负荷段，1X，2X轴振与CV3，CV4开启顺序有关，当CV3强制全关，CV4开至48%时，1X，2X轴振突增（从50 μm至188 μm）；当CV4开度最大限制为40%，CV3高调开至26%时，1X，2X轴振又突增（从50 μm至195 μm）。

针对这一现象，对4个调门做阀序调整试验，在单阀方式下，机组负荷250 MW，CV1—CV4开度在40%以上，1X和2X有失稳趋势，在单阀方式下继续增加负荷不可行。

在多阀方式下，进行多种阀序调整：

（1）尝试3-1-4-2，即CV3全开，CV1和CV4同时开启，CV2最后开启，开启过程中1X和2X有失稳趋势。

（2）尝试2-1-4-3，重叠度65%，CV4开度35%以上时，振动有失稳趋势，后将CV4开度限制30%，机组能带到310 MW负荷。

（3）将CV1和CV4开启顺序互换，即2-4-1-3，CV4开度40%时，1X和2X有失稳趋势。

经过以上调整，认为最理想阀序是2-1-4-3，CV1和CV2全开，CV4开度限制30%，CV3强制关闭，负荷能带到310 MW。

3.2 润滑油温度压力调整

改变润滑油温度和压力，将润滑油压力从0.17 MPa提升到0.22 MPa，润滑油温从41℃变到49℃，1X和2X轴振基本无改善。

3.3 轴承优化

3.3.1 增加轴瓦比压

针对现场运行状态及特点，采取了增大1号、2号轴承比压的方法：在原设计基础上，1号轴承的宽度单边减小15 mm，2号轴承宽度单边减小10 mm，具体尺寸变化见表1。

表1 1号、2号轴承缩短长径比

增加轴承比压后，机组启机带负荷过程中，280 MW以下时，轴系各瓦振动达优，但随着负荷增加，1号、2号轴振在短时间内剧增，1号轴振不时会达到跳机值，机组仍不能带上满负荷安全运行。

3.3.2 抬高轴承标高的可行性

根据轴承轴系结构，计算分别抬高各轴承对载荷的影响，结果见表2，轴承的标高变化对1号轴承载荷的影响较小，因此通过抬高轴承标高来提升1号轴承稳定性的可行性不现实。

表2 增加轴承标高对载荷的影响

3.3.3 轴承油路优化

原设计轴承上瓦开有1/2轴承宽度的油槽，槽深1.6 mm，其作用是：在轴承动特性满足要求的前提下，改善轴承的静特性，如可降低瓦温、减少功耗等。而机组增容后，在280 MW负荷以上时，1号、2号轴振剧增且低频分量大，说明在高负荷下轴承的稳定性余度不够，在增加轴承压比和抬高1号轴承标高都无法抑制振动时，将上瓦的油槽封堵，增加上瓦的抑制力，让转子中心下浮，以增加轴承的稳定性。

上瓦油槽封堵后，轴承的进油需要从轴承两侧同时进油，对现有管路进行改装，将原排油孔改为进油孔，按流量分配定进油孔径的大小，并保证润滑油进油通道的流速不大于2 m/s。

原轴承结构在靠箱内侧无挡油环，为增强稳定性，加装该侧挡油环，可增大轴承阻尼，进一步提高轴承稳定性。

改造完成后，1号、2号轴承按解体前间隙数据进行复装。处理后启动机组成功带满负荷，振动无异常并在优良范围，机组振动得到有效控制。在机组满负荷试验时，1号轴承振动值为52 μm，2号轴承振动值为55 μm。

4 结论

（1）经过4个调门进汽阀序优化调整、1号和2号轴承比压调整、油路优化改造后，1号、2号轴承振动问题得到了明显改善，机组在满负荷运行时，轴承振动值稳定在40～60 μm。

（2）1号和2号轴承改造后，轴承金属温度、润滑油温度、轴向位移等参数稳定，整个轴系运行正常。

（3）机组投入AGC运行后，在负荷快速、频繁的变化中，轴承振动仍保持稳定。

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（本文编辑：徐 晗）

Analysis and Treatment on Vibration Fault after Throughflow Retrofit of 300 MW Steam Turbine

LI Xiaohui，GE Jingjing
（Zhejiang Energy Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China）

After throughflow capacity increase of high and medium pressure cylinder of a 300 MW steam turbine，the vibration of#1 and#2 bearings sharply increase in high load，which is analyzed caused by steam exciting force.By valve sequence optimization and adjustment of four dampers，specific pressure improvement of bearing bush and oil circuit reconstruction of bearings，the vibration is effectively mitigated and can adapt to AGC operation of units.

steam turbine；steam exciting force；valve sequence optimization；specific bearing bush pressure；oil circuit reconstruction

TK268+1.1

B

1007-1881（2016）06-0049-04

2016-03-28

李晓晖（1978），男，工程师，主要从事发电厂生产技术管理工作。