350 MW超临界汽轮机高中压转子永久弯曲的故障治理

明 亮，陈瑞山，张 伟

（国家能源集团科学技术研究院有限公司，山西太原030006）

0 引言

汽轮发电机组是火力发电厂的核心设备，它的安全稳定运行至关重要。振动水平是衡量机组安全可靠性最重要的指标，汽轮机转子在高温高压的蒸汽环境中高速运转，不可避免地会出现振动，振动过大时会导致设备部件的疲劳损坏，甚至使转动部件松动、断裂或飞脱，一些重大的毁机事故直接或间接地与振动有关。在汽轮发电机组的各种振动故障中，不平衡引起的振动占70%以上，还有部分故障也可以通过平衡的手段使振动得到改善。因此，现场动平衡是消除高中压转子振动的主要手段[1-2]。为此，本文以上海汽轮机厂生产的型号C350-24.2/0.4/566/566350超临界空冷、单轴、双缸双排汽、凝汽式汽轮机为例，分析机组振动的原因[3]，并重点介绍如何对高中压转子进行配重，使机组的瓦振动值达到合理。

1 机组概况

某厂2号机组汽轮机是上海汽轮机厂生产的型号为C350-24.2/0.4/566/566350的超临界空冷、单轴、双缸双排汽、凝汽式汽轮机，配套QFSN-350-2型水氢冷汽轮发电机。该机组于2014年投产，2018年进行了B级检修，2020年进行了A级检修。2号汽轮发电机组轴系由高中压转子（HPIP）、低压转子（LP）、发电机转子（GEN）共同组成，各转子均为双支撑结构。该机组轴系结构如图1所示。

图1 机组轴系结构示意图

2 振动情况

从2014年至2020年，2号机组高中压转子通过一阶临界转速的振动值逐年增大，期间在现场进行了5次动平衡。其中，2014年、2015年、2017年3次现场动平衡是因高中压转子通过一阶临界转速时振动大；第4次现场动平衡是因2018年B修时发现高中压转子过桥汽封处弯曲260 μm，返厂车削转子启动后工作转速振动大；第5次现场动平衡是因2020年A修时发现高中压转子过桥汽封处弯曲220 μm，返厂车削转子启动后工作转速振动大。表1为2014年—2017年2号机组启动通过临界转速时1X、1Y、2X、2Y方向轴振动数据；表2为2次车削转子启动后工作转速下振动数据。

表1 过临界振动数据（基频）

表2 工作转速下振动数据（基频）

3 振动特征及分析

3.1 振动特征

a）在历次启机过程中，高中压转子通过一阶临界转速时1X、1Y、2X、2Y方向轴振动多次出现振动偏大的情况，且在进行动平衡处理后过一段时间再次出现，表明1瓦、2瓦的振动是不断增大的，在2017年4月17日开机过程中，1X测点通过临界转速时的最大振动峰值达到了252 μm。

b）在升速通过高中压转子一阶临界区时，从1X、1Y、2X、2Y方向轴振动频谱来看，振动成分以基频分量为主，从相位关系上看，1瓦、2瓦振动相位为同向，且每次振动的相位基本一致，说明高中压转子存在典型的一阶质量不平衡，且每次振动恶化的方向基本一致。以上这些特征表明高中压转子发生了渐变式永久性弯曲，从而造成该转子平衡状态的不断恶化，过临界振动不断增大[4-7]。

c）在工作转速下，从1X、1Y、2X、2Y方向轴振动频谱来看，振动成分以基频分量为主，从相位关系上看，相位为反向，振动特征在各种运行工况基本保持不变，各测点振动较稳定，说明高中压转子存在典型的二阶质量不平衡。

3.2 振动分析

造成转子在运行中弯曲的原因很多，近年来多个电厂的国产300 MW和600 MW机组高中压转子在运行中发生了永久弯曲的情况，而且大部分机组表现为1～2 a正式运行后在启停过程中过临界振动持续恶化，主要原因有以下几方面：一是高中压转子的毛坯在锻造中存在较大的残余应力，在机加工前处理不当，残余应力在安装完毕投入运行后逐渐释放，导致转子出现永久性弯曲，而在机组长时间运行后，弯曲量会越来越大，在运行中表现为启停机过临界时振动值不断变大。二是高中压转子中部工作温度高。三是部分机组初期启动时高压缸进汽量很小，切阀后高缸进汽量大增且温度迅速上升。四是合缸高中压转子临界转速在1 500～1 700 r/min，二阶临界转速在4 000 r/min以上，因工作转速处于一阶、二阶临界转速间，一阶、二阶振型不平衡对工作转速下的振动会有影响。五是转子质量较小，容易被蒸汽静态力浮起，并被不均衡密闭流体力扰动，同时轴承比压较小，易发生油膜油压波动。六是变负荷通过70%负荷附近时，轴封供汽发生辅联供汽与自密封供汽的切换，轴封供汽有一定的波动。七是随着节能减排要求的提高，高中压缸内间隙越来越小，更易发生动静碰摩。

通常对于汽轮机转子永久性弯曲的处理方法有2种，一种是检修时在现场或返厂通过给转子施加载荷进行直轴，另一种是返制造厂在机床上对弯曲部分进行车削。对一阶不平衡进行针对性处理后，在工作转速下还可能出现二阶不平衡的问题，此时需再进行针对性的处理。

4 故障处理

2号机组过临界时振动大的主要原因是高中压转子发生了渐变式永久性弯曲，产生了较大的一阶不平衡质量。因此，2014年—2017年都在现场对高中压转子进行配重以减弱弯曲对振动的影响。表3为2014年—2017年的配重记录，表4为现场动平衡后的振动数据。

表3 2014年—2017年配重记录

从表4可以看出，经过在1、2瓦侧和平衡活塞处（转子中部）配重孔加平衡螺钉后，2号机组在通过临界转速区过程中1X、1Y、2X、2Y轴振动均在100 μm以下，振动状况都得到明显改善。

表4 平衡后机组振动数据（通频）μm

在2018年B修和2020年A修中都对汽轮机高中压转子返制造厂进行了车削处理，检修结束启动后在工作转速下存在1X、1Y轴振动偏大的问题，为此对高中压转子进行了现场动平衡。表5为高中压转子现场配重记录，表6为现场动平衡后1X、1Y、2X、2Y轴振动数据。

表5 2018年和2020年配重记录

表6 机组动平衡后工作转速下振动数据（通频）μm

从表6可以看出，动平衡后，在工作转速下1瓦、2瓦的振动状况得到明显改善，振动值达到合理水平。

5 结论

a）2号机组振动异常的主要原因是高中压转子发生了渐变式的永久性弯曲，产生了较大的一、二阶质量不平衡所致。

b）转子永久性弯曲与质量不平衡的振动特征相似，均会产生工频的激振力，在现场不能对转子进行处理的情况下，动平衡是解决振动问题的有效措施。

c）经过在高中压转子两侧和中部的配重孔加平衡螺钉后，2号机组在过临界、工作转速下的各瓦振动值均达到了良好的水平。