某350MW机组给水泵汽轮机振动分析与处理

国家能源集团乐东发电有限公司 厉 克 郑 超 陆明志 王得任

给水泵是火力发电厂的重要辅机，其高效安全运行直接关系到火电机组的经济性。目前300MW以上容量大型火电机组普遍采用小汽轮机驱动给水泵、即汽动给水泵，该类型汽轮机具有体积小、重量轻、刚度小且运行工况多变的特点，由于不同工况下转速和流量变化较大，常常由于受热不均导致膨胀受限，从而在某一工况下引发较大的振动[1]。此外，由于给水泵汽轮机与给水泵同步运行，汽轮机也会受给水泵的影响，导致给其振动增加[2]。

1 运行振动的危害与故障分析

1.1 振动危害分析

机组的热经济性降低。汽轮机的汽封间隙量与机组热经济性之间为直接关联关系，振动过大会导致给水泵汽轮机汽封间隙变大，造成机组热经济性降低[1]；造成给水泵汽轮机动静部分和支撑部件损坏。在机组异常振动情况下，给水泵汽轮机的动静部分发生摩擦会造成端部轴封的磨损。此外，振动过大会造成叶片、叶轮和密封瓦等部件出现疲劳，导致轴瓦乌金龟裂。

造成给水泵汽轮机的连接部件松动。当给水泵汽轮机发生异常振动时，会引发轴承、主油泵和涡轮等重要部件发生共振现象，造成连接螺栓的松动、地脚螺栓的断裂，最终发电机组产生故障，严重时造成经济损失及安全危害；引起设备事故。给水泵汽轮机振动过大会引起调速系统的不稳定，进而发生调速系统事故，甚至可能危急遮断器，导致其操作失误，造成设备事故停机。

1.2 汽轮机振动的一般故障分析

动静碰摩：给水泵汽轮机的动静部分局部碰摩特征。若为轻微碰摩则汽轮机振幅不变，若严重碰摩则振幅减小。动静部分的摩擦，谐波分量也出现增加现象。碰摩造成汽轮机的不平衡质量点位置不断变化，使得相位也发生变化；动静整周的碰摩特征。造成转子横向振动频率变高，轴颈中心向轴承内部的间隙圆中心偏移，一倍频最大振幅为摩擦点截面间隙圆。造成动静部位碰摩的原因主要有三个：在设计或安装过程中动静间隙过小；转子振幅过大；轴系不对中，引起转子偏斜，发生碰摩。

质量不平衡：转子热弯曲变形。汽轮机转子发生热弯曲形变后转速降低，当转速降低至临界值时再启动就会造成更大振幅，从而出现汽轮机大幅振动。通过研究转子在不同状态下的波特图，能够帮助判断是否发生热弯曲形变。此外，转子材料的热应力、误操作造成气缸进水等原因也会导致转子发生热弯曲；转子原始性的不平衡。此种情况是转子在加工或检修过程中遗留下来的、为“出生问题”，在转子转动前就存在，其转动特征是转子的振幅和相位受其他运行参数影响较小，振动特征较稳定[2]；转子零部件的松动、脱落。给水泵汽轮机转子可能发生脱落、松动的零部件有平衡质量块、叶片和护环等。当零部件发生飞脱时振幅呈突发性的变动，迅速增大到某一固定值，此外当机组带负荷时较易发生这类故障。

2 问题描述与解决措施

2.1 系统简介

某电厂安装有两台350MW超临界机组，每台机组配置1套100%BMCR容量的汽动给水泵组，两台机组共用一台30%BMCR容量的定速电动启动给水泵。汽动给水泵正常运行，电动给水泵作启机、停机用。汽动给水泵设置一台同轴的前置泵，汽泵前置泵由给水泵汽轮机（小汽机）通过减速箱驱动，变比为3.897：1。小汽机采用杭州汽轮机股份有限公司生产的单缸、单流、反动式、纯凝汽式汽轮机，额定功率11384kW、额定转速5580rpm，调速范围3000～5800rpm。该汽机有两个汽源，正常工作汽源来自主机四段抽汽，备用汽源采用辅助蒸汽。

给水泵为CHTD6/6型整体式芯包多级离心泵，采用机械密封，小汽机轴封蒸汽来自密封水、冷却水为闭式水。小汽机疏水放至凝汽器疏水扩容器集管，小汽机排汽直接排入主机凝汽器。小汽机设有独立供油系统，供小机本体轴承润滑和给水泵轴承润滑用油及小汽机保安用油，控制系统为电液控制系统（MEH）。

2.2 问题描述

该电厂2号机组于2015年10月投产，机组负荷额定350MW、额定主汽压力24.2MPa、主汽温度563.8℃，磨煤机A/B/C/D/E磨运行，2号机厂用电由2号高厂变带，CCS协调控制方式，RB投入、一次调频投入、AGC方式运行。

2019年7月19日17:51:13，2号机组负荷350MW稳定运行，小机转速5649转/分钟，前轴振动X向在38秒内由38.8μm突升至198.8μm，小机前轴振动Y向在38秒内由42.4μm突升至185.9μm；小机后轴振动X向在38秒内由35.7μm突升至103.6μm，小机后轴振动Y向在38秒内由38.9μm突升至178.9μm，触发小机振动大保护条件，17:51:50小机跳闸，发“锅炉给水全停”信号，锅炉“MFT”，2号机组跳闸。事故发生前机组已带350MW负荷稳定运行7小时52分钟。

2.3 振动原因分析及处理措施

从小汽机振动趋势图来看，在短短38秒内各测点的振动幅值增加了3倍以上。单考虑振动因素的话，可能的主要原因有轴承油膜失稳、旋转质量脱落和动静碰磨等。查阅7月19日12:00～17:53的DCS相关参数历史数据，事生前5小时的工况：机组负荷349MW，小机进汽压力0.91MPa温度360℃、小机轴封压力10.07kPa，小机进汽温度和轴封温度未发生大幅变化。发生振动时的小汽轮机润滑油压力、温度、瓦温也没有异常变化。

从分析可知，引起本次突发振动的原因是动静碰磨导致。引起动静摩擦的因素很多，通过系统运行情况分析，小机振动突增前进汽温度均未出现大幅波动现象。小机进汽管道上、下壁温未发生大幅变化。检查定期疏水均动作正常，就地疏水温度正常，就地确认疏水阀开启正常。因此可排除小汽轮机进冷气冷水的可能。但考虑到小机进汽门前主管路上有一个疏水袋，疏水管路上安装有气动疏水门，此门在运行时长期关闭，导致疏水管理及疏水袋积水，在系统参数变化时易造成进汽中带水或湿蒸汽。

进而查阅机组历史台账记录，发现从2016年4月11日到2019年7月19日已出现几次小机跳闸导致跳机，通过事发前各参数趋势看，其故障情况基本相似。对比几次小机振动大跳闸时的小机转速变化，每次发生跳机时小汽轮机转速呈逐步升高的现象，符合轴封动静间隙小引起碰磨的特征。此外，现场检查时发现小机后轴承左侧（从机头方向看）轴封处有大量蒸汽漏出，直接在轴承箱和滑销系统上加热（或冷却），也可能造成膨胀不均衡。

8月21日大修解体后发现，前轴封处、平衡活塞以及隔板汽封处有脱落及摩擦的现象，前端汽封处左右两侧间隙偏差较大，左侧0.30mm左右、右侧1.4mm左右，说明缸偏向右侧约0.5mm左右。推力瓦内油档间隙左侧已完全没有间隙。油档与轴颈有摩擦痕迹。转子有严重锈蚀迹象，验证了诊断结论。

针对上述情况提出以下处理措施：利用这次检修及转子返厂检修的机会应全部更换磨损汽封、在小机厂更换汽封片。重新调整汽封上、下间隙，正确调整润滑油回油管膨胀节，并对转子叶片在做好手工除锈。在大修期间实施该措施后，完成机组安装工作，启动后该设备一直正常工作。

综上，给水泵汽轮机具有体积小、重量轻、刚度小的特点，其运行工况复杂多变，引起其振动大的原因一般比较复杂，在进行振动分析时不能仅依靠振动图谱就做出决定，在进行根原因分析时，更是要结合故障前后的关键运行参数、且要在现场进行充分检查，有条件的话，还要参考以前的故障维修台账等数据后才能给出全部原因。