4#干熄焦汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障分析及對策

張 芳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉焦總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼煤焦總廠4#C18-3.43/1.27型抽凝式干熄焦汽輪發(fā)電機(jī)組是南汽2007年出廠產(chǎn)品，配套的發(fā)電機(jī)型號為QFW-18-2 10.5 kV，配交流無刷勵(lì)磁機(jī)，軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別由 1#、2#和3#、4#軸承支撐，勵(lì)磁機(jī)為懸臂結(jié)構(gòu)。

圖1 4#機(jī)軸系結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)組自2007年10月投運(yùn)以來就存在振動偏大的情況，尤其是在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動嚴(yán)重超標(biāo)。經(jīng)過2次機(jī)組揭缸大修、2次汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠做高速動平衡、1次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子送上海昂電做高速動平衡及4次現(xiàn)場高速動平衡，故障依舊?，F(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)一瓦水平軸振高達(dá)208 μm，過臨界 3#瓦振高達(dá)213 μm,嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

1 故障情況

通過對4#機(jī)運(yùn)行、檢修及動平衡調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為該機(jī)組已于2017年11月份完成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺高速動平衡及整個(gè)汽發(fā)軸系現(xiàn)場動平衡工作，采用軸系動平衡的策略未能有效降低機(jī)組振動值。若想治理4#機(jī)振動問題，只能從其他方面查找原因，制定整改策略。

2011年9月4#機(jī)委托給制造廠專業(yè)檢修隊(duì)伍進(jìn)行第一次揭缸大修，大修前后振動變化如表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，此次大修后除1#水平軸振和停機(jī)時(shí)3#瓦過臨界振動超標(biāo)外，其余數(shù)值均在合格范圍,這次檢修起到了一定振動故障消缺作用，但1#水平軸振和停機(jī)過臨界振動超標(biāo)的問題沒能消除。

2017年10月4#機(jī)委托給本廠檢修隊(duì)伍進(jìn)行第二次揭缸大修，大修前后振動變化如表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，此次大修改變了對中和軸瓦載荷分配情況，3#瓦過臨界振動明顯增加。

4#機(jī)日常運(yùn)行時(shí)1#水平軸振由大修前的165 μm升高到大修后的208 μm。

3 問題分析

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)4#機(jī)存在以下一些缺陷：

表1 4#機(jī)第一次大修前后振動變化情況簡明統(tǒng)計(jì)表 μm

表2 4#機(jī)第二次大修前后振動變化情況簡明統(tǒng)計(jì)表 μm

(1)凝汽器垂直方向的硬支撐（集水井出水管等）限制了凝汽器向下膨脹，造成凝汽器的熱位移是向上的，導(dǎo)致機(jī)組開起來以后凝汽器把汽缸頂懸空，汽機(jī)后座架內(nèi)側(cè)是空的，分別測量汽機(jī)后缸四個(gè)地腳螺栓處后座架內(nèi)側(cè)間隙為（面對機(jī)頭—逆時(shí)針方向）：0.20 mm/0 mm/0.3 mm/0.35 mm。

(2)凝汽器四組地腳彈簧標(biāo)高值偏差大。測量數(shù)據(jù)如下（面對機(jī)頭—逆時(shí)針方向）：380 mm/375 mm/385 mm/390 mm。墊鐵底座隨意放在幾塊鋼板拼接的支座上，沒有二次灌漿，反映彈簧組安裝過程較為粗糙（見圖2），在安裝中存在工序錯(cuò)誤和調(diào)整不當(dāng)，這直接影響凝汽器的支撐剛度及不同工況下的自由位移量。

圖2 凝汽器地腳彈簧現(xiàn)場實(shí)物圖

(3)凝汽器進(jìn)出水管垂直段設(shè)有波紋膨脹節(jié)，有個(gè)別波紋膨脹節(jié)的導(dǎo)向桿的定位螺栓未松扣（見圖3），造成凝汽器出水管膨脹節(jié)被螺栓鎖死。

圖3 凝汽器進(jìn)出水管波紋膨脹節(jié)現(xiàn)場實(shí)物圖

(4)后汽缸導(dǎo)板處的間隙時(shí)有時(shí)無，（現(xiàn)場測量前臺板無間隙，后臺板0.30 mm），反映出后汽缸在運(yùn)行中處于上下浮動狀態(tài)。

上述第(1)至第(4)項(xiàng)，反映出凝汽器垂直方向膨脹不合理，熱態(tài)時(shí)的熱位移方向不是向下，而是向上，機(jī)組的支撐剛度受到較大影響，使得汽輪機(jī)后缸落實(shí)情況不良，軸系2#、3#瓦的標(biāo)高始終處于動態(tài)變化狀態(tài);在冷熱態(tài)變化時(shí)，影響汽輪機(jī)中心對中、軸瓦支撐剛度和軸系轉(zhuǎn)子徑向間隙，致使機(jī)組非常敏感，細(xì)微的工況變化，就會誘發(fā)振動大幅升降。

(5)查閱安裝圖紙，在電站地溝內(nèi)的進(jìn)出凝汽器的循環(huán)水總管設(shè)有管托式的滑動支架；現(xiàn)場勘查可知，該滑動支架被漏裝了。這反映出循環(huán)水管的支撐沒有嚴(yán)格按圖紙施工，因循環(huán)水管道沒能有效的固定和支撐，誘發(fā)了機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的共振現(xiàn)象。

(6)凝汽器出水管與地坑內(nèi)的凝結(jié)水泵采用剛性聯(lián)接，且距離只有2 m,沒有考慮不同工況下的位移量。這種連接方式會使機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間，將凝結(jié)水泵和凝結(jié)水管的振動作用放大，使機(jī)組表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速的振動值進(jìn)一步升高。

(7)前汽缸貓爪處有鐵皮露出，說明汽缸水平調(diào)整有問題。

上述現(xiàn)象反映出4號機(jī)在轉(zhuǎn)子揚(yáng)度、軸系對中、找正或軸瓦組裝等方面存在有待進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整的地方。汽輪發(fā)電機(jī)組這種高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如找正和水平度達(dá)不到規(guī)范要求，振動會增大，嚴(yán)重的就會超標(biāo)。

(8)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，軸封汽不能自封，新蒸汽不能撤出；新蒸汽源接自廠區(qū)管網(wǎng)，存在汽壓和汽溫偶爾波動超標(biāo)現(xiàn)象；且缺少汽溫調(diào)節(jié)手段，難以與機(jī)組啟停狀態(tài)靈活匹配。

上述第(8)項(xiàng)，反映出后汽封處的溫度受廠區(qū)管網(wǎng)溫度的影響，廠區(qū)管網(wǎng)溫度時(shí)常波動大。比如2014年12月5日廠區(qū)管網(wǎng)溫度波動幅值約80℃，后汽封處的溫度波動幅值約60℃，直接誘發(fā)4#機(jī)各瓦振動迅速增大，機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行。

(9)機(jī)組停止時(shí)，真空破壞時(shí)間與轉(zhuǎn)速匹配欠妥，停機(jī)過臨界時(shí)沒有破壞真空，臨界區(qū)轉(zhuǎn)速下降沒有開機(jī)時(shí)過臨界轉(zhuǎn)速增加快，造成停機(jī)時(shí)臨界區(qū)停留時(shí)間偏長,停機(jī)過臨界振動大于開機(jī)過臨界振動。

上述第(9)項(xiàng)，反映出崗位職工因4#機(jī)過臨界振動大，已產(chǎn)生畏懼心理，停機(jī)時(shí)過臨界前因擔(dān)心操作不當(dāng)引發(fā)故障而不敢適時(shí)調(diào)整真空門，而是等4#機(jī)轉(zhuǎn)速下降至500轉(zhuǎn)時(shí)才開始破壞真空門，可見4#機(jī)的過臨界振動超標(biāo)問題已經(jīng)嚴(yán)重危及到設(shè)備安全運(yùn)行，急需整改治理。

4 整改方案

4.1 調(diào)整凝汽器的外接管道的膨脹與支撐方式

同時(shí)重新按規(guī)范要求對4#機(jī)進(jìn)行一次現(xiàn)場裝配，消除膨脹受阻、支撐不良、軸系對中和軸封汽不能自封問題。包括但不限于以下內(nèi)容：

(2)立即將凝汽器進(jìn)出循環(huán)水管膨脹節(jié)導(dǎo)向桿的定位螺栓去除或松開，保持膨脹節(jié)伸縮自如；同時(shí)在循環(huán)水管上架表讀數(shù)，查看工況變化時(shí)垂直方向有無讀數(shù)變化，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比分析。按設(shè)計(jì)圖紙，恢復(fù)電站地溝內(nèi)的進(jìn)出凝汽器的循環(huán)水總管的滑動支架，保證循環(huán)水管的支撐有效。

(3)去除凝汽器水箱下部妨礙垂直膨脹的固定點(diǎn)，將凝結(jié)水管的剛性支撐改為彈簧支撐，確保凝結(jié)水管不影響凝汽器的自由膨脹。在凝結(jié)水泵入口前的凝結(jié)水總管上加裝波紋膨脹節(jié)，降低凝結(jié)水泵的振動對機(jī)組過臨界共振的推波助瀾。

(4)查看進(jìn)汽管、本體疏水管、抽空氣管、與機(jī)組相連的油管道安裝圖紙，檢查機(jī)組本體熱膨脹是否受約束，如有約束，一律去除。

(5)檢查均壓箱和軸封汽管道閥門，排除堵塞點(diǎn)，解決軸封汽不能自封問題。

(6)查看汽缸安裝圖紙，檢查確認(rèn)機(jī)組墊鐵組安裝符合圖紙要求，重新澆灌二次灌漿層，保證灌漿料填實(shí)和每塊墊鐵大于70%的接觸面；按規(guī)范重新組裝4#機(jī)，消除膨脹受阻、支撐不良、軸系對中、機(jī)組過臨界振動大和日常運(yùn)行軸振超標(biāo)問題。

4.2 在重新裝配4#機(jī)的同時(shí)，改造機(jī)組通流部分

改造理由是：

(1)4#機(jī)組為干熄焦余熱發(fā)電機(jī)組，受上道工序波動影響，時(shí)有主蒸汽溫度壓力波動超標(biāo)現(xiàn)象，該機(jī)組曾經(jīng)出現(xiàn)過水沖擊事故，轉(zhuǎn)子經(jīng)受的熱應(yīng)力變化大于普通汽機(jī)轉(zhuǎn)子。

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(2)軸封汽不能自封，軸封新蒸汽不能撤出；已多次發(fā)生因新蒸汽溫度驟降引發(fā)機(jī)組劇烈振動被迫停機(jī)或減負(fù)荷運(yùn)行事件，軸封汽溫度波動超標(biāo)使得轉(zhuǎn)軸的熱應(yīng)力變化超標(biāo)。

(3)自投產(chǎn)以來，4#機(jī)組已經(jīng)經(jīng)歷100次開停機(jī)，頻繁的開停機(jī)影響轉(zhuǎn)子的使用壽命。

(4)正常運(yùn)行時(shí)一瓦水平軸振高達(dá)208 μm

(5)2017年11月份的大修時(shí)，測得汽機(jī)轉(zhuǎn)子的最大彎曲度為0.13 mm，已經(jīng)超標(biāo)。

上述幾項(xiàng)都會影響轉(zhuǎn)子的狀態(tài)和壽命，4#機(jī)雖經(jīng)歷兩次大修，但都因?yàn)樯a(chǎn)任務(wù)緊，檢修時(shí)間不足，沒有機(jī)會安排對大軸全面檢查。汽機(jī)轉(zhuǎn)軸在長期的負(fù)荷波動中是否已經(jīng)存在彎曲變形，只能等全面檢測后才能下定論；但檢測耗時(shí)多，停機(jī)20天的損失就足以買回一個(gè)新轉(zhuǎn)子，（停機(jī)20天的損失:20d×24h/d×63t放散汽/h×150元/t汽=453.6萬元）。與其耗時(shí)檢測，不如直接進(jìn)行通流部分改造，以縮短停產(chǎn)時(shí)間。

(6)2017年的10月份大修中發(fā)現(xiàn)末級葉片有一截?cái)嗟簦昂笃鈬?yán)重?fù)p壞，小軸頭損壞；同類型的5號機(jī)也曾出現(xiàn)末級葉片損壞的情況，不能排除該類型轉(zhuǎn)子自身設(shè)計(jì)存在瑕疵。通過改造，可以改善末級葉片的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)，消除末級葉片斷裂隱患。

（7）該機(jī)組原設(shè)計(jì)為抽汽凝汽式，后因廠區(qū)低壓汽源富余，4#機(jī)無需抽汽共熱，于2011年大修時(shí)拆除旋轉(zhuǎn)隔板改為純凝工況運(yùn)行；現(xiàn)在的運(yùn)行工況偏離機(jī)組最佳設(shè)計(jì)工況；改為冷凝式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，可降低機(jī)組汽耗量，提高發(fā)電效率。

鑒于上述因素，建議對該機(jī)組進(jìn)行整體通流置換，將抽凝式汽輪機(jī)改造為冷凝式汽輪機(jī)，既解決汽機(jī)轉(zhuǎn)子的隱患，改變結(jié)構(gòu)固有振動頻率，降低臨界區(qū)的振動幅值，又可在相同的進(jìn)汽情況下，增加發(fā)電量。通流改造后汽輪機(jī)熱平衡圖見圖4，技術(shù)比較見表3。

圖4 通流改造后汽輪機(jī)熱平衡圖

表3 機(jī)組改造前后技術(shù)指標(biāo)比較

在相同功率情況下，通流改造以后汽輪機(jī)的進(jìn)汽量減少 10.8 t/h，按該廠現(xiàn)有成本核算價(jià)格（每噸蒸汽150元）計(jì)算，每天帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益為：10.8t/h×24h×150元/t=38880元。整個(gè)改造工程的費(fèi)用約需425萬，4個(gè)月之內(nèi)即可收回投資，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

4.3 其他

（1）輔助高壓潤滑油泵工作壓力為0.81～0.84 MPa，主油泵出口壓力為1.36 MPa，機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)2800轉(zhuǎn)以上時(shí)，主油泵才開始工作。機(jī)組啟停過臨界時(shí)，由于轉(zhuǎn)速未達(dá)2800轉(zhuǎn)，主油泵不工作，輔助高壓潤滑油泵工作壓力低于主機(jī)油泵壓力，軸瓦存在油膜剛度不足現(xiàn)象。為增加油膜剛度，建議對輔助油泵進(jìn)行換型，選用高揚(yáng)程泵型，提高停機(jī)時(shí)的輔助油壓，與運(yùn)行狀態(tài)下接近為好。

（2）跟蹤統(tǒng)計(jì)開停機(jī)操作細(xì)節(jié)與振動變化，優(yōu)化開停機(jī)操作模式。在停機(jī)降速即將進(jìn)入臨界區(qū)之際，適當(dāng)降低真空，提高機(jī)組轉(zhuǎn)速的下降速率，快速通過臨界區(qū)。

（3）積極做好設(shè)備隱患消缺準(zhǔn)備，可按先易后難的順序逐步實(shí)施。如汽水管的膨脹和支撐問題，可首先實(shí)施。

（4）繼續(xù)做好機(jī)組啟、停狀態(tài)下以及變負(fù)荷（10%～100%）的測振工作，為改造性大修提供評價(jià)依據(jù)。

5 結(jié)束語

(1)引起汽輪機(jī)振動增加的因素很多，降低激振力可以有效應(yīng)對旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動問題，因此對4#機(jī)首先采取了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺高速動平衡和現(xiàn)場動平衡策略；但通過平衡，4#機(jī)的振動故障并未得到很明顯的改善，說明4#機(jī)的振動故障屬于復(fù)雜的綜合性振動問題，僅憑借改善軸系平衡已無法解決問題。

(2)經(jīng)過十多年的連續(xù)運(yùn)行、二次揭缸大修和四次平衡都不能使問題得到解決，現(xiàn)實(shí)工作中檢修成本和生產(chǎn)效益兩方面的壓力，不可能像做理論研究那樣對引起振動增大的各方因素一個(gè)一個(gè)逐步排查確認(rèn)，只能按照安全可控、耗時(shí)最短、損失最小原則，選擇重新組裝4#機(jī)，同時(shí)進(jìn)行通流部分改造，徹底杜絕原始安裝遺留的隱蔽性錯(cuò)誤和機(jī)組本體管道布置方面影響機(jī)組自由膨脹和管道支撐的不利因素，以期盡快消除故障，提升發(fā)電效率。

(3)無論是基建工程的初期安裝還是后期設(shè)備維護(hù)檢修，都要嚴(yán)格按圖紙規(guī)范執(zhí)行，不得馬虎對待，特別是熱力設(shè)備的膨脹、密封與支撐，必需嚴(yán)格執(zhí)行三方簽字拍照確認(rèn)，以保證其準(zhǔn)確、規(guī)范、到位。