方 倪，王浩添，彭 穎

(1.浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州324000; 2.浙江省渦輪機(jī)械與推進(jìn)系統(tǒng)研究院，浙江 湖州313200)

0 引 言

汽輪機(jī)作為電廠三大主機(jī)之一，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是電廠經(jīng)濟(jì)效益的保障。汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組突然跳閘。而汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)原因較為復(fù)雜，很多因素均能導(dǎo)致其異常振動(dòng)，這也使得往往投入大量人力、物力卻未解決真正問(wèn)題，從而影響機(jī)組的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，所以準(zhǔn)確查找汽輪機(jī)組異常振動(dòng)的原因至關(guān)重要[1-2]。

2019年4月13日，某熱電廠10號(hào)機(jī)組檢修復(fù)役運(yùn)行約24 h后，發(fā)生跳機(jī)事故。汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)(Emergency trip system，簡(jiǎn)稱ETS系統(tǒng))首出信號(hào)為“軸承振動(dòng)大”。調(diào)取汽輪機(jī)軸承相對(duì)振動(dòng)曲線發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)幅值異常升高。機(jī)組停運(yùn)后進(jìn)行全面檢查，但并未真正找到主要振源。此后連續(xù)開車7次，機(jī)組運(yùn)行數(shù)10 h后，均因軸振大引起機(jī)組跳機(jī)事故。

2019年8月，電廠聘請(qǐng)專業(yè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開機(jī)、帶負(fù)荷及跳機(jī)過(guò)程的各軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)。試圖通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析，找出事故機(jī)組振動(dòng)原因，以采取相應(yīng)措施使機(jī)組振動(dòng)值維持在優(yōu)良水平，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 問(wèn)題分析

1.1 汽輪機(jī)性能概述

10號(hào)汽輪機(jī)型號(hào)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CB30-8.83/3.53/1.37型高溫、高壓、單缸、單抽、背壓式汽輪機(jī)，配以上海電機(jī)廠生產(chǎn)的QF-30-2型發(fā)電機(jī)。軸系由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、以及4個(gè)落地軸承組成，軸系簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 軸系示意圖

1.2 事故經(jīng)過(guò)及初步檢查

2019年4月6日，某熱電公司10號(hào)爐水冷壁管爆管，機(jī)爐緊急停運(yùn)，經(jīng)搶修結(jié)束后在4月13日機(jī)組復(fù)役。經(jīng)過(guò)約24 h運(yùn)行后，在4月14日14：42時(shí)因3號(hào)、4號(hào)軸承相對(duì)振動(dòng)幅值大而發(fā)生跳機(jī)。跳機(jī)前汽輪機(jī)3號(hào)、4號(hào)軸承相對(duì)振幅值(軸振)數(shù)據(jù)見表1，均在廠家要求的≯200 μm范圍。

表1 跳機(jī)前軸承相對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)Table 1 Relative vibration data of bearing before trip μm

跳機(jī)發(fā)生過(guò)程如下:

1)13:30值長(zhǎng)令10號(hào)機(jī)組減電負(fù)荷3 MW，控制鍋爐蒸發(fā)量在216 t/h運(yùn)行；

2)13:37接令進(jìn)行電動(dòng)給水泵與汽動(dòng)給水泵的切換操作；

3)14:42:14集控室外部傳來(lái)振動(dòng)聲，汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)(Emergency trip system，簡(jiǎn)稱ETS系統(tǒng))畫面首出信號(hào)“軸振大停機(jī)輸出”發(fā)出，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。

調(diào)取查看跳機(jī)時(shí)汽輪機(jī)8只正推力瓦塊溫度在60～72 ℃之間，負(fù)向推力瓦塊溫度在43～51 ℃之間，均未超過(guò)100 ℃上限要求，也無(wú)突然上升的趨勢(shì)。汽輪機(jī)各道軸承相對(duì)振動(dòng)幅值DCS數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化狀況如下：

1)1號(hào)軸承相對(duì)振動(dòng)幅值X方向振動(dòng)升至113 μm；

2)2號(hào)軸承X方向振動(dòng)升至144 μm；

3)3號(hào)軸承X方向振動(dòng)突然升至378.7 μm，Y方向振動(dòng)突然升至371.7 μm；

4)4號(hào)軸承X方向振動(dòng)突然升至313 μm，Y方向振動(dòng)突然升至258 μm。

為判斷跳機(jī)原因，10號(hào)機(jī)組進(jìn)行沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)。 17：24,汽輪機(jī)掛閘沖轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)溫度456 ℃，沖轉(zhuǎn)參數(shù)：主蒸汽壓力5.5 MPa、主蒸汽溫度507 ℃，沖轉(zhuǎn)時(shí)按照正常開機(jī)操作票運(yùn)行。19：08,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速到3 000 r/min，沖轉(zhuǎn)過(guò)程機(jī)組振動(dòng)均在正常范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常情況。為進(jìn)一步排查原因，19：13打閘停機(jī)，機(jī)組停運(yùn)進(jìn)入檢修狀態(tài)。

機(jī)務(wù)、電氣、儀控檢修人員檢查了主蒸汽、排汽等蒸汽管道的支吊架情況，未發(fā)現(xiàn)異常；拆開發(fā)電機(jī)靠汽輪機(jī)機(jī)側(cè)端蓋，檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上平衡塊是否松動(dòng)、跑位，未發(fā)現(xiàn)有異常。各專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢查后進(jìn)行沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速升至3 000 r/min，監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)軸承相對(duì)振動(dòng)，未出跳機(jī)時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象。

2019年4月17日至7月4日期間，10號(hào)機(jī)組共發(fā)生同一現(xiàn)象的振動(dòng)跳機(jī)事故4次。其中，6月16日、7月2日、7月4日機(jī)組并網(wǎng)后,分別運(yùn)行33 h、15 h、28.5 h后，出現(xiàn)機(jī)組3號(hào)、4號(hào)軸承相對(duì)振動(dòng)幅值爬升，并引發(fā)跳機(jī)。

該公司組織專業(yè)人員從汽輪機(jī)軸承、熱力管道系統(tǒng)、軸承基礎(chǔ)、發(fā)電機(jī)等多維度進(jìn)行分析，并達(dá)成初步意見：

1)汽缸膨脹不均勻?qū)е旅洸钸^(guò)大，引起機(jī)組振動(dòng)；

2)軸承間隙與緊力發(fā)生了變化；

3)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中心發(fā)生了改變；

4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲或受電磁力影響而引起激振力；

5)汽輪機(jī)油質(zhì)劣化導(dǎo)致油膜破壞；

6)滑銷系統(tǒng)銹蝕、臟污，間隙改變。

針對(duì)分析機(jī)組振源可能的原因，采取了以下檢查措施和運(yùn)行調(diào)整：

1)3號(hào)、4號(hào)軸承軸瓦間隙與緊力檢查，軸瓦進(jìn)油間隙與主軸接觸角度檢查；

2)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子揚(yáng)度與聯(lián)軸器中心檢查；

3)發(fā)電機(jī)氣隙檢查、轉(zhuǎn)子返制造廠維修及重做動(dòng)平衡；

4)汽輪機(jī)低壓排汽管道支吊架檢查；

5)汽缸滑銷系統(tǒng)檢查；

6)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)清理與潤(rùn)滑油全部更新(由原長(zhǎng)城汽輪機(jī)油改為32號(hào)統(tǒng)一潤(rùn)滑油)；

7)機(jī)組運(yùn)行油溫控制：機(jī)組正常運(yùn)行情況下，汽輪機(jī)油溫控制在38～40 ℃之間。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程檢查處理后，2019年8月15日重新開機(jī)帶負(fù)荷，次日21：29時(shí)機(jī)組振動(dòng)大再次跳閘，現(xiàn)象與第一次跳機(jī)相似。

1.3 監(jiān)測(cè)分析

為徹底檢明原因，公司請(qǐng)西安熱工研究院對(duì)10號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)行問(wèn)題查找。為配合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，10號(hào)機(jī)組于8月16日、8月19日又進(jìn)行了兩次沖轉(zhuǎn)，并網(wǎng)運(yùn)行11.5 h和26 h后，發(fā)電機(jī)發(fā)生了以往類似的振動(dòng)爬升，并隨后跳機(jī)。

整個(gè)過(guò)程西安熱工研究院通過(guò)自研的便攜式振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)(編號(hào)：VDAS8-02-007)，實(shí)時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)以及頻譜分析，如圖2所示。通過(guò)分析圖2發(fā)電機(jī)定速并網(wǎng)的振動(dòng)趨勢(shì)圖，10號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)啟動(dòng)及帶負(fù)荷運(yùn)行的26 h內(nèi)，振動(dòng)處于合格水平。

圖2 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中的振動(dòng)趨勢(shì)

8月20日19:09，10號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)開始波動(dòng)，5 min后因振動(dòng)超過(guò)200 μm而保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，且發(fā)電機(jī)在隨后的惰走在過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的振動(dòng)并不大，其中最大的3X振動(dòng)峰值105 μm左右。通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，10號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)振動(dòng)爬升的主要頻率成分為18.68 Hz的低頻振動(dòng)，該頻率接近發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速，如圖3所示。

圖3 3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)爬升及打閘后的振動(dòng)趨勢(shì)

基于以上振動(dòng)特征，分析10號(hào)機(jī)組振動(dòng)故障的原因是軸承穩(wěn)定性裕度不足，造成的油膜振蕩[3]。

如圖4所示，轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸頸中心O1為轉(zhuǎn)子的平衡位置，轉(zhuǎn)子載荷W與軸承油膜力P相平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界擾動(dòng)力作用時(shí)，軸頸中心渦動(dòng)時(shí)，P與W不再平衡。把兩者的合力分解為1個(gè)切向分力Ft和1個(gè)徑向分力Fr，其中切向分力即渦動(dòng)力，徑向分力與軸頸渦動(dòng)軌跡相反，是一種彈性恢復(fù)力。當(dāng)Ft>P時(shí)，軸頸渦動(dòng)軌跡不斷擴(kuò)大，當(dāng)渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相近時(shí)，就發(fā)生了油膜振蕩[4-5]。

圖4 轉(zhuǎn)子軸頸受力示意圖

2 處理方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出的頻譜及振動(dòng)趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主要為低頻振動(dòng)，接近發(fā)電機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速，最終確認(rèn)振動(dòng)引起的原因?yàn)橛湍ふ袷?，采取了以下措施?/p>

1)對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)3號(hào)軸承、4號(hào)軸承裝復(fù)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化，目的是降低轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)油囊的擾動(dòng)，具體做法：在4號(hào)瓦背部?jī)蓚?cè)墊塊均增加0.08 mm墊片，底部墊塊增加0.25 mm，使得4號(hào)瓦處的揚(yáng)度提高，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2；同時(shí)，為降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)油囊的擾動(dòng)，甚至破壞，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處3號(hào)、4號(hào)瓦兩側(cè)(從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)看，左前A、左后B，右前C、右后D點(diǎn))的瓦口間隙低于標(biāo)準(zhǔn)間隙，修后具體數(shù)值見表3、表4。

表2 揚(yáng)度數(shù)據(jù)Table 2 Raising-rate mm

表3 3號(hào)軸承安裝數(shù)據(jù)Table 3 Installation record of No.3 bearing mm

表4 4號(hào)軸承安裝數(shù)據(jù)Table 4 Installation record of No.4 bearing mm

2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行返回制造廠處理，進(jìn)行了拔護(hù)環(huán)、電氣試驗(yàn)、高速動(dòng)平衡、兩頭集電環(huán)打磨、直流阻抗測(cè)量等。

3)通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在振幅角度高峰值的對(duì)立位增加配重，以增加轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)上配重554 g，并在線做高速動(dòng)平衡。

4)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)汽輪機(jī)的滑銷進(jìn)行檢查、清理等。

5)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)油溫按38 ℃控制。

3 處理效果

通過(guò)檢修調(diào)整，10號(hào)機(jī)組正常啟動(dòng)后，10號(hào)發(fā)電機(jī)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值大幅降低,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。從表可知,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸振在60 μm以內(nèi)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸振在75 μm以內(nèi)。10號(hào)機(jī)組振動(dòng)處穩(wěn)定，運(yùn)行中未再出現(xiàn)該問(wèn)題。

表5 處理后數(shù)據(jù)Table 5 Processed data μm

4 結(jié) 語(yǔ)

回顧該汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的分析處理過(guò)程，影響機(jī)組振動(dòng)水平的因素較多，需要借助專業(yè)單位應(yīng)用專業(yè)測(cè)試設(shè)備分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而找到解決方案。通過(guò)某電廠汽輪機(jī)組的振動(dòng)跳機(jī)前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析，確認(rèn)故障為油膜振動(dòng)，并通過(guò)機(jī)組檢修以及調(diào)整，最終使該機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T11348.3-2011)規(guī)定的A區(qū)內(nèi)。