汽轮机的运行和故障分析

赵立民代军礼 都占军 杜富生

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司)

汽轮机的运行和故障分析

赵立民*代军礼 都占军 杜富生

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司)

分析了NK40/56型汽轮机的结构和控制系统，就该汽轮机的稳定运行问题进行了详细阐述。对该汽轮机运行中常发生的故障进行了分析，并提出了处理措施。

汽轮机调速器超速保护装置轴振动轴位移

1 汽轮机简述

青海盐湖工业股份有限公司化工分公司采用NK40/56型凝汽式汽轮机驱动20 000 Nm3/h空分装置上的空压机、增压机。在机组额定工况下，汽轮机进汽参数为：压力3.7 MPa，温度420℃，流量46.2 t/h，排汽压力0.01 MPa，机组转速6 100 r/min，汽轮机输出功率11 176 kW，汽耗率4.09 kg/（kW·h）。主蒸汽由汽轮机左侧下方进入速关阀，经高压调节汽阀进入汽轮机通流部分。蒸汽在膨胀段作功后压力降至排汽压力，然后进入凝汽器。进入凝汽器的排汽与循环水进行热交换，生成凝结水汇集在热井中。凝结水由凝结水泵输送到锅炉给水系统。为保证凝汽器安全经济地运行，通过热井液位变送器、液位调节器及液位调节阀来调节热井液位的高度，防止凝汽器超压。为保持凝汽器中蒸汽凝结时建立的真空和良好的换热效果，由抽汽器将漏入凝汽器的空气（包括未凝蒸汽）不断抽出。为防止汽缸前汽封处高温蒸汽漏入轴承箱造成轴承温度升高及润滑油中带水，防止后汽封处空气漏入排汽缸而使真空恶化，汽轮机还采用了闭式汽封系统，主要由气动汽封压力调节器以及管道、调节阀等组件实现汽轮机本体的密封。

汽轮机各组件前汽缸、平衡管、封汽管路、低压缸、排汽安全阀、抽汽器等统一接至疏水膨胀箱，其它疏水由阀门直接排至地沟。汽轮机调节及润滑油系统由油站润滑油泵分两路分别接至汽轮机润滑油、调节油总管，再分别输送至汽轮机轴承箱及调节系统，最后通过回油总管回到润滑油站油箱。为减少因油量变化而引起的油压波动，在调节油管道上加装一液压蓄能器，以保证汽轮机正常运行。

2 汽轮机控制系统

该汽轮机采用电液调节系统，调节系统主要由转速传感器、电液转换器、油动机、调节汽阀和WOODWARD 505电子调速器等组成。其功能是控制机组的转速（功率），使之在给定范围内稳定运行。WOODWARD 505电子调速器接收两个转速传感器监测的汽轮机转速信号，取最大值与转速设定值进行比较，如果不一致，则输出一个执行信号（4～20 mA电流），经电液转换器转换成二次油压（0.15～0.45 MPa）信号，二次油通过油动机操纵调节汽阀，调节进汽量，以维持转速稳定。

汽轮机启动指开启速关阀。启动系统由速关组合件中的手动换向阀和速关阀组成。手动换向阀用于开启速关阀。速关组合件具有远程自动或手动停机以及速关阀实验活动的功能。速关阀上的行程开关指示速关阀状态（打开或关闭）。只有当速关阀完全开启后，才允许冲转汽轮机。

汽轮机还配有电子式轴位移／轴振动监测仪表和三选二超速保护装置。当汽轮机的轴位移或轴振动过大，或机组超速时，电子安全保护系统发出停机信号给配置的停机电磁阀，切断速关油路，同时泄掉油路中的速关油，使速关阀迅速关闭。手动停机阀也是速关组合件的组成部分，用于就地手动紧急停机。

汽轮机还配有轴瓦温度检测仪表。在汽轮机启动或升速过程中，汽轮机转子在离心力的作用下会靠向一侧，这时轴瓦的温度可能不正常，等转子在浮空状态下运行时所检测到的温度才是轴瓦的真实温度。若轴瓦温度偏高，可采用联锁或手动停机。

为确保机组启动（或停机）过程顺利进行及机组安全，汽轮机按要求还可配置下述监视仪表。

汽缸热膨胀指示器：装在汽轮机前支座处，由指针直接指示汽缸的绝对膨胀量。

汽缸绝对膨胀仪：用于检测汽缸的热膨胀。

差胀检测仪：由传感器、前置器、显示仪、继电器模块等组成，用于检测汽缸与转子的差胀。

偏心监测仪：用于指示转子弯曲的幅度，从而判断是否可以正常启动。

汽缸温度监控仪：用热电偶分别测量汽缸上、下半温度，并由控制器发出指令限制机组转速。

3 汽轮机启动前的准备工作

（1）蒸汽系统

速关阀前主蒸汽管路隔离及旁路阀关闭；

速关阀、调节汽阀关闭；

主蒸汽管及抽汽管路排大气疏水阀开，汽缸、平衡管及抽汽管路接至疏水膨胀箱管路上的疏水阀关闭；

轴封供汽管路进汽阀、疏水阀关闭；

抽汽速关阀、隔离阀关闭；

汽封冷却器的进汽阀、疏水阀关闭。

（2）油系统

油质检验合格；

油箱油位正常；

油泵进、出口隔离阀以及冷油器和滤油器的进出阀门均为开启状态；冷油器、滤油器的切换阀处于单侧工作位置；冷油器进水阀关闭，排水阀打开；

油箱油温若低于20℃，需用加热器进行加热，或使油泵提前投入运转来提高油温，汽轮机启动时轴承进油温度必须≥35℃。

（3）开动油泵

外泵供油的汽轮机，启动电动主油泵。油泵运转后，振动、声响正常，出口油压稳定，调节油油压≥0.8 MPa，润滑油总管油压为0.25 MPa；

从各回油视窗观察各轴承回油是否正常，检查所有油管路接口无油。

（4）启动排油烟机

在正常运行时，油箱、回油箱、回油管及轴承座内腔形成微弱负压，一般真空度为50～100 Pa，汽轮机启动前，油箱真空度可略高于此值。若真空度过高，则会有大量不洁空气和蒸汽被吸入油系统。

4 汽轮机试运转分析

汽轮机的启动是指汽轮机从静止状态逐渐过度到承担一定负荷运转状态的过程。

启动过程中，汽轮机主要构件（汽缸、转子等）的工作条件和受力发生剧烈、复杂的变化，其主要影响因素和突出的特征是受热。启动时进入汽轮机的高温蒸汽通过凝结放热和对流放热形式向与其接触的构件传热，构件被加热而温度升高，因此受热构件必然要产生热膨胀，而热膨胀受到约束就会产生热变形、热应力。尽管在启动过程中热膨胀、热变形、热应力以及汽缸与转子的差胀是不可避免的，但只要明白其产生的原因及变化的特点，通过正确操作可将其控制在允许的范围内，确保机组顺利启动和安全运行而不造成危害。

蒸汽进入汽轮机，首先是流进速关阀，阀壳受热后温度分布不均匀，会在阀壳中产生很大的热应力。为改善阀壳的受力状态，启动时阀壳需要有一定时间的预热。通常，阀壳预热是配合低速暖机一起进行的。

蒸汽进入汽缸后，先加热汽缸内壁和法兰，由于传热过程存在热阻，所以在汽缸内、外壁以及法兰内、外侧之间会有很大的温差，汽缸内壁的热膨胀大于外壁的热膨胀，于是造成汽缸及法兰在水平和垂直方向产生热膨胀，这样有可能使动、静体在径向发生碰擦。如果温差过大致使应力超过允许值，则汽缸和法兰产生塑性变形，甚至在汽缸的调节区域产生裂纹。汽缸一旦产生塑性变形，必然造成汽缸中分面密封失效而漏汽。

除高参数全周进汽及WK型汽轮机外，大多数汽轮机采用上半进汽结构，加之下缸散热比上缸快，因此，启动时上缸温度明显高于下缸温度。上、下缸之间存在温差，若温差过大，就会使汽缸产生向上拱曲的热变形，有可能使动、静部分在径向发生碰擦。另外，如果转子在静止状态下受热，转子上、下部分温度分布不均匀，也会使转子产生热弯曲。一般转子的热弯曲属弹性变形，但若处置不当，在转子挠度较大的情况下冲动转子，不但机组振动加剧，而且动、静体产生碰擦又会进一步加大转子弯曲程度，造成塑性永久变形。因此一定要防止在静止状态下加热转子。

在汽轮机启动、停机过程中，汽缸和转子由于受热条件、材料、质量等因素的不同，其轴向热膨胀也不相同，两者热膨胀量之差称为差胀。启动过程中，汽缸在高温蒸汽影响下，以死点（在排汽端）为基础沿轴线向前膨胀。与此同时，作为转子轴向定位支点的前轴承或推力轴承支座也随之向前位移。由于转子的通流部分被蒸汽所包围，加之转子质量远小于汽缸质量，因此转子温度升高比汽缸快，转子沿轴线方向伸长量大于汽缸热膨胀量，且转子热胀方向与汽缸热胀方向相反，这时差胀为正差胀，而停机过程中汽缸与转子的差胀为负差胀。差胀如达到规定的极限值，表明动、静体轴向间隙小于要求的最小间隙。对汽轮机与被驱动机之间配用刚性联轴器的机组，差胀值过大有可能使被驱动机动、静体轴向间隙改变超出限定范围，若动、静体发生碰擦必然造成设备损坏事故。

在汽轮机启动过程中，随着蒸汽参数的升高和流量的增加，汽缸内壁和转子外表层温度不断升高。由于汽缸内壁和转子中心部位的温升滞后于汽缸内壁和转子外表层的温度变化，因此，汽缸外壁和转子外表层产生压应力。而机组停机过程是汽缸、转子的冷却过程，随着蒸汽参数的下降和流量的减小，转子表面温度低于中心部位温度，汽缸内壁温度低于外壁温度，使汽缸内壁和转子外表层产生拉应力。这样，汽轮机由开机到停机便完成了一个交变热应力循环，也称之为低周疲劳。低周疲劳损耗汽轮机的使用寿命，使汽轮机老化，容易出事故。因此，机组运行时应尽可能减少开、停次数，避免频繁改变负荷。

汽轮机进汽压力、温度同时达到上限值时，这种工况每次连续运行时间不应超过15～30 min，全年累计不应超过20 h。

采用压力开关和热电偶监视压力、温度的汽轮机，当蒸汽压力、温度达到设定的极限值时，发出报警或停机信号。

在汽轮机启动或运行的特定情况下，汽轮机进汽压力、温度可不同于正常运行时的要求。

汽轮机正常停车时，按汽轮机说明书规定进行停机准备工作和停机；原动机是电机，按电机停机按钮，同时应联锁油站电动油泵同时开启，注意停车过程中有无异常现象。记录正常停车时间。

汽轮机在转速降至接近0 r/min时盘车机构投入工作，盘车重锤开关啮合到位，盘车电机启动，连续盘车。采用电动盘车的汽轮机，在转子将要停止转动时，盘车机构投入工作（有0转速监测时可自动投入），连续盘车。配用液压盘车机构的汽轮机，转子停止转动后，开始持续盘车。停机后，连续或持续盘车时间应不少于3 h。之后改换为定期盘车，先是每隔30 min盘车一次，4 h后每隔40 min将转子盘转180°一次，24 h后每隔2 h盘转180°一次，机组重新启动前2 h再改换为连续或持续盘车。若停机时间较长，在汽缸温度≤150℃后可停止盘车（没有汽缸温度测点的汽轮机，这时汽缸温度可由汽缸轴向热膨胀量近似估算得出，也可在汽缸的适当部位撬开保温层插入温度计测量）。

停机后润滑油系统仍需运行一段时间，当冷却器出油温度≥35℃，前轴承回油温度＜40℃，且油泵停运后轴承温升＜15℃时，油泵、冷却器可停止工作。

盘车时须向轴承供油，有顶轴的汽轮机，盘车时须先使顶轴系统投入工作。

停机后，调速器、抽汽调节器以及其他辅助设备恢复到启动前的初始状态。

停机后严防机组发生转子反向转动。

5 汽轮机运行故障分析

5.1 不正常振动

汽轮机是高速旋转机械，因此运行中总是存在不同程度和不同方向的振动。限定范围的振动不会造成危害，是允许的。由于各种原因，机组运行过程中尤其是在其启动时会出现振动异常。产生不正常振动的原因很多。根据以往处理现场振动问题的统计，振动异常大多是由于安装不符合要求或运行维护不当所引起的。汽轮机和机组启动、运行过程中出现振动异常，主要可以从下述两个方面查找原因，并根据振动特征借助频谱仪或Benfly3500测振系统等其他设备进行测试、分析，判明原因并加以解决。

5.1.1 安装或检修质量不良

（1）汽轮机转子与汽缸对中不好。汽轮机安装时若转子与汽缸找中不好，在汽轮机单机试车时就会出现振动异常。汽轮机启动过程中，随着转速和机内温度的升高，由于动、静体产生碰擦，在轴振动幅度增大的同时还伴有刺耳的尖叫声，振动信号中有高频分量，振动波形搅乱。

处理措施：停机后对汽轮机和压缩机的转子系统进行复校对中，修复或更换损坏的汽封。

（2）汽轮机转子与被驱动机转子对中不好。汽轮机单机试车良好，机组试车出现振动异常，振动波形有二倍频谐波，大体上可判定振动异常是由转子对中不好所致。检测轴承座壳体振动，轴向振幅增大表明端面平行度超差，径向振幅增大通常是不同轴度偏差过大所致，这两种偏差往往同时存在。

处理措施：停机，重新调整转子对中状态。若因外部原因一时不允许校正对中值，可临时在转子的缸外辅助平衡面上进行不平衡校正，不过这仅是一种权益之计。彻底的解决办法是在机组停机后，将转子对中调整到正确位置并复校转子平衡状态。

5.1.2 运行操作

（1）已投入运行的机组，在启动和改变负荷的过程中产生的振动大多与操作不当有关。如前次停机后没有正常盘车，之后启动时又未充分暖机。在升速时出现振动异常且在前、后汽封处能清楚地听到金属擦声，那就表明转子已产生轴偏（即弯曲，配有偏心监视器的汽轮机可利用仪表监测转子弯曲的幅度）。这时应降低转速，等振动正常后，保持转速稳定（不得在禁止停留区域内）,暖机15 min后再升速。若重复3次异常振动仍不能消除，那就只能停机，检查、修复转子。运行中负荷的变化过快时，会因受热件热胀不均匀产生变形而引起振动。若增加负荷时出现振动，应立即减负荷或降速，待稳定后再按启动曲线给的负荷（或转速）变化率加负荷。减负荷出现振动时，同理反向操作。

（2）驱动压缩机的机组在减小压缩机流量时操作不慎或防喘振系统整定不当，使工况进入喘振区，压缩机出口压力大幅波动，整个机组及压缩机排汽管产生强烈振动并伴有巨大声响。

处理措施：紧急停机，规范操作，防止压缩机工况进入喘振控制限定的区域。

5.2 速关阀开启不正常

操作不当会引起速关阀不能正常开启。用启动调节器开启速关阀的汽轮机，开启速关阀过程中，启动油与速关油进行切换，但当调节器手轮连续操作且速度过快时，油缸中速关油的升压速度小于启动油的卸压速度，造成活塞盘与活塞脱开，致使速关阀无法开启。正常操作应该是，操作手轮时注意观察压力表，在速关油压开始建立和启动油压开始下降时，操作要尽可能缓慢。停机几分钟，然后继续操作，就可使速关阀正常开启。

6 结论

（1）汽轮机运行正常与否，主要与其机械安装关系紧密，更与操作人员的操作水平紧密相关。

（2）汽轮机故障的检测和分析与仪表检测元件密不可分，因此所有仪表检测元件必须按设备实际提供的数据安装牢固，控制系统逻辑测试正确无误。这样才能正确分析出故障原因，为设备长周期安稳运行保驾护航。

[1] GB 50093—2002.自动化仪表工程施工及验收规范[S].

[2] SH 3521—1999.石油化工仪表工程施工技术规程[S].

Analysis on the Failure and Operation of Steam Turbine

Zhao Limin Dai Junli Dou Zhanjun Du Fusheng

Analyzed structure and control system of NK40/56 steam turbine,and described the stable operation problems in detail.Analyzed common failures in the steam turbine operation,and put forward treatment measures.

Steam turbine;Speed governor;Overspeed protective device;Shaft vibration;Shaft displacement

TK 26

*赵立民，男，1971年生，工程师。格尔木市，816000。

2011-12-22）