TRT发电机启机故障诊断及技术分析

黄龙强，周宏

(重庆钢铁股份有限公司能源管控中心，重庆401258)

热电

TRT发电机启机故障诊断及技术分析

黄龙强，周宏

(重庆钢铁股份有限公司能源管控中心，重庆401258)

针对重钢16 MW高炉TRT发电机启机过程出现的在通过临界转速时发生较大振动导致联锁停机这一故障进行技术分析，并提出了整改方案，实施后运行状况良好。

TRT发电机；临界转速；诊断；振动

1 TRT发电机工艺概况

高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置(Top Gas Pressure Recovery Turbine简称TRT)是目前国际上公认的有价值的二次能源回收装置。它是利用炼铁高炉炉顶煤气中的压力能及热能经透平膨胀做功来驱动发电机组发电。TRT发电机组回收高炉鼓风机所需能量的30%左右，实际上回收了原来在减压阀组中白白损失的能量。这种发电方式既不消耗任何燃料，也不产生环境污染，发电成本十分低廉，仅为燃气锅炉发电的20%左右，是一个重大节能技术措施项目，经济效益十分显著。

TRT发电机正常运转时，高炉荒煤气经过干法除尘的净化后，经过TRT发电机膨胀降温后将煤气送入高炉煤气管网供各用户使用或进入煤气柜存储。它可代替减压阀组，调节稳定高炉炉顶压力，控制灵敏，波动幅度小，可促进高炉的稳定顺行。TRT发电机不运转时，高炉荒煤气通过干法除尘净化，再经过减压阀组减压后将煤气送入高炉煤气管网供各用户使用或进入煤气柜存储。

重钢长寿新区现有3座2500 m3高炉，相应配套有3台16 MW的TRT发电机。1＃、2＃高炉TRT发电机型号及结构形式完全相同；3＃高炉TRT发电机型号及结构形式与前两套机组有所不同，具体参数对比参见表1。

2 高炉TRT发电机启机过程存在的故障

3＃高炉TRT发电机自安装完毕启机动态调试过程中存在下面三种故障：

2.1 首次启机无法通过临界转速

3＃TRT发电机第一次启机参照1＃、2＃TRT发电机启机程序操作，但是因通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动超过160μm的联锁停机值而紧急停机。后又再启机两次，仍无法成功通过临界转速。

2.2 因故停机后立即重启无法通过临界转速

在机组连续运行一个月后，因运行人员点巡检发现机组缺陷申请短暂停机处理，处理完毕后立即重新启机。在机组通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动均达到200μm以上，且超过延时2 s而紧急停机。随后又立即再次启机，故障依旧。当时因无法判断故障所在，故决定待机组盘车冷却后第二天再启机。第二天启机则顺利通过临界转速成功并网。我们随即将这一情况向TRT发电机生产制造厂家进行了反馈，其技术人员也未能解释原因，只说待进一步观察。随后又出现几次3＃TRT发电机因故停机立即启机无法通过临界转速。

2.3 长时间停机后正常启机无法通过临界转速

因高炉停炉消除缺陷隐患，故3＃TRT发电机配合高炉停机较长时间。在此期间，为了避免3＃TRT发电机长时间停机导致转子发生永久弯曲变形，每周盘车2次，每次盘车180°。高炉检修完毕后启3＃TRT发电机，缓慢升转速和通过临界转速和正常启机一样，但是在通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动最大值为171μm而联锁停机(当时程序未延时2 s)。再次启机，通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动最大值为191μm而联锁停机。第三次启机，通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动最大值达196μm而联锁停机。这三次启机从机组冲转到通过临界转速的时间均未超过30 min。

表1 3台TRT发电机参数对比表

3 启机故障技术分析及改进方案

针对3#16 MW高炉TRT发电机启机过程的出现的三种故障，技术人员共同努力寻找解决办法，有针对性地采取了一系列行之有效的措施。

3.1 首次启机故障

3＃TRT发电机组的透平机转子较重，且为柔性转子，参照1＃、2＃TRT发电机启机程序升速率较慢，导致其滞留临界转速区域的时间较长，没有快速通过临界转速，因此振动值较大。影响TRT发电机组升速率的因素有煤气压力、温度和流量。煤气压力高、煤气温度高、煤气流量大都会增加升速率。高炉在生产过程中，煤气压力和温度会有小幅波动，且为高炉生产控制。增加TRT发电机的升速率必须增大煤气流量，这样才能确保机组快速通过临界转速。增大煤气流量有两种方式，其一为增大入口电动蝶阀开度，其二为增大透平机的静叶开度。

根据经验，静叶的开度对机组的转速影响较为敏感，其细微变化都会使转速变化较大，不易掌握和控制。所以决定在机组通过临界转速时入口电动蝶阀的开度由原来10%增加到30%。再一次启机，机组逐渐升转速到1000 r/min时短暂停留，检查各参数和运行状况正常后一次性开启入口电动蝶阀至30%准备快速通过临界转速，但还是因透平机1＃、2＃轴承振动大超过联锁停机保护值而紧急停机。为避免一次启机的偶然性，又再重启机两次，故障依旧。后决定将入口电动蝶阀的开度增加到40%。再一次启机，机组还是未能通过临界转速。

经过进一步分析，认为入口电动蝶阀30%的开度可以确保足够的煤气流量让机组通过临界转速，但入口电动蝶阀通径1800 mm，由电机经过蜗轮蜗杆减速装置驱动，其开启的速度并不快，这样导致机组的升速率仍不够。TRT发电机设计有两个DN800mm液压旁通快开阀。在运行过程中均为全关状态，一个为主阀，另一个为备用副阀。其作用为TRT发电机在运行过程中紧急停机时由程序控制开启旁通快开阀一定的开度，以减小高炉炉顶压力的波动而不影响其生产。

经过与TRT发电机生产制造厂家技术人员沟通交流后，决定在通过临界转速之前的升速过程中开启一个旁通快开阀一定开度；在通过临界转速时人为关闭旁通快开阀，因其为液压控制则会在很短时间内全关闭，让煤气全部通过TRT发电机而提高升速率。再一次启机，当机组转速＞100 r/min时，逐渐人为开启旁通快开阀一定开度，并同时调整入口电动蝶阀开度，保持机组按照2～3 r/s速率升高转速。当机组逐渐升转速到1000 r/min时逐渐调整入口电动蝶阀开度至30%，同时调整旁通快开阀开度至30%。短暂停留并检查各参数和运行状况正常后人为全关闭旁通快开阀，并手动开启静叶至8%，机组转速以30 r/s的速率迅速升高，透平机1#、2#轴承振动达到170μm，但还是因透平机1#、2#轴承振动大超过联锁停机保护值而紧急停机。从此次转速升速率来看已经较快，但仍未能通过临界转速。再次与TRT发电机生产制造厂家技术人员交流沟通后，决定在机组通过临界转速时，在程序中增加振动超过停机值延时2 s停机，即如果振动值≥160μm持续2 s则自动联锁停机；如果振动值≥160μm但在2 s内降低到＜160μm则不会自动联锁停机。

修改程序后再一次启机，则顺利通过临界转速。因之后做超速试验而启机多次，也曾出现过在机组通过临界转速时透平机轴承振动值＜160μm的情况。经过不断优化升速程序，将人为关闭旁通快开阀改为计算机程序自动控制。当转速达到1350 r/min时程序自动关闭旁通快开阀，这样减少人为误差和干扰，以便机组顺利通过临界转速。此外，还决定在每次启机前不增加振动超过停机值延时2 s停机，只有待第一次启机无法通过临界转速时才增加，这样最大限度确保机组的运行安全。

3.2 因故停机后立即重启故障

进入TRT发电机组透平机的净煤气温度一般在150～230℃，虽然这样的温度不及汽轮发电机蒸汽温度高，但是其透平机转子在长期运行过程中同样会受热，受热后转子会发生弯曲变形，这是常见的物理现象。转子的弯曲变形将导致转子平衡状态的变化，正常的弯曲变形对转子平衡状态的变化影响较小；但非正常的弯曲变形对转子平衡状态的变化影响则较大。

转子热弯曲通常分为热弹性弯曲和永久性弯曲。热弹性弯曲是指转子内部温度分布不均匀，转子受热后膨胀而造成的转子弯曲，当转子内部温度均匀后这种热弯曲会自然消失。永久性弯曲则不相同，当转子局部区域受到急骤加热(或冷却)，而该区域与其他部位产生很大的温度偏差，受热部位热膨胀受到约束产生高的压应力。当其应力值超过转子材料的屈服极限时，转子局部便产生压缩塑性变形。当转子内部温度均匀后，该部位将有残存的拉应力，塑性变形不消失，从而造成转子的永久性弯曲。

影响转子热弯曲的主要原因有：①材质缺陷：如果转子的材质不均匀，受热后膨胀会不均匀，导致热弯曲；或者在转子制造过程中尚有残余应力存在，受热后应力会释放出来，也会导致热弯曲。②暖机时间不充分：由于透平机上下缸体存在温差，停机后转子上部温度比下部高，使转子出现热弯曲，投运盘车后需要较长时间才能够恢复。如果盘车的时间较短，则热弯曲不能完全恢复，启机后就会出现振动过高的情况。③动静摩擦：当转子与静止部件的间隙逐渐缩小并消失后，就会发生动静摩擦，使接触处的温度升高，导致转子温度分布不均匀，从而产生热弯曲。④套装叶轮松动：套转在转子上的叶轮松动使热阻发生变化，导致转子与叶轮接触的部位温度分布不均匀，从而也产生热弯曲。

转子热弯曲通常分为启机过程的热弯曲和运行过程的热弯曲。如果启机过程中其振动明显高于正常值，通常做法是降低转速，延长暖机时间，待振动值降低并趋于稳定后再升转速。

3#TRT发电机只是在故障停机后立即重启过程中通过临界转速时透平机1#、2#轴承振动偏大，在正常的启机过程中则能够顺利通过临界转速，故可排除启机过程的热弯曲情况。经过仔细的观察分析，3#TRT发电机在停机降速通过临界转速时透平机1#、2#轴承振动为190μm左右；而其正常启机时通过临界转速时透平机1#、2#轴承振动为170μm左右；而且机组停机后立即又重新启动，在通过临界转速时透平机1#、2#轴承振动通常会≥200μm，且超过延时2 s而紧急停机。

从上述现象分析判断，3#TRT发电机组的透平机转子存在运行过程热弯曲异常的状况。其转子在运行过程中发生异常热弯曲，即使降低负荷或者解列停机，热弯曲不会立即消失而恢复，故停机过程中通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动会高于正常启机时20μm；在紧接着的重新启机过程中通过临界转速时透平机1＃、2＃轴承振动会高于正常启机时30μm。在机组连续盘车十几小时后，转子的异常热弯曲变形有所恢复，故3＃TRT发电机在盘车一段时间后重新启机能够顺利通过临界转速。3＃TRT发电机还曾经出现过这样一种情况，在其计划停机前煤气温度约为200℃，当时环境气温＞38℃，在停机后第二天启机也因透平机1＃、2＃轴承振动高而未能通过临界转速。后采取在煤气管道中通入少量的氮气来进行辅助降温，再盘车一段时间后重新启机才顺利通过临界转速。这种情况是由于煤气温度和环境温度偏高而导致转子在盘车过程中散热不好，故第二天机组气缸内的温度仍然偏高，其转子的热弯曲并未完全恢复正常。在目前这种状况下只能停机后多盘车一段时间降低气缸体内的温度后再重新启机。

3.3 长时间停机后无法正常启机故障

TRT发电机的煤气温度虽然没有汽轮发电机的蒸汽温度那么高，但是在机组长期运行过程中，机组的静止部件(包括气缸、轴承箱等)受热后将发生膨胀。透平机在设计制造过程中也和汽轮机一样设置了滑销系统。滑销系统的作用是确保气缸受热时能够沿着给定的方向自由膨胀，保持气缸与转子中心一致以及保证动静部分的间隙；同时在机组停机时，保证气缸能够按照给定的方向自由收缩。

此次3＃TRT发电机停机时间较长，机组及其附属设备完全冷却，且夏季空气湿度较大，易使滑销表面发生锈蚀。机组长期停运后重新启机时比正常启机的膨胀量大。因为正常启机时其不可能完全冷却。如果滑销系统存在卡涩，将会导致气缸体在受热时膨胀不出去，受到压缩而产生压应力；冷却时收缩不回来而产生拉应力。因此启机后阻力增大，导致不畅。这样的应力会引起变形，可能导致支撑系统刚度的降低。如果机组的各部位可以自由膨胀，受热后将不会产生任何应力。

旋转机械的振动与轴承座刚度成反比。透平机气缸体的体积大、刚度低，存在膨胀问题时容易发生变形，气缸的支承面与轴承座台板之间也会出现细小的间隙，导致支撑刚度降低，这样将转子的不平衡振动放大了。气缸体的热容量比转子大得多，温度的变化比转子缓慢得多。因此膨胀不畅时振动上升过程持续的时间长，有时候甚至可以达数小时。膨胀的问题通常发生在机组长时间停机之后。

从当时3＃TRT发电机与1＃、2＃TRT发电机运行状况比较，其机壳温度较低，轴承温度也较低。经过分析后认为暖机时间较短，机组为完全冷态，气缸的膨胀还不够或者不畅导致此种情况。只能延长暖机时间进一步观察其运行状况，并且在程序中恢复通过临界转速的振动值≥160μm延时2 s停机。

3＃TRT发电机再次启机，第一次暖机时间较之前有所延长，但仍未能通过临界转速。随后又再次启机还是未能通过临界转速。这两次通过临界转速的轴承温度和机壳温度都较低，机组的膨胀效果仍不明显。随后决定再次延长暖机时间，因机组无胀差检测装置，故只能通过定时监测机壳温度和轴承温度来进行辅助判断。在机组暖机过程中，润滑油温度因油循环升高至某一温度时将不再升高，观察轴承温度逐渐升高则说明透平机转子开始受热进行膨胀。当其轴承温度不再升高时决定快速升速通过临界转速成功。

4 总结

综上所述，3＃TRT发电机的运行状况正在被我们逐渐熟悉和掌握，也为今后安全可靠运行奠定了一定的实践基础。今后还有可能出现不可预知的情况，我们将会不断努力，及早解决缺陷隐患，确保发电机多发电创造更多的经济效益。

[1]寇胜利.汽轮发电机组的振动[M].北京：中国电力出版社，2007.

Diagnosis and Technical Analysis of Startup Failure of the TRT Turbine Generator at Chongqing Steel

Huang Longqiang,Zhou Hong
(Energy Control Center of Chongqing Iron&Steel Co.,Ltd.,Chongqing 401220,China)

The startup failure of the 16 MW top gas pressure recovery turbine of Chongqing Steel due to heavy vibration causing interlinked shutdown when running through critical speed during starting was technically analyzed and modification plan was forwarded, which has operated well after implementation.

TRT turbine;critical speed;diagnosis;vibration

TM31

B

1006-6764（2015）08-0034-04

2015-05-25

黄龙强(1963-)，男，2006年毕业于重庆大学热能动力专业，高级工程师，现从事生产设备技术管理工作。