一起汽轮机振动大跳机事故的运行分析

谈力玮

（景泰发电厂，甘肃 白银730408）

0 引言

某发电厂660 MW 汽轮发电机，在冷态启动并网运行仅仅3h后，就因为汽轮机振动大，振动保护动作，机组非停。本文就此次非停事件从机组运行角度做一些简要的分析。

1 设备概述

某厂汽轮机为哈尔滨汽轮机厂制造的超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，型号是CLNZK660－24.2/566/566，机组采用积木式设计，高中压合缸、反动式叶片、整段转子、多层汽缸。

汽轮机通流部分采用冲动式与反动式联合设计。新蒸汽从下部进入置于该机两侧的高压主汽调节联合阀，由每侧各2个调节阀流出，经过4根高压导汽管进入汽轮机高压缸。新蒸汽在高压缸内通过1个冲动式调节级和9个反动式压力级后，由外缸下部2个排汽口进入再热器。再热后的蒸汽进入机组两侧的2个再热主汽调节联合阀，再由每侧各2个中压调节阀流出，经过4根中压导汽管由中部进入汽轮机中压缸，蒸汽经过6级反动式压力级后，从中压缸上部排汽口排出，分别进入一号、二号低压缸中部。2个低压缸均为双分流结构，蒸汽从通流部分的中部流入，经过正反向各6级反动级后，流向排汽口，排汽向下流入安装在每一个低压缸下部的排汽装置经过排汽管进入空冷凝汽器。

该汽轮机高中压缸合缸、采用双层缸结构，高中压外缸和内缸通过水平中分面形成了上下两半，内缸支撑在外缸水平中分面处，并由上部和下部的定位销导向，使汽缸保持与汽轮机轴线的正确位置，同时使汽缸可根据温度的变化自由收缩和膨胀。低压外缸全部由钢板焊接而成，为了减少温度梯度设计成3层缸结构，由外缸、1号内缸、2号内缸组成。高中压转子、低压转子均为无中心孔合金钢整段转子。各段转子均通过联轴器刚性连接。汽轮机共有7个轴承，6个支持轴承和1个推力轴承，其中支持轴承全部采用4瓦块可倾瓦轴承结构。

2 事件经过

5月16日11 ：00，锅炉点火，开始升温升压。16：50，蒸汽参数达到机组冲转要求，汽轮机采用高压缸进汽方式，开始冲转。17：00，转速至1 000r/min，进行低速暖机；17：50，汽轮机继续升速，顺利通过高压转子的临界转速区；18：00，转速至2 000r/min，进行中速暖机；20：35，汽轮机继续升速，至2 900r/min时进行阀门切换操作，随后定速至3 000r/min。20：56，发电机并网带负荷；23：45，机组负荷至330 MW，直流锅炉转为干态运行，投入机组协调控制方式。从机组并网至升负荷的过程中，1瓦、2瓦的瓦振情况保持稳定并且有缓慢上升的趋势。5月17日00：18，1瓦X 方向的振动值升高到257μm，汽轮机“振动大”保护动作，机组跳闸，发电机解列，锅炉灭火。详细振动情况如表1所示。

表1 机组振动情况汇总表 单位：μm

3 原因分析

（1）汽机大轴存在热弯曲，启动过程中对主汽温度变化率控制不当。

该汽轮机转子自投产以来一直存在1瓦、2瓦振动大的问题。经过多次专业分析，行业内的专家给出了“转子应力释放不充分”的结论。特别是当主蒸汽温度有较大幅度的变化时，大轴就会有比较大的热应力和热变形，导致机组振动增大。如图1所示，此次升负荷过程中，0.5h内主汽温度从463 ℃增长到519 ℃，引发第一波振动攀升，从193μm 升至212μm；锅炉在转干态运行过程中，0.5h 内主汽温度从510 ℃增长到560 ℃，引发第二波振动攀升，从206μm 逐步升至236μm，并最终引起“振动大”保护动作，机组解列。从启动曲线分析，该主汽温度曲线并不是一条平滑上升的曲线，而是存在波动和起伏，局部时间段内温度上升率达到1.86 ℃/min，超过了《运行规程》所要求的“不超过1.5 ℃/min”的要求，造成大轴产生了较大的热变形，加剧了振动增加的趋势。

图1 启动过程中主汽温度和1X 振动趋势图

（2）对机组的轴封温度控制不准确。

该汽轮机，高压缸轴封在65 MW 达到自密封；中压缸轴封在165 MW 达到自密封。达到自密封后，高中压缸的排汽逐渐排挤轴封母管的供汽，造成轴封母管压力升高。运行人员快速关小轴封母管供汽调节门，以降低轴封母管压力。此时的轴封母管蒸汽主要是汽缸自密封的排汽。因为此时汽缸的排汽温度低于轴封的供汽温度，也低于轴封位置的转子金属温度（表2），轴封蒸汽对大轴从原来的加热作用逐渐转变为冷却作用。轴封温度的转变加剧了大轴上的热应力和热变形，造成转子振动值增大。

表2 启动过程中轴封母管蒸汽温度和高压缸端部金属温度对比表

（3）加负荷过程中，加负荷速度过快，暖机时间不充分。

机组启动过程，存在着巨大的金属热应力和诸多的热变形。特别是对于已经存在热弯曲问题的汽轮机转子，启动的过程中要关注暖机的时间长短和汽轮机的膨胀问题。如表3 所示，机组带负荷后有3个负荷段的暖机过程，汽缸膨胀量发生了明显的变化。说明启动的过程中笨重的金属设备同时也经历着剧烈的换热和膨胀。《运行规程》要求低负荷暖机时间要大于20min。但是，为了达到调度部门的要求这个过程被人为缩短了。暖机时间不足，汽缸还在继续膨胀，没有膨胀到位，此时就要求机组中等负荷运行或者高负荷运行，巨大的扭矩叠加上膨胀不充分的热应力，加剧了大轴的热弯曲，造成轴振动持续升高。

表3 暖机负荷、时间以及汽缸膨胀量

（4）汽轮机进汽阀门特性不均匀，存在汽流冲击，个别阀门开度对大轴振动情况影响显著。

在启动过程中，锅炉提供的热能和发电机消耗的机械能并不完全协调，造成主蒸汽压力的波动和汽轮机进汽阀门的上下调整。因为阀门特性不均匀，通过个别阀门进入汽缸的汽流对汽轮机大轴会产生冲击作用。如图2所示，3号高调门开度从31%到100%的过程中，大轴1X 方向的振动值从123μm 跟随爬升至165μm；3号高调门从100%全开下降到28%的开度，1X 方向的振动从175μm 跟随下降到130μm。可见，3号高调门的开度对大轴1X 方向的振动值有显著影响。

图2 3号高调门开度和1X 方向振动曲线

4 应对措施

（1）严格控制启动过程的升温率。

机组启动过程中伴随着金属热应力和热膨胀。特别是对于已存在热弯曲的汽轮机，启动过程中要高度重视主蒸汽温度、压力的变化，力求平缓，减少波动和反复，禁止出现急剧的温度抬升或者降低。操作中要符合《运行规程》的要求，采用“不超过1.5 ℃/min”的温升率。升温过程中如果伴随着振动数值的持续上涨，说明转子热弯曲的情况可能在加剧。此时要果断地保持汽温稳定，观察振动情况，或者带负荷暖机，切不可随意提高主汽温度，加剧振动扩大。

（2）调整好轴封系统的运行方式，做到轴封蒸汽参数和金属参数相匹配。

轴封系统的蒸汽参数对轴瓦附近区域的转子热应力和热变形有着重大影响，直接影响到振动数值的大小，因此要尽量使两者匹配。轴封蒸汽温度要符合汽轮机生产厂家提供的“轴封蒸汽温度限制曲线”的要求，尽量减小蒸汽和金属的温度差。当金属温度持续升高接近蒸汽温度时，运行人员要果断地将轴封蒸汽的来源切换到温度更高的冷再热蒸汽，防止轴封处的转子出现从“被加热”到“被冷却”的转变，减少局部热应力和热变形，从而减缓振动的发展趋势。

（3）加负荷过程中要充分暖机，不可因为“赶进度”而忽视了金属变形膨胀的风险。

开机过程中必须留有暖机的时间，以便于金属释放热应力和热膨胀，释放不充分或者不均匀都有可能造成机组振动加大。在《运行规程》规定的暖机负荷下一定要停留足够的时间，待膨胀趋势减小后再继续增加负荷，不可以在机组没有膨胀到位时就匆忙地增加机组负荷，造成热应力和机械应力相互叠加，加剧大轴振动。

（4）结合机组大小修认真进行汽轮机配汽机构的调整和优化工作，修改进汽阀门的特性曲线，消除阀门进汽不均匀造成的大轴振动。

在启动过程中出现个别阀门的开度影响大轴振动的问题，要从设备角度认真分析，查找原因，消除蒸汽冲击造成的振动扩大。

5 结语

汽轮机的振动只是一个宏观现象，而背后的机理却很复杂，影响因素也很多。作为运行人员，要结合运行参数进行分析调整，严格依据《运行规程》进行作业，不可为了“赶进度”而野蛮操作，更不可忽略设备的特性而人为压缩启动时间。对于已经存在热弯曲的汽轮机更要精心操作、按章操作，才能有效地避免事故发生。

［1］谈力玮，金作寿.大唐景泰发电厂集控主机运行规程［Z］.2015.

［2］谈力玮，梁俊龙.大唐景泰发电厂集控辅机运行规程［Z］.2015.

［3］沈士一，庄贺庆，康松，等.汽轮机原理［M］.北京：中国电力出版社，1992.

［4］孙奉仲.大型汽轮机运行［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［5］李录平，卢绪祥.汽轮发电机组振动与处理［M］.北京：中国电力出版社，2007.