300 MW供热机组高中压转子振动的诊断及处理

王凤良

(大唐东北电力试验研究院， 长春 130012)

为增加经济效益并节能减排，火电厂近年来趋向于单机容量大、机组数量多的发展趋势[1]。在我国东北区域，300 MW的热电联产机组是冬季供热的主力机组。然而，近年来发生了多起300 MW的供热机组高中压转子振动故障，有以动静碰摩为主的不稳定振动，有以高中压转子热变形为主的一阶临界振动等[2-5]；故障发生的机组工况也是不确定的，有的发生在机组启停过程中，有的发生在冬季供热期。热电联产机组高中压转子振动故障的发生，严重影响了机组的安全稳定运行，甚至严重影响区域供热的质量，给社会效益带来了较大的负面影响。笔者以一台300 MW热电联产机组在经过刷式汽封改造后，高中压转子发生多次振动故障为实例，分析了机组高中压转子的振动特性，制定了消除高中压转子振动故障的解决措施，经过对高中压转子实施现场动平衡后，机组顺利达到额定转速并网发电及供热，保证了机组的安全稳定运行及区域供热的安全。

1　机组概况

某电厂1号机组为300 MW热电联产机组，机组形式为亚临界、一次中间再热、单轴、单抽、两缸两排汽、凝汽式汽轮机，机组型号为C250/N300-16.7/537/537。1号机组轴系由高中压联合转子、低压转子、发电机转子组成，各转子之间采用刚性联轴器连接，汽轮机高中压转子、低压转子及发动机转子均采用两支撑结构。

汽轮机高中压联合转子、低压转子的4个支持轴承为4瓦块可倾瓦轴承。推力轴承为自位式推力轴承，两侧的支承环内各安装6块可滑动的推力瓦块能够自动通过调整块的摇摆运动，使同侧的各瓦块承载均匀。发电机转子采用端盖式轴承，椭圆轴瓦。1号机组轴系结构图1。

图1　机组的轴系结构图

为提高机组高压缸效率，对1号机组实施了高中压缸通流部分的刷式汽封改造。刷式汽封原理图见图2。此次1号机组的刷式汽封改造范围较广，除高压隔板阻汽片、低压转子正反末级、次末级没有改为刷式汽封外，其余通流部分均改为刷式汽封，其高中压通流部分的改造范围见表1。

图2　刷式汽封的原理图

表1　机组高中压通流部分刷式汽封改造范围

1号机组刷式汽封改造的安装间隙严格按照制造厂对各间隙的设计值的要求，轴封、叶顶及隔板刷式汽封设计间隙的公差均为0～-0.1 mm。在实际的安装过程中，安装间隙取设计值的中间数据，高压进汽平衡环汽封设计左间隙制造厂标准值为0.7 mm，公差为0～-0.1 mm，设计的间隙为0.6～0.7 mm。为保证安装后的间隙也在此范围内，按照设计间隙0.65 mm进行安装，再加上安装时的安装公差±0.05 mm，保证安装间隙在设计间隙范围内；高压叶顶第一级汽封设计的左间隙制造厂标准值为0.5 mm，公差为0～-0.1 mm，实际安装中的左间隙为0.45 mm,公差为±0.05 mm。此安装调整方式保证安装间隙在设计间隙范围内。刷式汽封的安装间隙是按照刷式汽封的硬齿进行调整的，而由于刷毛存在伸长量(刷封刷毛伸长量为刷封硬齿间隙的一半)，导致动静的绝对间隙有所缩小。

2　振动故障

1号机组刷式汽封改造完成后，机组具备启动条件，随即对机组进行改造后的首次冲转，机组在600 r/min摩擦检查过程中，高中压转子1X振动出现爬升现象，机组升至1 100 r/min，1X振动达到跳机值，机组停机惰走(见图3)。

图3　转子升降速的幅频特性曲线

1号机组在后续的启动过程中，严格控制机组盘车时间、转子偏心、轴封供汽温度及压力，在后续的几次启动中，均因高中压转子振动超标，机组不能通过高中压转子的一阶临界转速。经过多次启动磨合机组在第7次启动过程中，高中压转子顺利通过其一阶临界转速，1X振动值接近跳机值。高中压转子1号轴承处X、Y方向轴振动启动幅频特性曲线见图4。

图4　轴振动升速过程的幅频特性曲线

3　振动分析

3.1 机组多次启动

1号机组在通过高中压转子自身临界转速过程中，共计启动7次。导致机组不能通过高中压转子一阶临界的直接原因为高中压转子1号轴承X方向轴振动超过跳机值。经过对机组几次启动过程的数据分析，机组在几次启动至高中压转子临界转速附近时，1X、1Y、2X、2Y的基频振动相位均存在不同程度的变化，且机组稳定在1 200 r/min。暖机过程中，高中压转子振动呈现上升趋势，判断为高中压转子在启动过程中存在动静摩擦故障，导致高中压转子的弹性变形及振动值快速爬升，而振动值的爬升加剧了摩擦振动，且高中压转子在接近其一阶临界转速附近振动值的放大效应较明显，振动不断加剧。从高中压转子刷式汽封改造的间隙情况分析，其间隙的调整是根据刷式汽封的硬齿间隙进行调整，其刷毛的伸出量是硬齿与转子间隙的一半，导致安装间隙的绝对值较小，且高中压转子随着转速转子不断上浮，更容易与刷式汽封接触，加剧动静摩擦故障。另外，刷式汽封的刷毛是顺着转子旋转的方向进行安装，其转子与刷毛之间的摩擦非硬接触摩擦，其间隙不容易摩出。因此上述的多种因素是机组多次启动不能顺利通过高中压转子一阶临界转速的原因。

3.2 高中压转子一阶临界振动大

3.2.1 高中压转子的原始状态不佳

1号汽轮发电机组从2010年投产以来，机组经过多次启停调峰，且高中压转子工作在高温、高压的蒸汽中，经历过数次的滑参数停机，导致高中压转子比出厂时的转子弯曲量增加。1号机组的高中压转子是高中压部分合在一起的一根30Cr1Mo1V耐热合金钢整锻结构。每根转子的中部和前后各有一个动平衡面，可以实现不揭缸动平衡。在机组检修时，吊起高中压转子表面处理完成后，利用在不同轴向位置架百分表测量高中压转子的原始跳动值，1号机组高中压转子跳动量最大接近0.1 mm，最大弯曲点的轴向位置在高中压转子过桥汽封处及中压转子第9级处(图5中的G点处)，表明1号机组高中压转子原始弯曲量较大。

图5　机组高中压转子跳动量测量

通过对高中压转子的原始状态进行分析，高中压转子中部存在一定的弯曲量，导致高中压转子在通过其自身的一阶临界转速时振动较大，直接反应为高中压转子一阶不平衡，与刷式汽封的摩擦振动耦合，导致振动的加剧。

3.2.2 高中压转子的摩擦振动故障

通过对机组几次启动过程中的振动数据分析，机组在通过其高中压转子一阶临界转速时，1号轴承处X、Y方向的轴振动均较大，查看历次启动过程1X、1Y方向轴振动的基频振动相位，每次启动均有差别；随着启动次数的增多，高中压转子1X、1Y方向轴振动的基频相位基本趋于稳定，可判断为机组高中压转子在启动过程中在一阶临界转速附近存在动静摩擦故障，其摩擦部位为刷式汽封的刷毛或硬齿，见图6。

图6　刷式汽封硬齿与刷毛安装图

4　处理效果

1号机组在第7次的启动过程中，虽然顺利通过了高中压转子的一阶临界转速，但是振动仍旧在跳机值的边缘，给机组的安全稳定运行埋下隐患。为了从根本上解决此振动问题，经过对1号机组的历次启动过程的振动数据进行分析，其高中压转子在后3次接近和通过高中压一阶临界转速时1号轴承处的1X、1Y、2X、2Y的基频振动相位较为稳定，角度相差范围在10°以内，表明高中压转子的碰摩故障已经不是影响高中压转子振动的主要因素。1号机组第7次通过高中压转子一阶临界转速的具体振动数据见表2。

表2　机组高中压转子一阶临界转速振动数据　μm/(°)

经过对1号机组高中压转子的临界转速下的振动数据进行分析，决定在高中压转子中部平衡面内加重，加重为5颗标准平衡螺钉，质量约1 400 g，经过现场配重后，机组顺利通过高中压转子一阶临界转速，在一阶临界转速范围内高中压转子最大振动1X为60 μm，达到额定转速下的轴系振动均在60 μm以下，保证了机组的安全稳定运行。1号机组高中压转子现场动平衡后的启动的幅频特性曲线见图7。

图7　机组高中压转子动平衡后轴振动升速过程的幅频特性曲线

5　结语

针对300 MW供热汽轮发电机组高中压缸刷式汽封改造后出现的高中压转子振动故障，描述了高中压转子振动故障的现象及特征，分析了高中压转子振动故障产生的原因，通过分析总结如下：

(1) 机组高中压缸刷式汽封改造的范围较大，其刷毛伸长量是硬齿与转子间隙的一半，导致预留的绝对动静间隙较小。

(2) 机组多次启动不能通过高中压转子一阶临界转速，直接反应为高中压转子振动超标，其根源为高中压转子摩擦振动故障与高中压转子一阶不平衡振动的耦合振动故障在高中压转子一阶临界转速下的共同作用所致。

(3) 对于机组的高中压转子的一阶临界转速下的振动故障，在现场无法对转子进行处理的情况下，采用现场对高中压转子的动平衡措施，是降低高中压转子一阶振动的有效方法。

(4) 对于现场高中压转子的多因素振动故障耦合，首先在现有的条件下，实现多因素的振动故障解耦，由浅入深、分层次消除引起高中压转子振动的因素，确保高中压转子振动在优良范围内，保证机组的安全稳定运行。

参考文献：

[1] 王凤良. 大型汽轮发电机组在不同工况下的碰摩研究[J]. 发电设备, 2015, 29(1): 27-30.

[2] 蔡文方, 吴文健, 应光耀, 等. 300 MW机组通流改造后汽流激振故障的分析与处理[J]. 汽轮机技术, 2016, 58(1): 69-71.

[3] 牟法海, 王文营, 张林茂, 等. 300 MW汽轮发电机组不稳定振动的原因分析及处理[J]. 汽轮机技术, 2011, 53(5): 393-394, 397.

[4] 杨新华, 张丽娟, 陈冬冬, 等. 300 MW汽轮发电机组的振动分析与处理[J]. 大电机技术, 2010(2): 18-20, 29.

[5] 王凤良, 府冬明, 崔英龙, 等. 300 MW汽轮发电机组轴振跳变分析及处理[J]. 汽轮机技术, 2013, 55(4): 279-281, 284.