135 MW汽轮机组转子热弯曲故障机理分析与对策研究

廖荣震，朱桂华，谢 民

（1 中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083；2 湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司，湖南湘潭 411101）

引言

某钢厂有2 台135 MW 汽轮发电机组，汽轮机型号N135-13.2/535/535-3、发电机型号QF-150-2-15.75，分别为由东方汽轮机有限公司和东方电机有限公司制造[1],是全国第三家同类型机组使用单位。2 台机组投产后日均发电量保持在648 万kWh 以上，一年累计创效16 亿元，是公司内部高效自发电创效和充分消耗煤气能源保护环境的关键设备，在企业中占有极其重要的地位。然而2台机组投产后运行欠稳定，曾一个月内连续发生6 起轴系振动超高停机事故，机组在每次启动冲转过程，转子热弯曲故障频发，引起轴系振动烈度非常严重，频繁出现机组冲转失败，机组冲转升速至并网发电时间均超过20 h 以上，企业经济损失巨大。有鉴于此，本文针对135 MW汽轮机组转子热弯曲故障开展机理分析与对策研究，并进行实验验证，有效地攻克机组转子热弯曲故障的难题，为机组的稳定运行提供了实质的理论和技术支撑。

1 机组轴系结构介绍

本机组为超高压高温、中间再热、双缸双排汽冷凝式汽轮发电机，主轴由高中压转子、低压转子、发电机转子以及主油泵、励磁机等组成[2]。机组转子临界转速见表1。

表1 机组转子临界转速

机组的盘车装置转速为4.5 r/min。机组高中压转子和低压转子均为整锻转子，高中压转子材质为30CrMo1V，转子总长5 940 mm（不含主油泵轴和危急遮断器），总重量为14.1 t（包括叶片和主轴泵轴）；低压转子材质为30Cr2Ni4MoV，转子总长4 820 mm，末级动叶高660 mm，总重量为24 t（包括叶片重量）。轴系结构如图1所示，高中压与低压转子用刚性联轴器连接，低压转子与发电机转子用半挠性联轴器连接；高中压及低压转子由前轴承箱内的1#轴承、中轴承箱内的2#轴承和后轴承箱内的3#轴承支承。

图1 135 MW汽轮发电机组轴系结构

2 转子热弯曲故障机理分析

2.1 转子弯曲故障特性

引起135 MW汽轮机组转子弯曲故障包括转子永久性弯曲、转子初始弯曲和转子热弯曲。

转子永久性弯曲可简述为转子发生了严重的塑性变形，是转子弯曲故障中最致命的特性。转子初始弯曲可简述为转子在静止状态下因自身重力的影响发生的弹性变形，是所有非悬臂支撑结构的长轴转子所具有的共性故障特性。转子热弯曲可简述为转子在冷态下升温过程中内部受热膨胀不均或在热态下降温过程中内部散热收缩不均而发生的弹性变形，是转子弯曲故障中最常见的特性。

2.2 转子热弯曲故障主要机理

对转子毛坯锻造时，转子内部残余应力未消除，在转子受热时内部残余应力大量释放。

机组启机过程中，暖机不充分，转子轴心温度未达到121 ℃以上，转子内部热膨胀不均。

因低压缸喷水降温设施故障引发热膨胀，致使低压转子及动叶部位热膨胀不均。

2.3 转子热弯曲故障时机组轴系振动特征

振动频率主要表现在fr（1X）上（即工频），二倍（2x）、三倍（3x）、四倍（4x）成分少且占比低，振动频谱范围明显。

机组升速过程中，轴系振动突变不稳定，特别是在低速区间时轴系各处振动激荡且长期处于80 μm 以上的振幅，在过临界转速时振动烈度强且振幅达到180 μm以上甚至更高。

轴心轨迹为偏心的椭圆。

2.4 转子热弯曲时机组轴系振动曲线特征

参考动力学方程中转子弯曲广义力[4]，可知转子弯曲广义力列向量

式中：K1——转子的整体刚度矩阵；

Ω——转子的角速度；

rx，ry——转子的弯曲向量；

t——时间。

机组总长13.5 m（不包含发电机），高中压转子总重量为14.1 t，低压转子总重量为24 t，在建模分析时，依据轴颈变化位置将该转子分成29 个节点。在不考虑转子质量不平衡的影响下，假设转子系统存在如图2 所示弯曲曲线，将弯曲初始相位设为0°，将曲线加入到纯弯曲情况下的转子系统中，进行有限元动力学计算，可得如图3 所示的转子发生弯曲时轴系振动趋势变化图。

图2 转子弯曲曲线示意图

图3 转子弯曲时振动响应曲线示意图

从图3 转子相位/振幅随转速变化的趋势图可以看出，机组在低转速时转子就出现振动在80 μm以上的高值，特别在过一阶临界转速时和二阶临界转速时轴系振动会出现明显的振动峰值，在三阶临界转速时轴系振动影响较小。因此，可以借鉴图3中的趋势和振幅的变化来快速诊断机组在启机过程中转子是否发生热弯曲故障。

3 转子热弯曲故障对策研究

3.1 优化启机程序

机组启动前，根据机组高压内缸上半调节级处内壁金属温度状态，严格按4 种启动方式对机组进行启动，见表2。其中机组冷态升速过程建议按五个阶段来开展：

表2 机组不同状态启动方式

第一阶段（4.5～500 r/min），对机组开展全面检查和低速暖机，分析轴系振动趋势以确定转子是否具有热弯曲故障初始特征。此阶段停留时间不少于60 min。

第二阶段（500～1 100 r/min），对机组开展中速暖机及均匀热膨胀，分析轴系振动趋势以确定转子是否具有热弯曲故障以及严重程度，同时确认机组具备继续升速过临界的相关条件。此阶段停留时间不少于60 min。此阶段需重点关注机组暖机状况，确保转子中心温度不低于121 ℃。

第三阶段（1 100～2 000 r/min），对机组升速过一阶和二阶临界转速，以100～150 r/min2的升速率快速通过，避免停留。此阶段需重点关注轴系振动趋势变化，轴振值控制在150 μm以内。

第四阶段（2 000～2 800 r/min），稳速2 000 r/min 使机组高速暖机充分及热膨胀均匀，确认轴系轴系振动状况及机组过临界后的运行情况，后期继续以100～150 r/min2的升速率快速通过第三阶临界转速。此阶段稳速停留时间不少于30 min。

第五阶段（2 800～3 000 r/min），稳速2 800 r/min 确认轴系轴系振动状况，开展机组并网前的各项确认工作，达到3 000 r/min 定速后，先对机组开展空负荷暖机，然后对机组并网及带负荷。此阶段定速空负荷暖机时间不少于30 min。

在启机升速期间，利用SK9172振动分析仪与机组TSI 振动监测系统相结合，在机组各速度区间对轴系振动状况进行数据采集及趋势分析，建立启机过程中轴系Bode 图、轴系振动趋势图、轴心轨迹图和频谱图，对机组轴系状况进行实时监测，及时分析确定机组存在的故障形式并制定针对性的措施。

3.2 优化盘车及暖机条件

机组开启盘车前，需确认顶轴油压控制在8～14 MPa，并在机组前轴承箱或后轴承箱附近的转子轴径上安装百分表以确定转子被浮起高度不低于0.05 mm，以此确定转子已被油压顶起处于悬浮状态，防止转子与轴承发生摩擦。

机组盘车后，需检查并记录机组转子的偏心度，并与机组原始偏心度数据进行对比分析，确认偏心度变化值是否小于0.03 mm，以此来判断转子有没有发生弯曲变形。

暖机状态时，需避免机组因高中压转子、汽缸受热不均而造成转子热弯曲，建议蒸汽参数和汽缸金属温升控制如下：主蒸汽温升率小于1.5 ℃/min，再热蒸汽温升率小于2 ℃/min，高中压转子外缸和高压转子内缸内、外壁温差小于46.4 ℃，转子中心温度不低于121 ℃，低压缸排汽温度在投喷水前小于80 ℃。

为避免机组升速时引起轴系剧烈的振动，暖机完毕后，机组关键参数需满足以下要求：机组高压缸胀差控制在-3 mm～+6 mm 区间，低压缸胀差控制在-3.2 mm～+6.2 mm 区间，机组转子轴向位移值控制在-1.05 mm～+0.6 mm 区间，各轴承盖振动值不能高于0.03 mm，各部位轴系振动值不能高于80 μm。

机组在第一升速阶段低速暖机时，如果机组存在明显的热弯曲故障特征，则需停机盘车处理，直至热膨胀满足关键参数后方可继续升速；当机组在第二升速阶段运行时，发现轴系振动超限80 μm 且存在明显的热弯曲故障，则需立即降速至第一升速阶段监测运行，不可盲目升速或异常怠速使轴系长期处于高振状态。

3.3 机组轴封喷水装置优化改进

为确保机组轴封喷水装置的稳定，进而保障机组长周期稳定运行，避免机组频繁进行启停机操作而引起转子热弯曲故障和转子本体的疲劳损伤，对轴封喷水装置进行旁路改造，实现轴封喷水装置故障在线消除。

(1)机组轴封喷水装置存在的缺陷

135 MW 汽轮机组的低压缸喷水冷却装置在机组启机和正常运行过程中起着至关重要的作用，一旦轴封喷水装置出现堵塞等异常不能及时工作时，将会造成机组低压缸温度上升和真空度下降，严重的时候将会加剧转子热弯曲故障。

机组轴封喷水装置在原设计上只有一根管道，当出现故障时，无法实现在线及时清洗及排除隐患，每次开展清洗必须停机5 h来作业，在清洗完毕后机组需重新启机冲转升速，不符合汽轮机组严禁频繁启停的工艺要求；同时必将加剧转子热弯曲形变，严重的时候可造成转子永久性弯曲，影响机组的安全运行。

(2)机组轴封喷水装置改进措施

通过对机组的轴封喷水装置管道路径进行分析并改进，确定给轴封冷却装置增加一套旁路，实现过滤网堵塞后及时地在线清洗的功能。优化改进完成后，避免了因滤网堵塞等隐患出现时需进行停机处理的问题，在降低了停机直接经济损失的同时，更在一定程度上确保了机组长周期运行，对机组轴系的保护起着重要的作用。

4 实验结果分析

2019年11月24日对1号机组解体检修后，冷态启机进行了跟踪与记录。

4.1 启机过程验证

盘车状态各参数控制：缸胀5.2/5.3 mm，高中压及低压差胀2.8/1.7 mm，偏心52.3 μm，轴向位移0.2/0.3 mm，缸体温差45 ℃。8:07 冲转，为控制高中压差胀，投入了夹层加热装置，降低了高中压轴封温度。

第一阶段：8:12—8:44转速升至500 r/min后，低速暖机及磨合32 min。

第二阶段：9:04—9:29 转速在600 r/min、700 r/min、800 r/min 观察振动变化，转速1 100 r/min 分析轴系振动情况稳定，中速暖机及磨合25 min。

第三阶段：9:37—9:45转速升至2 000 r/min后，发现汽轮机轴振有爬升趋势但受控。

第四阶段：9:50—14:05 转速升至2 700 r/min后，因轴系振动波动大且趋势不稳定，热膨胀存在不均匀，对机组开展高速暖机255 min。

第五阶段：14:05—14:10 机组升速并定速3 000 r/min，此时缸胀5.9/5.7 mm，高中压及低压差胀3.0/4.3 mm，轴向位移0.1/0.4 mm，缸温245 ℃，开展空负荷暖机，至15:17发电机并网带负荷。

此次启机过程，参照前文提出的启机升速对策，在整个启机过程中，机组升速及过临界转速区间顺畅。

4.2 启机过程轴系Bode图、轴系振动数据分析

在启机过程中，利用SK9172振动分析仪结合机组本体的TSI 本特利监测系统，开展机组各转速下的轴系振动趋势参数采集及分析，建立了启机过程轴系Bode 图。通过分析，在启机低速暖机、中速暖机及监测、过临界区间、高速暖机全过程中，轴系运行平稳，过临界及升速至定速期间，汽轮机轴振见图4 最大119 μm（2x-2 260 r/min），没有明显的转子热弯曲故障的发生。

图4 1号机组冷态启动轴振Bode图

4.3 对机组启机过程轴系振动在各速度下的情况进行统计分析，机组数据整体正常，启机过程轴系振动数据分析见表3。虽出现局部高振，但充分高速暖机后，在机组带负荷运行期间各处轴系振动正常。

表3 冷态开机各转速机组振动值表 μm

5 结论

通过对135MW 汽轮机组转子热弯曲故障的机理分析与对策研究，可以初步获得如下结论：

(1)机组盘车时转子偏心度变化值小于0.03 mm及转子中心温度不低于121 ℃等参数要求。

(2)机组启机严格按照5 个阶段要求对照实施，以实现机组在低速、中速和高速区间的充分暖机的措施。

(3)开展了对机组轴封喷水装置增加旁路的改进，避免机组频繁启停机造成转子热弯曲故障频发和低压缸发生热膨胀造成转子热弯曲故障的发生。