汽轮机中调门振动分析及处理

蔡越

（福建省福能晋南热电有限公司 福建泉州 362200）

0 引言

某厂配备汽轮机是2×30 MW 杭州汽轮机EHNG 50/50/64单缸、单轴、背压式汽轮机。汽轮机为单缸，分为第一膨胀段和第二膨胀段；第一膨胀段设有2 个进汽速关阀和1 个高压调阀，第二膨胀段设有2 个抽汽调门。蒸汽经速关阀、高压调节汽阀进入汽轮机流通部分；蒸汽在第一膨胀段作功后，一部分从气缸下部的第一级抽汽口引出供#1 高加和第二级抽汽口引出供#2 高加、中压供热蒸汽管网；另一部分的蒸汽进入第二膨胀段继续做功，在压力降至排汽压力后从气缸排出除氧器、前置加热器、低压供热蒸汽管网。

机组调节系统是用于带抽汽压力调节、驱动发电机的汽轮机。机组的DEH 控制系统（数字电液控制系统）采用中控的ECS-700 系列。DEH 控制系统的主要功能有转速控制回路、功率控制回路、背压压力控制回路、抽汽控制回路；目的是控制汽轮发电机组的功率、转速、抽汽压力、背压从而满足电厂电负荷和热负荷要求。

机组的DEH 控制系统（数字电液控制系统）采用中控的ECS-700 系统。DEH 控制系统的主要功能有转速控制回路、功率控制回路、背压压力控制回路、抽汽控制回路；目的是控制汽轮发电机组的功率、转速、抽汽压力、背压从而满足电厂电负荷和热负荷要求。机组运行时，DEH 采集现场信号经逻辑及数字运算后输出控制信号，通过电液转换器输出到伺服调节阀，从而控制机组的功率、转速、抽汽压力、背压［1］。

汽轮机电负荷由汽轮机所需要的蒸汽量决定，利用调节阀来控制进汽量，以维持其排汽压力不变；低压机组则根据电负荷需要来调节本身的进汽量，从而改变汽轮机的排汽量。

1 汽轮机调门振动情况简介

因机组负荷变化，汽轮机第二膨胀段与第三膨胀段的抽汽要保持到设计额定压力，保障第二膨胀段与第三膨胀段的抽汽用户有稳定压力的蒸汽，需调节汽轮机调节阀来控制进汽量，以维持其排汽压力不变。

若热负荷过低，汽轮机为了维持压力不变，调节阀无法给定更小的开度时，就需要从主蒸汽母管通过供热系统把主蒸汽母管额定压力12.8 MPa、额定温度535 ℃，通过减温减压阀降至用户所需压力中压用户额定压力2.8 MPa、额定温度341 ℃，低压用户1.0 MPa、额定温度236.6 ℃（图1）。

图1 锅炉主蒸汽系统简图

汽轮机中调门指令给至35%及以下时，有可能出现如下情况：

（1）2021-04-23 20∶48，#1 汽轮机中调门给定指令26%时，#1 机A 侧中调门在指令不变情况下，阀位反馈自行向下关，阀位反馈由25.92%自动降至24.72%后又自行上升至25.92%，若保持阀位指令为26%，大概间隔10 min 发生1 次阀位反馈由25.92%自动降至24.72%后又自行上升至25.92%的情况。

（2）2021-06-01 05∶28，#2 机A 侧中调门，在指令给定24.9%的情况下，反馈异常从18.5%关闭到11.89%，导致油管路振动大。

（3）2021-06-11 08∶06，#1 机中调门给定指令30.4%，反馈A 侧25.5%、B 侧30.4%，给定指令30.4%不变，A 侧反馈突降至12.1%，B 侧反馈突降至16.4%。

（4）2022-10-08 18∶50，#2 机中调门给定指令23.55%，反馈A 侧22.17%、B 侧28.74%，给定指令23.55%不变，A 侧反馈突降至0.13%，B 侧反馈突降至-4.52%，之后A 侧反馈突增至20.31%，B 侧反馈突增至26.72%。

（5）2022-02-19 03∶30，巡检发现#1 机B 侧中调阀阀位反馈在30%时就地振动较大且伴有异常声音，开大至35%后振动消失；又因负荷变化，关小中调门，阀位反馈在33%时阀位波动大，开大至37%后阀位正常。且检查发现#1 机B 侧中调阀油动机呼吸阀因振动导致断裂。

（6）2022-04-27 02∶22，DCS 中调门给定指令39.1%，A 侧中调门反馈开度34%，DCS 缓慢开大中调门至36%开度后，就地检查振动消失。

（7）2022-04-29 04∶25，监盘发现#2 机电负荷、中低压供热流量均无变化的情况下，#2 机二抽流量由15 t/h 突增至38 t/h，二抽压力由2.63 MPa 突增至2.8 MPa，A/B 侧中调门开度由36%/39%自动开大至54%/58%，二抽压力降至2.69 MPa，流量降至12 t/h，之后调整过程中发现#2 机中调门开度较之前同等工况有较大偏差。

（8）2022-02-25，进行#1 机中调门关小试验，B 侧关至35%后，阀门未给指令，B 侧阀位波动幅度大，且油动机及阀门关闭弹簧伴有振动，开大阀门至35%，振动消失。

2 调门振动危害

（1）因热负荷每日夜间变低，需调节汽轮机调节阀来控制进汽量，以维持其排汽压力不变。中调门关小至35%及以下时会发生振动，长时间振动后容易发生指令与反馈偏差的情况，中压调阀指令与反馈偏差变大，具体情况如下：

①2021-07-30 23∶29，#1 机A、B 侧中调门反馈偏差大；中调门指令59.20%，中调门B 侧反馈57.90%，就地指示25 mm；A 侧反馈37.60%，就地指示22 mm。

②2021-04-15 18∶56，#1 机A、B 侧中调门就地开度指示偏差大（B 侧中调门开度约42%时，A 侧中调门开度26%）

③2021-02-26 13∶54，#2 机A、B 侧中调门就地开度指示偏差大（B 侧中调门开度约30%时，A 侧中调门开度不到20%）。

④2020-09-11 09∶47，#2 机中调门指令与反馈偏差严重。（静态时：指令30%，反馈A 侧20.8%，B 侧22.1%。运行时：指令29.03%，反馈A 侧47.2%，B 侧50.5%）。

（2）中调门关小至35%及以下时会发生振动，长时间振动会造成汽轮机调节阀部件的破坏。2022-01-09 07∶16 监盘发现：#2 汽轮机中调门给定指令26.7%，A 侧反馈值20.3%，B 侧反馈值31.9%，二抽流量由41 t/h 突涨至73 t/h。现场检查发现#2 机中调门关节轴承断裂（图2），导致机组运行期间调节阀有全部关闭的风险，若汽门突然关闭会导致机组瞬态甩负荷，产生机组发生停机事故。

图2 关节轴承断裂

（3）中调门关小至35%及以下时会发生振动，长时间振动后调节阀的套筒与蝶阀定位销会出现磨损导致断裂（图3）。若套筒与蝶阀定位销断裂会导致调节阀的套筒与蝶阀脱开，发生机组运行期间调节阀有全部关闭的风险，若汽门突然关闭会导致机组瞬态甩负荷，产生机组发生停机事故。

图3 中调门定位销磨损

3 调门振动故障分析及处理

3.1 油质不良导致调门波动。

汽轮机发电机在正常运行期间，机械部分会发生磨损，如油中水分过大、有杂质、酸值过高或黏度大等问题，在正常运行期间环境温度高，会使机械部分腐蚀，并产生机械杂质，杂质堵塞油流孔导致调速部件卡涩。尤其是油动机油缸内的滑阀与油缸卡涩，会使得有动机活动时卡涩，导致力传导到调阀产生较大的振动。在汽轮发电机组正常运行期间，根据定期油质化验结果对油系统润滑油进行滤油，保障定期油样检测能合格标准内。

3.2 油压波动导致调门波动

EH 油出口油压波动，会影响到调阀油动机波动，导致调阀波动，油压波动本身故障的原因，也有可能是高压储能器皮囊破损造成的。排除此问题需隔离储能器，对储能器压力进行测量，检测储能器压力是否处于规定值，若压力低于规定值应进行充氮使压力达到规定值，若充氮无效则是储能器内部皮囊损坏，需更换新皮囊。若储能器无故障需停机检查油泵有无故障。

3.3 调速系统的迟缓率大

调速系统中由于各部件的摩擦、卡涩、不灵活以及连杆、绞链等结合处的间隙、错油门的重叠度等因素造成的动作迟缓。需对各部件进行检查，检查各部件紧固程度、间隙测量、是否需更换新部件等。若迟缓率过大会使油动机反应延迟，造成调门振动。

3.4 伺服阀故障

伺服阀接受到信号后，若伺服阀故障使油动机摆动造成调阀振动。伺服阀若是热控故障，需检查是否由线路、端子、程序故障引起，此类故障会导致油动机误动或拒动，如误动也有可能造成调阀振动；伺服阀长期在高温、振动环境中运行，伺服阀部件与滑阀刚性联接疲劳产生阀门振动；油质不良或部件卡涩也会造成振动，甚至大幅度的阀门开关。

3.5 LVDT 故障

LVDT 是调阀位移传感器，用来接收调阀的阀位移动信号，并将移动信号变成电信号传递给伺服放大器，然后对调阀进行阀位调节，连杆松动或信号线松动会使LVDT 接收的阀位变化量信号出现偏差，将错误的信号传递给伺服放大器，从而造成调阀突然的阀位变化发生振动。需注意是在LVDT 中，外壳（有3 个线圈，1 个是初级线圈，供给交流电源；另外两侧各饶有1 个次级线圈，这2 个线圈是反向连接，故次级线圈的净输出是2 个次级线圈所感应的电势之差值）是固定不动的，铁芯通过杠杆与油动机活塞杆相连，输出的电信号就代表油动机的位移，也就是调节阀的开度。在长期高温与振动的环境中，LVDT 的铁芯一旦在活动方向上不垂直，与传感器外壳长期摩擦，会导致芯杆磨损、断裂、松动［2］。

3.6 油动机故障

油动机通过杠杆与调阀直接连接（图4），油动机滑阀卡涩会直接导致调阀振动。在油动机行程相同的设定下，无论是正常情况还是卡涩情况，静反馈弹簧拉力不变，所以受力分析式中两者相等。另外，两者除静弹簧拉力值相同外，动反馈压弹簧力等状态稳定的数值都保持初始定值。在油动机行程相同的情况下，卡涩状态下可以得知，在油动机行程相同的情况下，卡涩状态下的滑阀系统转速二次油压数值低于正常情况，所以滑阀系统的二次油压状况与卡涩程度存在直接关系。如果滑阀系阀系统出现的卡涩状况没有得到及时解决，机组负荷必然会在原基础上大幅摆动，从而引起振动。

图4 中压调阀结构

检查错油门有无杂质卡涩回油口等情况，并对错油门进行清洗。油动机运行时卡涩有可能是油内有杂质或滑阀与油缸碰磨，需对油动机进行检修。检查油动机油缸密封件有无缺陷，对油缸内密封检查有缺陷需更换。

3.7 大幅度升降负荷导致阀门振动

汽轮机进汽参数大幅波动会导致调阀振动，主要原因：①人为运行过程中调整操作不合理导致的；②调节系统组成与机构异常，需在停止汽轮机的运行情况下进行拉阀试验，具体操作如下：把调速气门和油动机脱开，全开汽机调节汽门，确保气门保持空转状态。对于负荷实验的模拟，相关人员要将中低压油动机全部打开，利用同步器将设备从零调节到满负荷，再从满负荷调到零。至于油动机工作形成的处理，可以设计分出多个不同停留点位置，逐次给出二次油压，对应油动机形成。如果实验最终结果显示出实际状况一致的负荷大幅度摆动状态，这边代表负荷大幅度摆动的产生于调速汽门、反馈等相关机构无关，加上对转速一次油压的数值分析，基本可以得出转速感应机构和负荷摆动的关系。

3.8 调汽阀设计无法满足实际运行工况

实际运行工况：福建省福能晋南热电有限公司供热分为中压供热及低压供热，中压供热汽源为汽轮机第二级抽汽，蒸汽在高压缸做完功后，经中调门排至汽轮机低压缸继续做功，通过控制中调门开度，可实现不同功率情况下保障中压供热蒸汽压力稳定；低压供热汽源为蒸汽在汽轮机低压缸做完功后的排汽。因热网负荷变化幅度大，当低压供热量降低时，发电机负荷19 MW，汽轮机中调门开度30%，可满足2.7 MPa 的中压供热参数需求，当低压供热量继续降低，发电机负荷降至18 MW 时，此时汽轮机中调门30%开度时无法满足2.7 MPa中压供热压力，需将中调门继续往下关闭，而中调门关至30%以下又剧烈振动，无法保持安全运行，运行人员只能将中压供热从汽轮机抽汽退出，采用从锅炉主蒸汽通过减温减压器把蒸汽压力降至2.7 MPa 到热网中压供热，锅炉主蒸汽母管蒸汽直接减温减压供热未经汽轮机做功，预计每日存在1.2 万～1.5 万kWh的电量浪费。

汽轮机中调门设计结构：本汽轮机中调阀为压力卸载单座阀，阀体座落于汽轮机上汽缸左右两侧，作用是按照控制单元的指令，开大关小阀门，从而改变进入汽轮机第二膨胀段、第三膨胀段的蒸汽流量，以使汽轮机功率和抽气量符合运行要求。

汽轮机中调门振动原因：当需要开大汽轮机中调门时，阀杆拉动阀碟，使阀碟上移；当需要关小汽轮机中调门时，阀杆带动阀碟，使阀碟下移，因套筒及阀碟之间有一定间隙（图4），运行中蒸汽沿该间隙泄露至阀碟上部。当阀碟上部蒸汽聚集到一定值而又无法排泄时，阀碟上部蒸汽压力增大，阀碟上部面积压强增大，阀碟向下挤压，而控制单元未给指令，需维持阀门在此开度，此时，阀碟下压，油动机需克服阀门向下关小的力，引起阀门振动，甚至突然下关。

汽轮机中调门振动处理：汽轮机中调门阀蝶原设计有2×Φ12 的平衡孔（图4），利用停机机会对中调门蝶阀平衡孔进行增加，把中调门蝶阀平衡孔加工为4×Φ12，使得关小汽轮机中调门时套筒及阀碟之间从间隙泄露至阀碟上部的蒸汽排泄量增大，阀碟上部蒸汽压力减小，阀碟上部面积压强减小。

改造后热网负荷变化幅度大，当低压供热量降低时，发电机负荷13 MW，汽轮机中调门开度23%，可满足2.7 MPa 的中压供热参数需求，保持该开度运行现场检查无发现汽轮机中调门振动现象。

4 结语

本文列举了福建省福能晋南热电有限公司汽轮机在运行过程中调门振动带来的危害及情况，分别对中调门振动产生的原因进行分析排查，确定汽轮机中调门运行中振动原因为中调门设计无法满足实际运行工况造成。由于气流激振引起的阀门振动，通过对中调门蝶阀平衡孔进行扩孔，把蝶阀上部蒸汽增大排泄量，减小蝶阀上部压力、压强，消除了低负荷期间汽轮机中调门振动的现象，消除了机组运行安全隐患，增加了每日1.2 万kWh 到1.5 万kWh 的电量，可谓是一举多得。