600MW机组汽动引风机汽轮机振动异常分析及处理

600MW机组汽动引风机汽轮机振动异常分析及处理

杨 ,鑫

中国能源建设集团华中电力试验研究院有限公司，湖南 长沙410015

摘要：某600MW热电厂汽动引风机在机组带负荷试运期间，汽动引风机汽轮机的#2瓦轴振随着引风机负荷的上升而异常升高，#2轴X向振动最高达到162μm（160μm保护跳机）。在机组负荷420MW负荷以上时，汽动引风机汽轮机的振动随着引风机负荷的上升而变化剧烈，严重影响机组带高负荷运行。本文针对引风机汽轮机轴振异常的原因进行分析，并提出了具体的处理方案和建议，为以后同类型的机组调试和运行提供参考意见。

关键词：汽动引风机；汽轮机；振动异常；排汽压力；气流激振

1  前言

   汽动引风机汽轮机（以下简称“汽引小机”）轴振动的大小，是汽动引风机在运行过程中能够正常运行，维持锅炉负压稳定的重要运行参数。对于汽引小机来说，微小的振动是不可避免的，振动的幅度只要不超过厂家规定的振动限值，设备就能正常运行，这种振动对汽引小机启动和运行没有影响。但是出现超过振动规定的极限值时，会使得汽轮机的动静部分发生摩擦，严重时会造成轴承损坏，转子的变形、弯曲甚至断裂，此时必须停止设备运行，查明异常振动的原因，消除缺陷。

2  机组概况

某600MW超超临界锅炉配备一台容量为40%THA的动叶可调轴流式电动引风机和一台容量为100% BMCR的动叶可调轴流式汽动引风机。引风机系统主要用来形成并维持锅炉的平衡通风。汽动引风机采用背压式汽轮机拖动。

汽引小机为东方电气集团东方汽轮机有限公司制造的B9.43-5.25/1.0单缸、单轴、冲动式、上排汽背压式汽轮机。汽轮机转子与引风机转子通过变速齿轮箱连接而成，汽轮机共2个轴瓦，均为可倾瓦，#1、#2轴承都是落地式轴承座。汽轮机进汽调节阀采用提板式群阀结构设计。进汽控制方式为两侧主汽阀进汽通过调节提板阀控制四个连杆滑阀顺序开度向4个独立的喷嘴腔室供汽。汽源来自锅炉一级再热器出口，在BMCR工况下，温度约504℃、压力约5.868MPa。

汽引小机转速调节范围4135～4800r/min，通过转速比6.46:1齿轮箱传动至引风机（640～743r/min）。汽引小机转子一阶临界转速为2499r/min，二阶临界转速为7990r/min。轴系临界转速区间为：2349r/min-2649r/min。

图1 汽动引风机轴系示意图

3  汽动引风机汽轮机振动异常简介

2022年07月24日，机组负荷447MW，升负荷过程中汽引小机振动波动较大，机组负荷升至489MW时，#2轴承X向振动上升至131μm，Y向振动上升至106.5μm，04时12分开始降低机组负荷至380MW，汽动引风机小机振动下降至正常值。

2022年07月25日，机组负荷420MW，CCS协调控制增加机组负荷过程中发现汽引小机#2轴承振动随着小机进汽流量的改变而剧烈变化，#2轴承X向振动上升至151μm，Y向振动上升至120μm，期间汽引小机转速维持在4321r/min～4724r/min，引风机动叶开度在50.7%～63.5%之间变化。

4 汽动引风机汽轮机异常振动分析

4.1 振动现象描述

（1）汽引小机在不同工况下，1号轴和#2轴的振动数据如下表所示：

表1汽引小机不同工况下轴振动（μm）

（2）机组负荷420MW以下运行期间，汽引小机随着风机负荷的变化轴振变化并不大。

（3）机组负荷420MW以上运行，每次协调控制变负荷时随着汽引小机进汽流量的变化#2轴X方向振动会快速增长至150μm左右，待烟风系统稳定后，轴振下降至70μm左右保持平稳。

（4）机组负荷420MW以上运行，汽引小机进汽流量的增加会引起汽轮机轴振快速上升，通过调整润滑油温、进汽参数（压力和温度）等方法后，小机振动无明显改善。

4.2 振动原因分析

通过观察汽引小机冷态启动及机组并网后的运行情况可以看出，汽引小机转子的瓦温、膨胀都较好，滑销系统无异常，通过对汽引小机在机组420MW负荷前、后的振动变化情况可以看出：

汽动引风机在高负荷工况时，汽引小机#2轴振动随机组负荷变化非常敏感，高负荷工况下随着汽引小机进汽流量的增加其#2轴振会增大至报警值甚至跳机值以上（150μm以上）；待汽动引风机负荷平稳后，汽引小机#2轴振会快速下降，恢复至正常值（70μm左右）。曲线如下图所示：

图2机组变负荷工况时小机轴振动变化曲线

以上汽引小机#2轴振变化情况及特征分析表明：

（1）汽引小机在盘车状态下#2轴振动数值偏高以及高负荷振动异常表明#2轴承工作异常，需对其安装数据进行复查，确认各项数据符合汽轮机厂家的要求。

（2）通过对比汽引小机不同负荷下的振动变化，可以发现#2轴振与其进汽流量有直接关系，振动随机组负荷变化而变化，且这种振动变化会重复出现，此类振动与汽流激振产生的振动非常类似。

（3）由于机组在整套启动调试期间无法长时间停机对汽引小机进行检修，为了保证机组整套启动调试的顺利进行，可对风机运行参数和控制方式进行调整和优化，防止汽引小机因机组负荷变化而振动突变至跳机值引起机组停运。

5 解决异常振动的措施

5.1 汽动引风机汽轮机本体及其系统检查

5.1.1 检查汽引小机#2轴振信号

汽引小机在盘车状态下#2轴振数值偏高，通过对振动信号受干扰检查、振动测量探头安装间隙、质量的检查后发现汽引小机#2轴的振动测量数值并未误发，在更换振动测量探头后#2轴振动数值并未改善，因此判断#2轴振是真实反映的数值。

5.1.2 检查汽引小机膨胀

汽引小机并未设计汽缸膨胀、胀差等监视参数，DCS控制画面无法监视机组在启动及运行期间汽缸、转子的膨胀情况。汽引小机出现高负荷工况轴振大故障后，经现场检查发现汽引小机滑销系统有较高的光洁度，并与缸体的结合面的间隙负荷设计要求，滑块并无锈蚀或变形的情况，判断滑销系统工作正常，通过在汽引小机汽缸两侧架设百分表监测汽引小机汽缸膨胀，发现汽引小机缸体膨胀均匀，膨胀量符合设计要求，判断汽引小机膨胀并未受阻。

5.1.3 检查汽引小机进、排汽管道布置。

汽轮机进汽管道与汽缸处于冷态热态交替变换时，汽缸本体受力也是随着管道膨胀量和汽缸膨胀量各工况点交替变化的。如果蒸汽管道的推力、力矩超出了汽轮机承受的范围，将使汽轮机动、静部分的同心度和间隙遭到破坏，导致汽轮机剧烈振动[[1]]

为了排除汽引小机进、排汽管道对轴系振动的异常影响，对汽引小机进、排汽管道的膨胀节，硬支撑、弹簧支撑、以及吊架进行了细致的检查，发现汽引小机进、排汽管道的线位移、角位移均未超限，判断整个管道系统并未产生影响汽轮机振动的异常推力，随后对进排、汽管道进行了全面的热紧处理。

5.2 运行参数和控制方式的调整与优化

5.2.1 加强监视，优化风机控制方式

机组负荷在420MW以上运行时，CCS控制增加机组负荷时，随负荷变化汽引小机振动值会明显增加，故为避免机组在高负荷区间下负荷变动而引起汽引小机的轴振突变，在负荷增长期间尽可能维持汽引小机进汽流量的平稳增长，同时汽引小机的振动纳入实时监视，在机组增加负荷的过程中，若汽引小机振动快速上升至报警值时，可适量降低汽引小机转速或者改变炉膛负压设定值来减缓汽引小机进汽流量的增加，可有效降低汽引小机的轴振上升。

在机组正常运行时，汽动引风机投入自动调节模式。其调节控制方式有两种，分别为风机动叶自动和风机转速自动。经过反复的观察和调整发现，机组负荷420MW以上时，将风机控制方式切换为动叶控制，动叶开度维持在55%～80%之间调整炉膛负压，此时汽引小机转速维持在4200r/min左右运行时可以最大程度减少汽引小机轴振的突变，将汽引小机轴振的峰值维持在135μm以内，减少汽引小机保护跳闸的风险。

5.2.2 调整汽引小机排汽压力

汽动引风机运行时，高压蒸汽经汽引小机左右两侧的主汽阀进入，通过调节阀后进入汽轮机做功，压力逐级递减，最终经汽引小机排汽口排出。当汽引小机进汽压力稳定时，如果排汽压力过高，则表明汽机内部各级的工作压力均高于设计值，则可能对汽缸和排汽管道造成破坏，形成较为严重的安全生产事故，因此需对排汽压力高进行限制。若排汽压力相比进汽压力过低，则汽机内部通流各级前后压差将增大，隔板、叶轮和动叶片的强度经受考验，因此需对排汽压力进行限制。

维持汽引小机转速4200r/min左右运行期间，通过调整汽引小机排汽压力在0.5MPa～0.6MPa运行时发现，汽引小机的#2轴振在机组高负荷工况下发生负荷变动时，汽引小机的振动上升趋势有所缓减。机组在CCS控制方式下以10MW/min的速率增加负荷至600MW的过程中，汽动引风机全程在自动控制，能够使汽引小机轴振维持在保护动作值以下运行，减小了机组事故停机的风险。

5.3 减小汽引小机汽流激振故障

通过分析汽引小机#2轴振与其进汽流量、机组负荷变化关系和查看汽引小机的振动频谱发现，汽引小机#2轴振变化会随着负荷的变化重复出现（图1所示），振动频谱显示汽引小机#2轴低频振动明显，与汽流激振产生的振动非常类似。

汽流激振力过大和轴瓦稳定性差是造成汽流激振故障的主要原因。汽流激振是突发性故障，在通过特定负荷或高负荷下，汽引小机配汽方式发生改变、运行参数变化或运行中轴承座标高变化等因素导致轴瓦稳定性降低，此时容易诱发汽流激振，故障发生后，其通频振幅迅速增大，而增大的频率成分主要为低频[[2]]。

5.3.1 减小汽流激振力

消除汽流激振的根本性措施是减小激振力。消除或减小汽引小机所受激振力的主要措施有：在机组420MW以上负荷调整时要加强

汽引小机调门开度和轴振监视，使汽引小机调门开度维持在50%～75%之间；机组正常升降负荷时控制负荷升降速率不超过6MW/min，为防止汽引小机胀差突变，运行中应保持汽引小机进汽参数平稳变化。待机组停运，进行检修时检查#2轴承的紧力是否满足设计要求；检查#2轴承轴颈与瓦面的接触带是否均匀且接触带平行；检查#2轴承球面间隙、轴承的顶隙是否符合设计要求（顶隙可按照设计值的下限进行控制）；检查汽引小机与齿轮箱的对中是否符合设计要求。

5.3.2 提高轴瓦稳定性

轴瓦稳定性提高，则系统阻尼增大，能增强对激振力扰动的抑制，降低发生汽流激振的可能性。可在汽引小机运行过程中控制润滑油温度在45℃左右运行；调整轴封风机的出力，调整轴封漏汽正常；停机检修时通过修刮#2轴承瓦块的瓦面使得轴承宽度减窄（调整轴承的比压）；更换提板阀的阀序来优化汽引小机的配汽方式；调整轴瓦间隙及轴承座标高；消除轴瓦本身缺陷，如损伤等；消除轴系不平衡带来的扰动。

6 处理结果

通过实施上述的调整优化和处理措施后，再次进行了汽引小机高负荷试运。在机组负荷420MW上升至600MW的过程中，汽引小机#2轴振动较调整前有所改善，振动数值如下表：

通过表1、表2比较（同工况）轴系振动情况比较可知：通过控制汽引小机排汽压力、调整汽动引风机控制方式以及采取措施减小汽引小机汽流激振故障等措施后，改善了机组在高负荷工况运行时汽引小机轴系的振动情况，保证了机组的安全运行。

7 结论

    通过对汽引小机的#2轴异常振动的分析，判断和处理，可以得出汽引小机在高负荷工况下运行出现异常振动是设计、安装、运行等多方因素导致的，单一的调整并不能改善汽引小机的轴系振动，为避免以后同类型的机组出现此类异常工况，可采取以下措施：

（1）机组运行期间，应采用对机组扰动最小的控制方式，尽量减少机组负荷的大幅波动；机组启动时应防止机组暖机不充分出现汽缸膨胀不均、胀差超限导致的动静碰摩；运行时适当调整润滑油温度和轴封蒸汽参数，找到轴承稳定性最佳的运行参数；对机组易发生振动突变的负荷段，应尽量少停留或快速通过。

（2）产品设计之初，应充分考虑汽流激振影响造成轴承的不稳定性，设计产品时应选用稳定性好的轴承；设计时选用合理的阀序，优化汽轮机的配汽方式，预防机组出现气流激振故障。

（2）设备安装时，应保证机组转子、齿轮箱对中良好；汽缸转子之间的动静间隙均匀；必要时也可通过改变轴承几何形状（如减小长径比、调整轴承座标高、增大比压、减小轴瓦顶隙等）来提高轴瓦的稳定性。

[[1]] 张林雁 . 离心式压缩机及汽轮机的平面布置及管道设计 [J].炼油技术与工程，2009，39(8):52-53.

[[2]] 宋光雄，陈松平，宋君辉，梁会钊 汽轮机组汽流激振故障原因及分析[N].动力工程学报,2012:773-774

作者简介：杨鑫（男），1989年11月，民族：汉族，籍贯：湖南邵阳，学历：本科，职称：工程师，研究方向：大型火力发电厂汽轮机、锅炉等热力设备安装、调试及火电建设工程管理工作