汽轮机启动过程中的振动故障分析及处理措施

陈令国 王家旭

（山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266000）

一、汽轮机启动振动故障概述

（一）研究背景

随着电力工业的发展和环保要求的不断提高，大容量、高参数汽轮机组在我国现有机组中占有重要地位。随着大机组效率要求的不断提高，转子与定子之间的间隙减小，接触碰摩故障的可能性增大。汽轮机组旋转和静止部件碰摩是机组运行中的常见故障。接触碰摩故障会使汽轮机转子产生非常复杂的振动，严重时会导致转子永久弯曲，甚至破坏整个轴系。因此，准确分析和诊断接触碰摩故障，研究和分析接触碰摩故障机理，无疑将提高机组运行的安全性和经济性，防止重大事故的发生。

（二）故障机理分析

汽轮机组低压末级叶片为枞树形松装叶根型叶片，设计技术成熟，应用广泛。汽轮机组低压转子接触碰摩故障的显著特征是低压叶片末级叶根向进汽侧移动。在过去，不同容量的汽轮机组也经历过类似的叶片轴向位移事故。这种现象是由于叶片定位销材料不合格，造成整个圆形低压末级或整个圆形低压末级的叶根基本上存在轴向位移，轴向位移方向朝向蒸汽出口侧。

二、故障点检测分析及维护处理方法

（一）案例背景

某电厂汽轮机在启动过程中，低压转子3号轴承突然发生强烈振动，引起保护动作，导致汽轮机跳闸。在维修过程中发现，低压缸内低压转子叶轮与隔膜压盖发生了严重的碰磨现象。通过检查分析，找出了摩擦的部位和原因，并进行了相应的处理。在维修后的启动过程中，高中压转子1号轴承的振动增加到跳闸值。为了消除高中压转子碰磨现象，选择了合适的预热速度，并采用速度控制方法使机组启动到工作速度，投入正常运行。本文提到的机组轴系由高中压转子、低压转子和GEN转子组成。高中压转子和低压转子为三轴承支承结构，采用刚性耦合连接。低压转子与 GEN 转子之间采用半柔性联轴器。机组跳闸前负荷为100MW，机组协调运行，主蒸汽压力为13.16 MPa，主蒸汽温度为538.8℃。A/B 引风机、A/B一次风机、A/B 二次风机运行正常。炉膛压力-80pa，冷凝器真空 -94.5 kpa，高压差膨胀1.59 mm，低压差膨胀5.38 mm，轴向位移 -0.058 mm，热膨胀18.33 mm。机组轴系振动、推力瓦温度、轴承金属温度和回油温度均在正常范围内。

汽轮机跳闸时，由于大型汽轮机振动的保护作用，锅炉处于 MFT 状态，发电机断开。根据报警历史，3X 轴振动和3Y 轴振动分别为400.24 μm 和400.24 μm (跳闸值:254μm，报警值:127μm)。机组跳闸停运后，凝汽器蒸汽侧人孔打开，低压缸内听到异响。对低压转子末级叶片进行了宏观检查，未发现异常。确定将低压缸打开检查，然后投入快速冷却装置。

气缸温度降至150℃ 以下后，将连接管、低压外缸和低压内缸吊离，检查了低压转子的全部叶片，未发现断裂。当低压转子转动时，低压内缸仍有摩擦声。高中压转子转动时未发现异常情况。

（二）停机缺陷检测

在试验过程中发现，在低压转子反转5级，隔板蒸汽挡板下部右侧约550mm 长，被提出槽外，有严重的磨损痕迹。隔板蒸汽隔板上部右侧长约450mm，断裂脱落。

对液压缸前6级下部的隔膜压盖进行检查后，发现右压盖分界面错位，压盖齿磨损严重。对低压转子最后一个反转阶段的弓形罩带进行了检查，发现有6处断裂(编号:4-5、12-13、16-17、91-92、97-98、99-100)。裂纹分为5条(序列号:14-15、19-20、23-24、51-52和61-62)，其中23-24条为原裂纹，其余4条为新裂纹。

（三）摩擦部件检测

通过对摩擦部件的分析，认为低压内缸在热膨胀过程中，反方向的右侧和正方向的左侧出现了变形。低压缸隔膜压盖间隙越来越小，低压转子与隔膜压盖之间的摩擦使3号、4号轴振动迅速增大，造成机组跳闸。

（四）维修时所采取的针对性措施

首先，对低压缸的隔膜压盖和隔板进行了全面的检验。为保证蒸汽隔板的安全性和可靠性，更换了脱落和损坏的蒸汽隔板，采用分段氩弧焊。其次，根据维修程序规定的上限，适当增大低压内缸正向右侧和正向左侧隔膜腺和隔板的间隙。再次，对 # 1、# 2和 # 3轴承进行拆卸和全面检查，并将轴承顶部游隙调整到安装设定值的下限。最后，检查和消除低压内缸定位销的开焊和脱落，减少了低压内缸定位销的过大间隙。

三、维修后启动过程中的振动分析及处理

在机组维修后的冷启动过程中，当机组以1500rpm 的中速预热时，操作人员发现1号轴振动上升，决定立即加速。当转速增加到1810rpm 时，1X 和1Y 的振动值分别为290μm 和148μm，并且由于轴振动过大而导致保护动作跳闸。

停机后检查了相关的运行参数。高压内缸上下缸壁温为440°c/442°c，中压缸上下缸壁温为432°c/421°c，转子弯曲值介于0.05 mm-0.08 mm两者之间，各轴承的金属温度、推力瓦温度和回油温度均在正常范围内，使车削齿轮投入运行。

根据振动试验数据分析表明:由于汽缸在冷启动过程中膨胀不足，高中压转子发生轻微摩擦，在1500rpm 时，1号轴振动有爬升现象。在这个时候，正确的方法是降低转速，使汽轮机升温。但转速被迫提高到1810rpm，接近高中压转子的临界转速(高中压转子第一临界转速的计算值为1843rpm)，引起高中压转子强烈共振，1号轴振动迅速增大，造成汽轮机跳闸。

基于上述分析，在机组重新启动时采取了以下控制措施:机组在1200rpm 时开始升温，并连续监测振动30min，当1号轴在稳定转速下的振动变化值小于30μm 时，表明机组消除了高、中压转子的摩擦，机组可以继续加速。否则，减少速度到1000rpm，继续升温，直到振动值在相同的速度保持相对稳定。

此外，为了确保处理方案的安全性和可行性，有限元分析用于评估叶根和叶根装配槽的强度，并检查新叶片的动态频率安全性。采用圆对称边界条件计算叶片模型。六面体网格用于有限元分析，单元类型为c3d8i。对枞树型叶根和叶根组合轮槽的每个接触面设置接触边界条件，轮槽底面固定，周向两侧设置圆对称边界条件。将3000r/m 的离心载荷施加到整个叶根槽上。叶根和叶根槽齿根据杉木型根从上到下编号。根颈修形后，由于根颈宽度的增加和根颈宽度的减小，根颈的平均应力略有下降，而根颈的平均应力略有增加，但原根颈的强度裕度较大。根槽修形引起的平均应力变化不影响叶片的安全运行。叶根槽修形后，叶根槽各齿峰值应力的变化规律与平均应力的变化规律相似，即叶根槽各齿峰值应力减小，叶根槽各齿峰值应力增大，但变化幅度较小。原叶根组合槽的强度裕度较大，叶根组合槽修形引起的峰值应力变化不影响叶片的安全性。

四、结束语

通过实验能够得出，在汽轮机高负荷运行过程中，如果低压缸膨胀不均匀，就容易发生转子与隔板之间的碰摩。在严重的情况下，它会导致绊倒。在维修过程中，采用有针对性的处理方法可以消除低压缸的挠度膨胀。在机组大修后冷启动过程中，通过合理控制升温速度和振动值，可以消除高中压转子的碰磨振动。此外，通过对根部和根部槽修形后的应力比较，根部的平均应力和峰值应力有所降低，有限元分析的平均应力和峰值应力有所增加，但变化幅度不大，原叶根槽的强度裕度较大，根部槽修形引起的峰值应力变化不影响叶片的安全。通过有限元分析计算可以得出，在额定转速条件下，修改叶根和叶根槽后，叶片的动态频率变化不大，对机组的安全稳定运行没有影响。