某15 MW背压式汽机调试期间振动问题分析及处理

彭珍，左兴堂，李泉，张梦哲

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

引言

某钢厂为提高采暖季供热能力，对两台分轴式CCPP 机组进行供热改造，新建一台背压式汽机，在采暖季替代原有两台凝汽式汽机，采用“二拖一”方式运行，余热锅炉产出蒸汽做功后全部供入低压蒸汽热网，提高供热经济性，解决供热能力瓶颈。

该工程选用LB15-5.5/0.981/525 型高温、次高压、单缸、单轴、背压式汽轮机，汽机外缸内装有持环、汽封体等静子部件，为保证缸体均匀膨胀，外缸与持环间设计有夹层加热系统；发电机为QF-15-2型汽轮发电机。机组在调试不同阶段均出现振动超标问题，调试组准确判断问题不同根源，通过针对性调整优化，实现机组顺利投产。

1 启动过程振动问题分析处理

机组轴系由汽机转子、发电机转子和4 个轴承组成，转子间采用刚性联轴器连接，其中1#轴承为推力/支撑复合轴承，其余为支撑轴承，各轴承在轴径斜45°处配有两个轴振探头，用以监控机组振动。机组轴系结构如图1所示：

图1 机组轴系结构图

1.1 暖机转速与临界区重合问题

汽机厂为机组整体供货商，汽机、发电机转子出厂前均单独进行过高速动平衡，其中汽机转子一阶临界转速2 149 r/min，二阶临界转速＞4 000 r/min，发电机转子一阶临界转速1 391 r/min，二阶临界转速＞3 900 r/min，运行说明要求中/高速暖机转速分别为1 200 r/min/2 550 r/min。

机组首次启动冲转至1 200 r/min，定速后各瓦振动均普遍快速升高，超出报警值，降速500 r/min暖机振动可逐渐恢复，再次定速1 200 r/min 时各瓦振动仍普遍升高，无法进行中速暖机，机组打闸投入盘车。在启动过程中，主汽参数、润滑油温稳定，缸体温升膨胀正常，结合各瓦振动普遍呈快速升高的现象，考虑暖机转速与机组临界区重合。

每一个转子，连同支持它的轴承组成的系统，都有若干阶横向振动的固有频率，系统的固有频率只与系统本身的质量、刚度和阻尼有关；在一定转速下，某一阶固有频率可以被转子上的不平衡力激起，这个与固有频率一致的转速就成为临界转速［1］。调试组经分析讨论，将中速暖机转速调整为1000 r/min，机组再次启动定速1 000 r/min，各瓦轴振正常平稳，机组进行中速暖机。各转速下轴瓦振动情况如表1所示。

表1 各转速轴瓦振动情况 单位：um

为确定发电机、汽机实际一阶临界转速，调试过程中结合惰走曲线进行复核，发电机侧轴瓦振动峰值在1 204 r/min，汽机侧轴瓦振动峰值在2 264 r/min，较各转子单独测试时的临界转速均发生一定变化。汽机厂虽为整套供货商，但并未进行轴系整体测试，在实际安装过程中，随轴系的质量、刚度等不同，其固有频率较各转子出厂单独测试时发生改变，轴系的临界转速也同步发生变化，机组首次启动过程中，需结合实际情况摸索调整暖机转速以避开临界区。

1.2 暖机疏水不畅问题

机组1 000 r/min 中速暖机过程中，各瓦振动初始稳定，随暖机时间增长，汽机上下缸温差开始增大，调整增大夹层加热蒸汽，无明显改善；同时机组各瓦振动开始逐渐增大，降速至800 r/min 后振动仍持续上升，机组打闸投入盘车。

投入盘车后，对机组结构特性及运行数据进行分析。该型汽机为内外缸设计，为保证缸体均匀膨胀，内外缸间设计有夹层加热系统系统，加热蒸汽为锅炉主汽，通过汽缸下半夹层疏水管道，进入汽缸中部内外缸之间，提高汽缸膨胀速度及均匀性。汽机本体疏水及汽缸夹层加热系统如图2所示。

图2 汽机本体疏水及汽缸夹层加热系统图

启动过程中主汽参数、润滑油温均保持稳定，但上下缸温差随暖机时间增长而异常增大，且增大加热蒸汽调整无效，进一步分析发现下缸温升速度逐渐减缓，甚至出现下降拐点，期间各瓦振动开始逐渐升高，判断为典型缸体积水现象。

进一步分析缸体积水原因，冲转期间为加快汽缸膨胀，夹层加热蒸汽持续投入，因加热蒸汽为锅炉主汽，参数较高，其通过汽缸下半夹层疏水管道进入汽缸时，会在疏水管道处形成“汽塞”，造成汽缸下半夹层疏水失效。在冷态启机过程中，缸体温度低，疏水量大，仅通过汽缸下半汽室无法充分疏水，缸体逐渐积水后，造成下缸温升减缓，缸温差大，机组振动普遍升高等问题。

查明原因后，在启动过程中，采用间断性投入夹层加热蒸汽的方式，平衡汽缸加热与缸体疏水间的矛盾，机组顺利定速3 000 r/min。机组启动过程中上下缸温升曲线如图3所示。

图3 启动过程中上下缸温升曲线

2 试验过程振动问题分析处理

机组定速进行调速系统动态试验，在调门严密性试验后合格重新挂闸冲转，此时各瓦振动快速升高，以汽机侧尤为突出，触发振动大保护跳闸。惰走期间通过前箱视窗，目视可见机头转子转动偏心；投入盘车后，偏心值达190 μm，远超转子正常偏心量（10～15 μm），连续盘车约6 h 后，偏心恢复正常，判断试验过程中转子发生临时热弯曲。

在进行调门阀门严密性过程中，转子为何会发生临时热弯曲是此次振动异常的焦点问题，因汽机侧轴瓦振动远大于发电机侧，调试组把排查重点集中到汽机轴封系统上。

背压式汽机轴封在启动过程中不需外部辅助蒸汽，机组前轴封有三段撤汽，后轴封有两段撤汽，其中，前轴封一段撤汽接入排汽管道，前轴封二段与后轴封一段撤汽排入疏水扩容罐，前轴封三段与后轴封二段撤汽经由轴加风机进入轴封蒸汽加热器。汽机轴封系统如图4所示。

图4 汽机轴封系统图

机组定速试验期间，未与热网合汽，轴加风机运行，排汽止回阀、排汽速关阀关闭，汽机排汽通过排汽电动门直排大气。在进行调速汽门严密性试验时，单独关闭调速汽门后机组惰走，此时汽机进汽被切断，前后轴封失去汽源，前轴封一段撤汽通过排汽电动门与大气接通，前轴封二段与后轴封一段撤汽通过疏水扩容罐排汽管与大气接通；因轴加风机运行，前轴封三段与后轴封二段处持续处于负压状态，冷空气被抽入轴封腔室，造成转子局部冷却。严密性试验持续约12 min，因时间较短仅形成临时热弯曲，通过连续盘车可以恢复正常。

分析判断原因后，机组重新启动，观察前后轴封漏汽较小未启动轴加风机，继续进行调速系统动态试验，主汽门严密性试验合格后重新挂闸冲转，此次机组一次升速成功，未再发生振动超标问题，说明原因判断准确，措施得当。

3 试运期间振动问题分析处理

机组并网试运期间，各瓦振动均比较稳定，但发电机四瓦振动较大，其中4Y 振动80～85 μm，4X振动125～130 μm，超出报警值。借助在线频谱分析设备，对发电机轴瓦振动进行专题分析，以确定振动原因，发电机振动分析图谱如图5所示。

图5 发电机振动分析图谱

分析趋势图，转速＞2 000 r/min 后，四瓦振动随转速增加而快速上升，定速3 000 r/min后，振动值大于临界区振动，但基本稳定；分析波德图，过临界后四瓦X/Y 振动相位角发生较大改变，定速3 000 r/min 后，三/四瓦X 向相位差152°；分析四瓦振动频谱图，X/Y 振动均以一倍频分量为主，在通频中占比＞95%；分析四瓦轴心轨迹图，呈椭圆形正进动趋势。通过图谱分析，机组四瓦振动大主要原因为发电机转子不平衡［2］，采取现场动平衡的方法解决四瓦振动超标。

从现场动平衡实践来看，采用双面平衡法具有较好的效果［3］，经一次试重调整，最终在在发电机转子三瓦侧端面240°处加重75 g，在四瓦侧端面30°处加重100 g，并网运行后机组振动恢复正常，达到优良区间，动平衡前后机组振动数据见表2。

表2 动平衡前后机组振动数据 单位：μm∠°

4 结语

汽轮发电机组振动的大小，是评价机组安装运行水平的重要依据，在实际运行中引起振动的原因各不相同，与装备制造、安装配合、运行调整均紧密相关。借助振动频谱在线分析工具，分析解决机组调试各阶段的振动超标问题，为同类问题的处理提供参考及建议。