220MW汽輪發(fā)電機組啟動過程振動分析與調(diào)整
220MW汽輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬壁較厚，轉(zhuǎn)子長、尺寸大，因設(shè)備本身的缺陷或操作控制不當(dāng)，在冷態(tài)啟動中經(jīng)常因軸瓦振動大打閘，需重新啟動。文章分析了汽輪機的金屬溫差和差脹、汽缸和轉(zhuǎn)子熱變形、潤滑油溫油壓、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速以及安裝動靜間隙等因素，在啟動過程中對機組產(chǎn)生振動的影響，查找出機組啟動過程中發(fā)生振動的原因和預(yù)防措施，目的是避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致機組振動打閘停機、反復(fù)啟動或引起大軸彎曲的設(shè)備損壞等事故，以保證安全經(jīng)濟啟動汽輪發(fā)電機組。
關(guān)鍵詞：汽輪機啟動振動 分析與調(diào)整技術(shù)措施
1 概述
淮北發(fā)電廠(以下簡稱電廠)N220-130-535-535型汽輪機組是東方汽輪機廠制造(7號機通流部分哈爾濱汽輪機廠改造)，是一種超高壓、一次中間再熱、單軸、三缸三排汽冷凝式的汽輪機組，額定功率220MW，主汽壓力12.75MPa，主、再熱蒸汽溫度535℃。在結(jié)構(gòu)上，汽輪機的通流部分由高、中、低三部分組成，共37級，其中高壓缸采用的是雙層缸，中、低壓缸采用的是單層缸，通過縱銷、橫銷、立銷定位；汽輪機采用高、中、低轉(zhuǎn)子，其中高壓轉(zhuǎn)子和部分中壓轉(zhuǎn)子是整鍛式，部分中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子是套裝式，加上發(fā)電機、勵磁機轉(zhuǎn)子，整個汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子約30m，支撐軸承共11個。發(fā)電機冷卻方式為氫冷加水冷。
此類型汽輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬壁較厚，轉(zhuǎn)子長、尺寸大，在機組啟動中經(jīng)常因設(shè)備本身的缺陷或操作控制不當(dāng)引起機組振動，被迫打閘，反復(fù)多次啟動才能成功。電廠5號、7號機組冷態(tài)啟動非常困難，經(jīng)常在冷態(tài)啟動中因軸瓦振動大打閘，需重新啟動，甚至多次啟動才能成功。引起機組振動的原因很多，有設(shè)計、制造、加5127藝、檢修質(zhì)量和運行調(diào)整等方面的因素，本文就有關(guān)運行方面可能引起機組振動的原因進行分析，并介紹一些必要的措施，希望能供同類型機組啟動時參考。
2 運行方面可能引起機組振動的分析與調(diào)整
2.1 汽輪機金屬溫差對機組振動的影響
汽輪機的啟動過程實際是一個對汽缸轉(zhuǎn)子逐漸的加熱過程，隨著汽輪機沖轉(zhuǎn)開始，汽缸和轉(zhuǎn)子被加熱，溫度不斷升高，汽缸的內(nèi)、外壁經(jīng)過傳導(dǎo)加熱使外壁溫度升高，在內(nèi)外壁之間存在著溫差，內(nèi)壁熱膨脹快，而外壁熱膨脹慢；特別在機組熱態(tài)啟動時，各金屬壁(汽缸內(nèi)、外及上、下壁)之間在啟動前就可能已經(jīng)存在溫差，或由于機組主汽管道或汽缸疏水不充分，發(fā)生水沖擊，導(dǎo)致汽缸上、下缸壁溫差增大，控制不好易使汽缸變形，內(nèi)部徑向間隙變化較大，引起機組振動。電廠5、6、7、8號機組都出現(xiàn)過中壓缸內(nèi)壁上、下溫差超過50℃，有時高達100℃以上的現(xiàn)象。如圖1所示為8號機組高壓缸缸壁溫度350℃左右打閘停機后的中壓缸上、下缸壁溫差變化規(guī)律。
從圖1中看出，在停機3～4h后如果想要安全啟動汽輪機，如采用自然冷卻方式降低金屬壁溫，則大約需要40h后缸溫差降至50℃以下，才能確保機組啟動成功，影響啟動時間。
因此在危險區(qū)域內(nèi)，機組要想啟動，需采用特殊措施(如：提前送軸封備用供汽抽真空，或投用快速冷卻裝置)，減少中壓缸上、下缸壁溫差。等溫差到達安全區(qū)域內(nèi)，開始沖轉(zhuǎn)，并低速暖機，直至上、下缸溫差較小時再按規(guī)定升速。只有這樣，才能保證機組安全啟動。
2.2 汽輪機差脹對軸振的影響
差脹的大小反應(yīng)了汽輪機動靜部分相對間隙的大小。由于操作不當(dāng)可能引起轉(zhuǎn)子和汽缸產(chǎn)生較大的差脹，如果差脹值超標(biāo)，就可能使動靜部分之間軸向間隙消失，發(fā)生動靜摩擦，引起機組強烈振動。差脹是汽缸、轉(zhuǎn)子各金屬部件熱膨脹的反應(yīng)，要使其控制在規(guī)定范圍內(nèi)，必須控制溫升速度(不超過2.5℃／min)及沖轉(zhuǎn)升速率(控制在100～200r／min，過臨界轉(zhuǎn)速時控制在300～600r／min以內(nèi))，選擇合理沖轉(zhuǎn)參數(shù)，沖轉(zhuǎn)時盡量保持主、再熱蒸汽溫度一致或再熱蒸汽溫度略高于主蒸汽溫度，選擇合理的升負荷率，合理的使用汽缸法蘭加熱裝置，適當(dāng)控制好暖機時間，合理使用軸封汽源等……使汽缸的膨脹跟上轉(zhuǎn)子的熱膨脹。影響汽輪機差脹的因素主要有以下4方面。
2.2.1 汽輪機滑銷系統(tǒng)是否卡澀
在啟動時汽輪機差脹指示表的指示要漸漸增大，同時汽輪機外汽缸的絕對膨脹也應(yīng)漸漸增大，不要有跳躍現(xiàn)象，否則就有可能是滑銷系統(tǒng)卡澀。因此，在開機過程中必須同時注意差脹和汽缸絕對膨脹的變化。
2.2.2 汽輪機軸封供汽的影響
由于軸封供汽直接與大軸接觸，其供汽溫度的高低，直接影響著轉(zhuǎn)子的伸長與縮短，啟動時軸封投用備用汽時間越長，就會使高中壓差脹增長越快，有時甚至影響到機組升負荷的進行，影響整機啟動時間。因此，在汽輪發(fā)電機機組啟動過程中，沖轉(zhuǎn)前除氧器使用備用汽源，保持壓力穩(wěn)定，由它供軸封用汽(或軸封用備用汽源，待帶負荷凝結(jié)水回收后，除氧器再切換備用汽源)。
2.2.3 汽缸、法蘭螺栓加熱裝置的影響
在汽輪機啟動、停機時合理投用汽加熱裝置，可以提高或降低汽缸、法蘭螺栓溫度，有效地減少汽缸法蘭螺栓之間的溫差，加快汽缸法蘭螺栓的膨脹或收縮，達到控制差脹在規(guī)定范圍內(nèi)的目的。
2.2.4 凝汽器真空的影響
在沖轉(zhuǎn)暖機過程中，真空的變化會使差脹改變。當(dāng)真空過低時，要保持轉(zhuǎn)速不變，必須增加進入汽輪機的進汽量，使轉(zhuǎn)子加熱快，高壓差脹會增加，中低壓轉(zhuǎn)子由于增加的進汽量會將部分摩擦鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量帶走，其差脹相應(yīng)減少。但排汽缸溫度偏高，加上又有大量的高溫疏水進入凝汽器，當(dāng)排汽缸溫度過高時，可能導(dǎo)致汽缸中心線與軸轉(zhuǎn)子的中心線不一致，嚴重時可能導(dǎo)致動靜部分摩擦，機組產(chǎn)生振動。當(dāng)真空過高時，汽輪機的進汽量少，高中壓轉(zhuǎn)子的差脹減小，中、低壓轉(zhuǎn)子由于排汽量減少，摩擦鼓風(fēng)損失產(chǎn)生的熱量不能及時帶走，其差脹值會偏大。因此開機時真空不能過高，也不能過低，一般為60～70kPa之間。
2.3 汽缸、轉(zhuǎn)子熱變形對振動的影響
2.3.1 汽缸法蘭內(nèi)外壁溫差的影響
汽缸法蘭內(nèi)外壁溫差引起的熱變形也會使機組產(chǎn)生振動，高中壓缸的水平法蘭厚度約為汽缸厚度的4倍。由于加熱條件的不同，法蘭溫度的升高滯后于汽缸，兩者會產(chǎn)生溫差，使汽缸的熱膨脹受到法蘭的制約，容易產(chǎn)生金屬變形。嚴重時會引起動靜部分碰摩，導(dǎo)致機組振動。因此在機組啟動時為減少法蘭內(nèi)外壁溫差，要合理的投用法蘭螺栓加熱裝置，使法蘭的溫度變化跟上汽缸溫度的變化，減少汽缸法蘭的熱變形。
2.3.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲的影響
在汽輪機啟動前由于上、下汽缸存在溫差，使轉(zhuǎn)子上、下部分也存在溫差，或由于軸系的加工質(zhì)量存在問題，造成轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心不平衡，再加上溫差的影響，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生熱彎曲。在熱彎值較大的情況下，啟動汽輪機運行，其產(chǎn)生的不平衡離心力，很有可能會使機組產(chǎn)生強烈振動。所以在機組啟動前要核實、測量轉(zhuǎn)子熱彎曲值，一般不允許超過原始值的0.02mm。若轉(zhuǎn)子熱彎曲值過大要延長盤車時間，檢查汽缸溫差、各疏水是否充分。待彎曲值降低至正常值后，盤車電流穩(wěn)定，內(nèi)部無摩擦聲，方能啟動，嚴禁盲目搶時間啟動。
2.4 潤滑油溫、油壓對振動的影響
(1)潤滑油溫的高低直接影響潤滑油膜的建立…。潤滑油溫過高時，潤滑油的粘度降低，在軸承內(nèi)油膜難以建立，造成油膜不穩(wěn)而引起機組振動。潤滑油溫過低時，油的粘度增大，在軸承內(nèi)油膜的厚度增大，承載能力下降，使油膜不穩(wěn)引起機組振動，所以在機組啟動和運行中，要及時調(diào)整潤滑油溫在38～45℃范圍內(nèi)為最佳。
(2)如果潤滑油供油不足，或軸承進油節(jié)流孔堵塞，會造成油膜不穩(wěn)定或油膜破壞引起振動。因此，開機前做準(zhǔn)備工作時，一定要全面檢查，并檢查到位。
2.5 臨界轉(zhuǎn)速對振動的影響
高、中、低壓幾個轉(zhuǎn)子，加上發(fā)電機轉(zhuǎn)子及勵磁機轉(zhuǎn)子，組成的軸系很長，每個轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在安裝或運行一階段后通常有所偏移，臨界轉(zhuǎn)速帶較寬，加上基礎(chǔ)框架和軸承座等具有較低的自振頻率，這樣在工作轉(zhuǎn)速以下，轉(zhuǎn)子就具有很多個臨界轉(zhuǎn)速和共振轉(zhuǎn)速，以致在啟動過程中很難找到一個合適的停留暖機轉(zhuǎn)速。電廠5號機改造后，就出現(xiàn)過臨界轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計值。在開機時，按照規(guī)程規(guī)定1500r／min暖機時，由于離臨界轉(zhuǎn)速較近，機組振動大被迫停機，重新確定暖機轉(zhuǎn)速1400r／min(目前暖機轉(zhuǎn)速又需調(diào)整至1320r／min左右)，啟動才能成功。因此，機組檢修后啟動時要注意臨界轉(zhuǎn)速是否發(fā)生變化，暖機轉(zhuǎn)速要離臨界轉(zhuǎn)速約150～200r／min。
2.6 汽輪發(fā)電機組各部件膨脹受阻(或安裝動靜間隙偏小)對振動的影響
整個汽輪發(fā)電機組構(gòu)件很多、軸系較長，如若某處由于某種原因在機組啟動過程中膨脹(或停機時收縮)受阻存在不暢現(xiàn)象，譬如：基礎(chǔ)臺板、軸承及軸承座和軸承及擋油環(huán)、汽缸靜止部件等，在機組啟動特別是在冷態(tài)啟動時，由于某部件存在輕微卡澀，如果啟動升速較快，暖機時間不充分，沒等到輕微受卡部件得到膨脹，使動靜間隙恢復(fù)至正常范圍，將會發(fā)生碰摩現(xiàn)象，引起振動增大，稍有不慎，就可能會發(fā)生因振動大停機，需要采取措施再開機，該電廠幾臺220MW機組均不同程度的存在此現(xiàn)象。因此，在開機時，要密切注意各軸承的軸振和蓋振變化，根據(jù)情況多設(shè)暖機點(保持再熱蒸汽溫度接近或高于主蒸汽溫度)，盡量增加機組進汽量，保證軸封供汽充足，潤滑油溫不能偏離規(guī)定值，發(fā)電機人口風(fēng)溫不能很低，并網(wǎng)后盡可能接帶負荷，讓受熱較少的部件盡可能多的得到加熱膨脹。通過對振動值變化規(guī)律的分析，如果是因為某處動靜間隙偏小引起振動，則需要聯(lián)系檢修人員檢查處理。
3 機組啟動應(yīng)采取的對策
在機組啟動時，運行人員首先要具有符合規(guī)定的測振監(jiān)視，否則汽輪機不應(yīng)啟動。其次，沖轉(zhuǎn)前大軸晃動度、差脹、汽缸和法蘭各部件的溫差、蒸汽參數(shù)應(yīng)符合要求，否則禁止沖動轉(zhuǎn)子。再者，要合理地選擇暖機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定暖機轉(zhuǎn)速應(yīng)避開各階臨界轉(zhuǎn)速的振動靈敏區(qū)。根據(jù)機組振動現(xiàn)象，分析機組振動原因，合理地采取相應(yīng)的技術(shù)措施，保證每次啟動一次成功。
3.1 防止機組啟動時因金屬部件膨脹受阻引起振動的技術(shù)措施
為了減少機組啟動振動，電廠根據(jù)220Mw機組的特殊情況，針對7號機組在冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)升速過程中2、3、4號瓦及5、6、7號瓦振動可能超限，為此制定了以下防止啟動振動技術(shù)措施。
(1)機組啟動時，控制低壓差脹負值，在沖轉(zhuǎn)前低壓差脹應(yīng)大于-2.0mm。如發(fā)現(xiàn)差脹異常，可以提前軸封供汽，維持較高真空。
(2)沖轉(zhuǎn)時真空度保持70kPa左右。
(3)嚴格監(jiān)視汽輪機盤車運行時的振動，傾聽各瓦聲音，如有異常查明原因，消除后才能啟動。
(4)機組冷態(tài)啟動時，為降低凝器熱負荷，盡量增大二、三級旁路減溫水量(同時應(yīng)防止二級旁路振動，保持凝結(jié)水壓力穩(wěn)定時，二級旁路維持在50％開度)。
(5)調(diào)整密封油冷油器，保證空、氫側(cè)密封瓦進油溫度基本一致。
(6)沖轉(zhuǎn)過程中保持潤滑油溫度穩(wěn)定在40℃左右。
(7)及時投入汽加熱裝置，保證上下缸溫差盡量減小。
(8)沖轉(zhuǎn)后盤車停運時，盤車潤滑油門不關(guān)閉。
(9)冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)選擇較高參數(shù)，汽溫、汽壓選擇上限；保證冷態(tài)啟動并網(wǎng)后機組能夠迅速帶負荷至20MW左右。
(10)冷態(tài)啟動過程，在500r／min下暖機5min，全面檢查各瓦振動、聲音。在800r／min暖機到汽缸壁溫度超過150℃以上，再選擇200r／min升速率升速至1400r／min。1400r／min暖機20～30min。綜合分析機組狀態(tài)后，確定下一步啟動方案，原則上，條件具備選擇升速率200r／min直接升速到3000r／min立即并網(wǎng)。
(11)鑒于7號汽輪發(fā)電機組沖轉(zhuǎn)升速過程中2、3、4、5、6、7號瓦振動均可能超限，每次冷態(tài)啟動要加強對振動的監(jiān)視，并安排運行人員專人在車頭準(zhǔn)備異常情況下的打閘。
通過上述技術(shù)措施的采取，保證了7號機組在冷態(tài)啟動時的成功率，近幾年7號機組關(guān)停前每次冷態(tài)啟動均是一次成功，為廠里節(jié)約了大量的燃油資金，也確保了機組的安全、經(jīng)濟運行。
3.2 防止機組啟動時上、下缸壁溫差超限引起振動的技術(shù)措施
為了防止汽輪發(fā)電機組啟動中因上、下缸壁溫差超限引起振動，電廠根據(jù)各機組中壓缸結(jié)構(gòu)的特殊情況，針對5號、8號機組在熱態(tài)啟動時中壓缸上、下缸金屬壁溫差超限，影響機組安全啟動，特采取了以下操作措施：
(1)針對金屬壁溫差大，機組又需要在較短時間內(nèi)啟動。根據(jù)啟動計劃，提前送軸封備用汽源，啟動射水泵或真空泵抽真空。
(2)將高壓缸封缸，并注意其壁溫變化情況(每2h進行疏水1次)。
(3)真空度不能過高，保持50kPa左右。
(4)每10～15min抄缸壁溫度1次，注意缸壁溫度變化情況。
(5)還可以采用投用快速冷卻裝置，提高冷卻空氣溫度，當(dāng)其高于中壓缸上缸內(nèi)壁溫度，投用快冷裝置，減少溫差。
2008年6月21日和6月22日，通過采取投用快速冷卻裝置和送軸封抽真空法，減少中壓缸上、下缸壁溫差，效果非常明顯。從送軸封抽真空開始，4h后中壓缸上、下缸壁溫差由80℃恢復(fù)到安全啟動范圍內(nèi)，與自然冷卻等待相比明顯減少，啟動可以提前10h左右完成。
4 結(jié)束語
總之，在開機過程中引起機組振動的原因很多，運行人員要熟悉掌握有關(guān)機組振動的基本知識，了解引起機組振動的各方面因素，并提前預(yù)防、處理開機過程中易引起機組振動的不合理因素，及時采取有效措施，以確保機組的安全、經(jīng)濟啟動，又能提前使機組多發(fā)電，提高機組效益；因此，保障機組啟動過程的正常進行，使機組安全正常啟動就是巨大的效益。
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