汽輪機汽封改造引發(fā)的疑難振動故障治理
何國安1，穆元軍2，趙忠海2，張學延1
（1．西安西熱節(jié)能技術有限公司，陜西西安 710032;2．國網(wǎng)能源和豐煤電有限公司，新疆和布克賽爾 834411）
摘要：汽封改造在提高汽輪機熱效率的同時，也引發(fā)了一些機組的振動故障，其中不乏疑難、頑固的振動問題。對某汽輪機在蜂窩汽封改造后出現(xiàn)的振動問題進行分析，得出振動原因是由于該型汽封的技術特點與高中壓軸封工藝設計不匹配，引發(fā)了軸封體變形，同時在一定程度上影響到汽缸膨脹，最終導致了高中壓轉子在軸封處發(fā)牛持久的動靜碰摩。在此基礎上指出，由于許多汽輪機在低負荷工況下，高中壓軸封供汽溫度與附近缸壁都會存在顯著溫差的工藝特點，高中壓軸封應慎重選用蜂窩汽封，以避免因汽封改造帶來的振動問題
關鍵詞：汽輪機；汽封改造；振動：膨脹不暢：動靜碰摩
中圖分類號：TK268．+1 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649,2016.06.057.04
0引言
近年來，在國家大力倡導“節(jié)能減排”的背景下，許多電廠利用大修機會，采用各式新型汽封來替代傳統(tǒng)的迷宮汽封，并把汽封間隙按照相關標準的下限進行調整。這些工作對提高機組熱效率起到了積極作用，但同時也給機組帶來了一些振動問題，其中不乏疑難、頑固的振動故障。本文結合一起困擾電廠3年之久的振動問題，詳細介紹了故障診斷及處理的過程，指出汽封改造應在遵循汽輪機本身工藝特征的基礎上，依據(jù)各類汽封的技術特點，科學、有效地選擇和使用新型汽封，避免給設備帶來安全隱患。
1振動現(xiàn)象
某熱電廠2號機組系亞臨界、330 MW汽輪發(fā)電機組，軸系如圖1所示。該機組自2012年進行蜂窩汽封改造后，在每次啟動過程（特別是冷態(tài)啟動）中，高中壓轉子在低負荷工況下出現(xiàn)大幅的振動波動，且常常超過振動保護值而跳機(見圖2)，這給設備的安全、穩(wěn)定運行帶來較大的風險。
2振動原因分析
基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，并結合2號機組歷次啟停及帶負荷過程的振動、缸脹、軸封供汽等相關參數(shù)的查詢結果，總結高中壓轉子低負荷工況的振動波動主要存在如下特征：
(1)在2012年4-6月2號機組的大修中．高中壓轉子進行了蜂窩汽封改造，6月9日大修后啟動，高中壓轉子開始出現(xiàn)低負荷工況下的振動波動(見圖2），此后歷次啟動升負荷過程均出現(xiàn)了不同程度的振動波動（見表1）。
(2)高中壓轉子在低負荷工況下振動波動的劇烈程度與汽缸溫度有明顯關系，由表l可以看出．當機組啟動距離上一次停機間隔時問越短(即啟動時汽缸溫度越高），啟動后的低負荷工況波動就越趨于緩和，直至在極熱態(tài)下啟動時，低負荷下的振動波動相對有限(見圖3、表1序號2、3、5、7)。
(3)在機組降負荷停機過程中，高中壓轉子在低負荷段也會出現(xiàn)一定程度的振動波動（見圖4）；
(4)振動波動主要表現(xiàn)為基頻成分。
(5)相比于1號機組，2號機組的缸脹速度更慢。
由于振動的異常波動以基頻分量為主，說明振動的性質屬于普通強迫振動。從振動波動發(fā)生時機及可以復原的特征分析，2號機組高中壓轉子在啟動帶負荷過程中的振動波動原因是動靜碰摩故障。機組的動靜碰摩使轉子在圓周方向上產生溫差，引發(fā)轉子熱彎曲，導致振動加大，同時這又加劇了動靜碰摩的劇烈程度，形成惡性循環(huán)，激發(fā)了振動的快速增長。
通常造成動靜碰摩故障的原因有：(1)動靜間隙調整過小或不均勻；(2)運行參數(shù)控制不當引發(fā)的轉子熱彎曲；(3)汽缸膨脹不暢、保溫不良、進冷蒸汽或水等引起的汽缸變形、跑偏；(4)隔板、汽封等結構部件的變形；(5)汽缸或基礎的沉降；(6)機組劇烈的振動。就2號機組而言，由于高巾壓轉子振動波動與汽缸溫度明顯相關、且汽缸膨脹速度偏慢，再加上降負荷停機過程中，在低負荷工況也會出現(xiàn)振動波動，故此診斷該機組動靜碰摩的原因存在2種可能：一是高中壓汽缸膨脹不暢：二是汽封部件的變形。
3動靜碰摩的溯源分析及處理
3.1 依據(jù)汽缸膨脹不暢的故障機理進行振動處理
高中壓缸膨脹不暢使得缸體在受熱時膨脹不暢．受到了壓縮，產生壓應力；冷卻時收縮不暢，受到了拉伸，產生拉應力，這都將使缸體發(fā)生變形．引發(fā)動靜碰摩。一般，汽缸膨脹不暢的常見原因有滑銷系統(tǒng)卡澀、管道額外作用力、缸體被急劇加熱或冷卻，因此在2014年8月停機檢修巾．主要進行了如下檢查和處理：
(1)對滑銷系統(tǒng)的安裝間隙進行檢查，發(fā)現(xiàn)前箱下部的滑銷沒有間隙，隨后在前側左、右滑銷分別加墊，把滑銷問隙調整為0.10 mm。
(2)汽缸滑銷及推拉裝置的外觀檢查，并進行加潤滑脂處理，但實際注入油脂量十分有限。
(3)檢查與高中壓缸相連的大口徑管道．未發(fā)現(xiàn)存在錯位或憋勁的地方．
(4)查詢各抽汽溫度均處于正常范圍，各疏水正常，未發(fā)現(xiàn)缸體被急劇加熱或冷卻。
2014年9月11日，2號機組啟動后發(fā)現(xiàn)．盡管汽缸相比以前膨脹更順暢，但其缸脹的過程曲線仍然不如同型的1號機組平滑，而且低負荷工況下振動的劇烈波動沒有得到改善：同時在停機過程中，通過架設百分表的方法，檢測汽缸冷卻收縮過程的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一些瑕疵，比如：前箱在升壓站側和鍋爐側冷卻收縮數(shù)據(jù)最大相差0.6 mm,這相對于前箱的膨脹基數(shù)來說是偏大的．且升壓站側的收縮數(shù)據(jù)基本不變，這說明前箱的膨脹存在偏斜；這些都表明汽缸仍然存在膨脹不暢的問題。
3.2依據(jù)汽封部件變形的故障機理進行振動處理
依據(jù)汽缸膨脹不暢常見原因進行振動處理的效果不佳后，決定從2號機組汽封部件變形的故障機理、并結合高中壓轉子振動波動發(fā)生時機人手，查找動靜碰摩的原因，具體分析如下：
(1)在2012年6月，2號機組把迷宮汽封（見圖5）改造為蜂窩汽封(見圖6）后，就出現(xiàn)了高中壓轉子在低負荷工況的振動波動故障。相比于其他汽封，蜂窩汽封的顯著特點就是良好的耐磨和密封特性，比如2003年10月，哈爾濱汽輪機廠在模擬試驗機上試驗結果就表明：蜂窩汽封耐磨損性能為鐵素體迷宮汽封的2.5倍：在相同汽封間隙和壓差的條件下，蜂窩汽封比迷宮汽封平均減小泄漏損失約30%～50%。
(2)在冷態(tài)啟動過程中，機組處于低負荷工況下、進入自密封前，高中壓缸軸封供汽來源于輔汽聯(lián)箱（即鄰機的四級抽汽），溫度都在350 ℃左右，而軸封附近的缸壁溫度此時還處于加熱過程巾，與排汽溫度基本相符，大約260 ℃。這表明在低負荷工況下，由于汽輪機工藝設計的特點．軸封供汽與其附近高中壓缸壁溫度總會有90℃左右的溫差。
(3)相比于迷宮汽封，2號機組高中壓軸封采用蜂窩汽封后，由于軸封級間泄漏小，使得高溫軸封供汽被堵在軸封套內，減少了軸向流動．與軸封體及其附近缸壁溫差更為明顯和持久．繼而引發(fā)了軸封體變形，同時在一定程度上會影響汽缸的膨脹。
(4)迷宮汽封由于存在環(huán)形腔室，工質的環(huán)向流動會產生自激擾動，當汽封間隙較小時．就容易出現(xiàn)汽流激振，而蜂窩汽封的蜂窩帶結構會把類似于迷宮汽封的環(huán)形腔室割裂，減小了圓周方向的力，大大減弱了汽流激振產生的可能性．這就使得蜂窩汽封的設計動靜間隙更小。
(5)高中壓轉子遠離一階臨界轉速．處于二階振型運行，而兩端軸封恰好是振型曲線的高點．這就使得運行中更容易在軸封處發(fā)生動靜碰摩。
綜上所述，2號機組高中壓轉子軸封改造成蜂窩汽封后，導致了軸封體的變形，且在一定程度上阻礙了汽缸膨脹，同時由于蜂窩汽封的動靜間隙更小，而轉子運行中的振型高點又恰好在軸封處，高中壓轉子就在軸封處引發(fā)動靜碰摩：同時，蜂窩汽封耐磨性好，使得軸封處的摩擦振動十分持久、頑固，以至于長達數(shù)年。
在2015年8月的機組檢修中，對2號機組高中壓缸進行揭缸檢查后發(fā)現(xiàn)，前、后軸封的密封環(huán)已經(jīng)磨損碎裂(見圖7），這也驗證了早期的診斷結論。隨后在機組的回裝中，把軸封改回到原制造廠的迷宮汽封設計，并對存在明顯劃痕的轉子表面進行打磨處理。檢修后啟動發(fā)現(xiàn)．2號機組高中壓轉子在低負荷工況下的振動波動故障得到徹底消除，且高中壓缸膨脹的異�，F(xiàn)象消失．缸脹曲線變得平滑、順暢。
4結語
2號機組高中壓轉子汽封改造后．由于蜂窩汽封良好的密封特性，引發(fā)了軸封體的變形，同時在一定程度上影響到汽缸的膨脹．再疊加上轉子運行中的振型高點恰好在軸封處、且改造后汽封間隙更小等多重因素影響．導致了高中壓轉子在軸封處發(fā)生持久、頑固的動靜碰摩�？紤]到各型汽輪機在低負荷工況下．高中壓軸封供汽溫度與附近缸壁都會存在90℃左右的溫差，因此與2號機組類似．汽輪機高中壓轉子軸封應慎重使用蜂窩汽封，以盡量避免因汽封改造帶來的振動問題。
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