220MW汽轮发电机组启动过程振动分析与调整

摘 要：220MW汽轮发电机组结构复杂，金属壁较厚，转子长、尺寸大，因设备本身的缺陷或操作控制不当，在冷态启动中经常因轴瓦振动大打闸，需重新启动。文章分析了汽轮机的金属温差和差胀、汽缸和转子热变形、润滑油温油压、转子临界转速以及安装动静间隙等因素，在启动过程中对机组产生振动的影响，查找出机组启动过程中发生振动的原因和预防措施，目的是避免因操作不当导致机组振动打闸停机、反复启动或引起大轴弯曲的设备损坏等事故，以保证安全经济启动汽轮发电机组。
　　关键词：汽轮机启动振动 分析与调整技术措施
　　
　　1　概述
　　淮北发电厂(以下简称电厂)N220-130-535-535型汽轮机组是东方汽轮机厂制造(7号机通流部分哈尔滨汽轮机厂改造)，是一种超高压、一次中间再热、单轴、三缸三排汽冷凝式的汽轮机组，额定功率220MW，主汽压力12.75MPa，主、再热蒸汽温度535℃。在结构上，汽轮机的通流部分由高、中、低三部分组成，共37级，其中高压缸采用的是双层缸，中、低压缸采用的是单层缸，通过纵销、横销、立销定位；汽轮机采用高、中、低转子，其中高压转子和部分中压转子是整锻式，部分中压转子和低压转子是套装式，加上发电机、励磁机转子，整个汽轮发电机组的转子约30m，支撑轴承共11个。发电机冷却方式为氢冷加水冷。
　　此类型汽轮发电机组结构复杂，金属壁较厚，转子长、尺寸大，在机组启动中经常因设备本身的缺陷或操作控制不当引起机组振动，被迫打闸，反复多次启动才能成功。电厂5号、7号机组冷态启动非常困难，经常在冷态启动中因轴瓦振动大打闸，需重新启动，甚至多次启动才能成功。引起机组振动的原因很多，有设计、制造、加5127艺、检修质量和运行调整等方面的因素，本文就有关运行方面可能引起机组振动的原因进行分析，并介绍一些必要的措施，希望能供同类型机组启动时参考。
　　
　　2　运行方面可能引起机组振动的分析与调整
　　
　　2.1　汽轮机金属温差对机组振动的影响
　　汽轮机的启动过程实际是一个对汽缸转子逐渐的加热过程，随着汽轮机冲转开始，汽缸和转子被加热，温度不断升高，汽缸的内、外壁经过传导加热使外壁温度升高，在内外壁之间存在着温差，内壁热膨胀快，而外壁热膨胀慢；特别在机组热态启动时，各金属壁(汽缸内、外及上、下壁)之间在启动前就可能已经存在温差，或由于机组主汽管道或汽缸疏水不充分，发生水冲击，导致汽缸上、下缸壁温差增大，控制不好易使汽缸变形，内部径向间隙变化较大，引起机组振动。电厂5、6、7、8号机组都出现过中压缸内壁上、下温差超过50℃，有时高达100℃以上的现象。如图1所示为8号机组高压缸缸壁温度350℃左右打闸停机后的中压缸上、下缸壁温差变化规律。

从上看出，在停机3～4h后如果想要安全启动汽轮机，如采用自然冷却方式降低金属壁温，则大约需要40h后缸温差降至50℃以下，才能确保机组启动成功，影响启动时间。
　　因此在危险区域内，机组要想启动，需采用特殊措施(如：提前送轴封备用供汽抽真空，或投用快速冷却装置)，减少中压缸上、下缸壁温差。等温差到达安全区域内，开始冲转，并低速暖机，直至上、下缸温差较小时再按规定升速。只有这样，才能保证机组安全启动。
　　2.2　汽轮机差胀对轴振的影响
　　差胀的大小反应了汽轮机动静部分相对间隙的大小。由于操作不当可能引起转子和汽缸产生较大的差胀，如果差胀值超标，就可能使动静部分之间轴向间隙消失，发生动静摩擦，引起机组强烈振动。差胀是汽缸、转子各金属部件热膨胀的反应，要使其控制在规定范围内，必须控制温升速度(不超过2.5℃／min)及冲转升速率(控制在100～200r／min，过临界转速时控制在300～600r／min以内)，选择合理冲转参数，冲转时尽量保持主、再热蒸汽温度一致或再热蒸汽温度略高于主蒸汽温度，选择合理的升负荷率，合理的使用汽缸法兰加热装置，适当控制好暖机时间，合理使用轴封汽源等……使汽缸的膨胀跟上转子的热膨胀。影响汽轮机差胀的因素主要有以下4方面。
　　2.2.1　汽轮机滑销系统是否卡涩
　　在启动时汽轮机差胀指示表的指示要渐渐增大，同时汽轮机外汽缸的绝对膨胀也应渐渐增大，不要有跳跃现象，否则就有可能是滑销系统卡涩。因此，在开机过程中必须同时注意差胀和汽缸绝对膨胀的变化。
　　2.2.2　汽轮机轴封供汽的影响
　　由于轴封供汽直接与大轴接触，其供汽温度的高低，直接影响着转子的伸长与缩短，启动时轴封投用备用汽时间越长，就会使高中压差胀增长越快，有时甚至影响到机组升负荷的进行，影响整机启动时间。因此，在汽轮发电机机组启动过程中，冲转前除氧器使用备用汽源，保持压力稳定，由它供轴封用汽(或轴封用备用汽源，待带负荷凝结水回收后，除氧器再切换备用汽源)。
　　2.2.3　汽缸、法兰螺栓加热装置的影响
　　在汽轮机启动、停机时合理投用汽加热装置，可以提高或降低汽缸、法兰螺栓温度，有效地减少汽缸法兰螺栓之间的温差，加快汽缸法兰螺栓的膨胀或收缩，达到控制差胀在规定范围内的目的。
　　2.2.4　凝汽器真空的影响
　　在冲转暖机过程中，真空的变化会使差胀改变。当真空过低时，要保持转速不变，必须增加进入汽轮机的进汽量，使转子加热快，高压差胀会增加，中低压转子由于增加的进汽量会将部分摩擦鼓风损失产生的热量带走，其差胀相应减少。但排汽缸温度偏高，加上又有大量的高温疏水进入凝汽器，当排汽缸温度过高时，可能导致汽缸中心线与轴转子的中心线不一致，严重时可能导致动静部分摩擦，机组产生振动。当真空过高时，汽轮机的进汽量少，高中压转子的差胀减小，中、低压转子由于排汽量减少，摩擦鼓风损失产生的热量不能及时带走，其差胀值会偏大。因此开机时真空不能过高，也不能过低，一般为60～70kPa之间。
　　2.3　汽缸、转子热变形对振动的影响
　　2.3.1　汽缸法兰内外壁温差的影响
　　汽缸法兰内外壁温差引起的热变形也会使机组产生振动，高中压缸的水平法兰厚度约为汽缸厚度的4倍。由于加热条件的不同，法兰温度的升高滞后于汽缸，两者会产生温差，使汽缸的热膨胀受到法兰的制约，容易产生金属变形。严重时会引起动静部分碰摩，导致机组振动。因此在机组启动时为减少法兰内外壁温差，要合理的投用法兰螺栓加热装置，使法兰的温度变化跟上汽缸温度的变化，减少汽缸法兰的热变形。
　　2.3.2　转子热弯曲的影响
　　在汽轮机启动前由于上、下汽缸存在温差，使转子上、下部分也存在温差，或由于轴系的加工质量存在问题，造成转子的质量中心不平衡，再加上温差的影响，转子会产生热弯曲。在热弯值较大的情况下，启动汽轮机运行，其产生的不平衡离心力，很有可能会使机组产生强烈振动。所以在机组启动前要核实、测量转子热弯曲值，一般不允许超过原始值的0.02mm。若转子热弯曲值过大要延长盘车时间，检查汽缸温差、各疏水是否充分。待弯曲值降低至正常值后，盘车电流稳定，内部无摩擦声，方能启动，严禁盲目抢时间启动。
　　2.4　润滑油温、油压对振动的影响
　　(1)润滑油温的高低直接影响润滑油膜的建立…。润滑油温过高时，润滑油的粘度降低，在轴承内油膜难以建立，造成油膜不稳而引起机组振动。润滑油温过低时，油的粘度增大，在轴承内油膜的厚度增大，承载能力下降，使油膜不稳引起机组振动，所以在机组启动和运行中，要及时调整润滑油温在38～45℃范围内为最佳。
　　(2)如果润滑油供油不足，或轴承进油节流孔堵塞，会造成油膜不稳定或油膜破坏引起振动。因此，开机前做准备工作时，一定要全面检查，并检查到位。
　　2.5　临界转速对振动的影响
　　高、中、低压几个转子，加上发电机转子及励磁机转子，组成的轴系很长，每个转子的临界转速在安装或运行一阶段后通常有所偏移，临界转速带较宽，加上基础框架和轴承座等具有较低的自振频率，这样在工作转速以下，转子就具有很多个临界转速和共振转速，以致在启动过程中很难找到一个合适的停留暖机转速。电厂5号机改造后，就出现过临界转速偏离设计值。在开机时，按照规程规定1500r／min暖机时，由于离临界转速较近，机组振动大被迫停机，重新确定暖机转速1400r／min(目前暖机转速又需调整至1320r／min左右)，启动才能成功。因此，机组检修后启动时要注意临界转速是否发生变化，暖机转速要离临界转速约150～200r／min。
　　2.6　汽轮发电机组各部件膨胀受阻(或安装动静间隙偏小)对振动的影响
　　整个汽轮发电机组构件很多、轴系较长，如若某处由于某种原因在机组启动过程中膨胀(或停机时收缩)受阻存在不畅现象，譬如：基础台板、轴承及轴承座和轴承及挡油环、汽缸静止部件等，在机组启动特别是在冷态启动时，由于某部件存在轻微卡涩，如果启动升速较快，暖机时间不充分，没等到轻微受卡部件得到膨胀，使动静间隙恢复至正常范围，将会发生碰摩现象，引起振动增大，稍有不慎，就可能会发生因振动大停机，需要采取措施再开机，该电厂几台220MW机组均不同程度的存在此现象。因此，在开机时，要密切注意各轴承的轴振和盖振变化，根据情况多设暖机点(保持再热蒸汽温度接近或高于主蒸汽温度)，尽量增加机组进汽量，保证轴封供汽充足，润滑油温不能偏离规定值，发电机人口风温不能很低，并网后尽可能接带负荷，让受热较少的部件尽可能多的得到加热膨胀。通过对振动值变化规律的分析，如果是因为某处动静间隙偏小引起振动，则需要联系检修人员检查处理。
　　
　　3　机组启动应采取的对策
　　
　　在机组启动时，运行人员首先要具有符合规定的测振监视，否则汽轮机不应启动。其次，冲转前大轴晃动度、差胀、汽缸和法兰各部件的温差、蒸汽参数应符合要求，否则禁止冲动转子。再者，要合理地选择暖机转速，稳定暖机转速应避开各阶临界转速的振动灵敏区。根据机组振动现象，分析机组振动原因，合理地采取相应的技术措施，保证每次启动一次成功。
　　3.1　防止机组启动时因金属部件膨胀受阻引起振动的技术措施
　　为了减少机组启动振动，电厂根据220Mw机组的特殊情况，针对7号机组在冷态启动冲转升速过程中2、3、4号瓦及5、6、7号瓦振动可能超限，为此制定了以下防止启动振动技术措施。
　　(1)机组启动时，控制低压差胀负值，在冲转前低压差胀应大于-2.0mm。如发现差胀异常，可以提前轴封供汽，维持较高真空。
　　(2)冲转时真空度保持70kPa左右。
　　(3)严格监视汽轮机盘车运行时的振动，倾听各瓦声音，如有异常查明原因，消除后才能启动。
　　(4)机组冷态启动时，为降低凝器热负荷，尽量增大二、三级旁路减温水量(同时应防止二级旁路振动，保持凝结水压力稳定时，二级旁路维持在50％开度)。
　　(5)调整密封油冷油器，保证空、氢侧密封瓦进油温度基本一致。
　　(6)冲转过程中保持润滑油温度稳定在40℃左右。
　　(7)及时投入汽加热装置，保证上下缸温差尽量减小。
　　(8)冲转后盘车停运时，盘车润滑油门不关闭。
　　(9)冷态启动冲转选择较高参数，汽温、汽压选择上限；保证冷态启动并网后机组能够迅速带负荷至20MW左右。
　　(10)冷态启动过程，在500r／min下暖机5min，全面检查各瓦振动、声音。在800r／min暖机到汽缸壁温度超过150℃以上，再选择200r／min升速率升速至1400r／min。1400r／min暖机20～30min。综合分析机组状态后，确定下一步启动方案，原则上，条件具备选择升速率200r／min直接升速到3000r／min立即并网。
　　(11)鉴于7号汽轮发电机组冲转升速过程中2、3、4、5、6、7号瓦振动均可能超限，每次冷态启动要加强对振动的监视，并安排运行人员专人在车头准备异常情况下的打闸。
　　通过上述技术措施的采取，保证了7号机组在冷态启动时的成功率，近几年7号机组关停前每次冷态启动均是一次成功，为厂里节约了大量的燃油资金，也确保了机组的安全、经济运行。
　　3.2　防止机组启动时上、下缸壁温差超限引起振动的技术措施
　　为了防止汽轮发电机组启动中因上、下缸壁温差超限引起振动，电厂根据各机组中压缸结构的特殊情况，针对5号、8号机组在热态启动时中压缸上、下缸金属壁温差超限，影响机组安全启动，特采取了以下操作措施：
　　(1)针对金属壁温差大，机组又需要在较短时间内启动。根据启动计划，提前送轴封备用汽源，启动射水泵或真空泵抽真空。
　　(2)将高压缸封缸，并注意其壁温变化情况(每2h进行疏水1次)。
　　(3)真空度不能过高，保持50kPa左右。
　　(4)每10～15min抄缸壁温度1次，注意缸壁温度变化情况。
　　(5)还可以采用投用快速冷却装置，提高冷却空气温度，当其高于中压缸上缸内壁温度，投用快冷装置，减少温差。
　　2008年6月21日和6月22日，通过采取投用快速冷却装置和送轴封抽真空法，减少中压缸上、下缸壁温差，效果非常明显。从送轴封抽真空开始，4h后中压缸上、下缸壁温差由80℃恢复到安全启动范围内，与自然冷却等待相比明显减少，启动可以提前10h左右完成。
　　
　　4 结束语
　　
　　总之，在开机过程中引起机组振动的原因很多，运行人员要熟悉掌握有关机组振动的基本知识，了解引起机组振动的各方面因素，并提前预防、处理开机过程中易引起机组振动的不合理因素，及时采取有效措施，以确保机组的安全、经济启动，又能提前使机组多发电，提高机组效益；因此，保障机组启动过程的正常进行，使机组安全正常启动就是巨大的效益。

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