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1、研究与分析Y A N J I U Y U F E N X 东方亚临界参数汽轮机高中压转平 自激振动研 究 王永庆 ， 徐春雷z ( 1 陕西电力科学研究院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 六盘山发电厂， 宁夏 固原7 5 6 0 0 0 ) 0 引言 东方汽 轮机厂亚 临界参数 3 0 0 MW、 6 0 0 M W 汽轮机是引进 日本 日立公司技术设计生产的冲动式 汽轮机 ?截 至2 0 0 8 年 ， 陕西 电网 已装机 运行 1 0 台 东方亚 临界参 数汽轮机 ， 其 中国电宝鸡 第二发 电 厂有4台3 0 0 MW汽轮机 、华能铜J I f 发 电厂有2 台 6 0 0
2、MW汽轮机、 大唐韩城第二发电厂有2 台6 0 0 M W 汽轮机 、 大唐灞桥热 电厂有2 台3 0 0 MW汽轮机。 通过 现场振动监测和振动故障诊断 ，发现东方亚临界参 数汽轮机高 中压转子稳定性方面的问题 比较突出 ， 这一结论与国内其他研究所的统计数据一致。 1 故障实例 1 1 大唐灞桥热电厂2 号汽轮机振动故障 大唐灞桥热电厂1 、 2 号汽轮机为东方汽轮机厂 生产的N C 3 0 0 1 6 7 5 3 8 5 3 8 型亚临界参数 、双缸 双 排汽 、冲动凝汽式汽轮机。2 0 0 8 年1 1 月 ， 2 号汽轮机 1 6 8 h 满负荷试运，汽轮机配汽采用全周进汽方式 ，
3、负荷控制采用锅炉一 汽轮机协调控制方式 ，期间多 次由于1 、 2 号轴颈振动突然增大 ，被迫降低负荷 、 主 蒸汽压力运行 振动突然增大时1 Y、 2 X 振动趋势见 图1 、 图2 ， l Y 频谱 、 2 号轴颈振动全频谱 见图3 、 图4 ， 2 号轴颈振动瀑布图见图5 。 振动故障特征： 高巾压转子突发性振动发生时汽 轮机负荷为2 9 0 - 3 0 0 M W， 主蒸汽压力为1 5 2 1 6 7 MP a ， ， 、o 1 8 0 3 6 0 1 8 0 3 6 0 呈 画 6 0 0 1 ? 8 舭0 L ： 、 一一 ? 芝 O 1 8 O 36 0 。 1 8 O 36 0
4、 1 5 0 1 0 0 5 0 O 1 1 月1 6 F 1 1 1 月l 7 L I 1 月1 7 口 时 间 1 Y 振动趋势图 =I I I ： 二_ I I _= =L 一一， L + 一t一一 一 L 一 ： 2 - I I J J _= ：I I j I ： I I I I I _= ：I I 1 I ： 儿 ” 怫 一 一 ! l 1 月1 6臼 I 1 月l 6口 1 1 月1 6 I 1 l 7 1 1 月 l 7日 时 间 图2 2 X 振动趋势图 图3 1 Y 频谱 图 接近额定工况 ； 高中压转子振动与汽轮机负荷 、 主蒸 汽压力关系密切 ， 汽轮机负荷 、 主蒸汽压
5、力增加时振 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 2 9 作者简介 ： 永庆( 1 9 7 3 -) ， 男， 陕两礼泉人 ， 硕士， 高级工程师 ， 从 事机械状 态监测 、 机械信 号处理 、 机械故障诊断的试验研究和科研开发T作 口 1 图 月 H 6 月 Y A N j I U Y U F E N i 研究 与分 析 图4 2 号轴 颈振动全频谱 图 动突然增大 ， 降低汽轮机负荷 、 主蒸汽压力振动迅速 恢复正常。由图3 一 图5 可见 ， 与正常时相 比， 突发性 振动发生时振动信号中1 X 分量幅值几乎不变， 2 6 5 Hz 分量幅值大 幅度增大 ， 成 为主要振动频率 ，
6、同时 出现5 3 H z 分量 ， 2 6 5 H z 振动为正 向进动 ： 突发性振 动发生时2 号轴颈振动增加最大 ， 1 号轴颈振动次之， 并波及到低压转子 振动主频率2 6 5 H z f 即 1 5 9 0 r m i n ) 接 近高 中压 转子一 阶弹性临界转速1 6 4 0 r mi n ， 5 3 Hz 为振动主 频率的2 倍。从振动的主频率 、 振动发生的工况以及 振动与运行参数 的关 系判断 ， 高中压转子突发性振 动的故障性质为汽流激振 。基于这一诊断结论 ， 将 润滑油温度从4 2提高 I 4 5 2号汽轮机存额定 参数下带3 0 0 MW负荷， 高中压转子突发性振动
7、消失。 1 _ 2 大唐韩城第二发电厂3 号汽轮机振动故障 大唐韩城第二发电厂3 、 4 0汽轮机为东方汽轮 机厂生产 的N Z K 6 0 0 1 6 7 5 3 8 5 3 8 型亚临界参数 、 三 缸 四排汽 、 冲动式直接空冷型汽轮机。2 0 0 8 年6 月 ， 3 号汽轮机首次带满负荷 ， 汽轮机配汽采用顺序 阀部 分进汽方式 ，负荷控制采用锅炉一 汽轮机协调控制 方式 5 8 0 MWI3 由于磨煤机投入 ， 主蒸汽压力波动， 1 、 2 0轴颈振动突然增大 ，降低负荷至5 7 0 MW振动 恢复正常。5 0 6 0 0 MW过程 中1 Y、 2 Y 振动趋势见图 6 、 图7
8、， 1 Y、 2 Y 频谱见图8 、 图9 ， 2 Y 振动瀑布图见图1 0 振动故障特征 ：高中压转子突发性振动发生时 汽轮机负荷为5 7 0 6 0 0 MW，主蒸汽压力为1 6 0 1 6 7 MP a ， 接近额定T况 ： 突发性振动的发生 与4 号调节 阀开度 、 主蒸汽压力关系密切 ， 主蒸汽压力突然增加 时4 号调节阀开度减小 ， 振动突然增大 ， 降低汽轮机 负荷 、 主蒸汽压力 ， 振动迅速恢复正常： 由图8 图l 0 可见 ， 与正常时相 比， 突发性振动发生时振动信号 中 1 X 分量 幅值几乎不变 ， 2 7 5 H z 分量 幅值大 幅度增 大 ， 成为主要振动频率
9、， 同时出现5 5 H z 分量 ： 突发性 振动 发生时2 Y振动2 7 5 H z 分量幅值最大 ， 1 Y振动 2 7 5 H z 幅值 同时增大 ：小负荷工况下 1 、 2 号轴颈振 动信号包含不稳定的幅值较小的2 7 5 H z 分量 振动主频率2 7 5 Hz f 即1 6 5 0 r mi n ) 接近高 中压 转子一阶弹性 临界转速 1 6 0 0 r ra i n ， 5 5 H z 为振动主 频率的2 倍。从振动的主频率 、 振动发生的工况以及 振动与配汽方式的关系判断，高中压转子突发性振 动的故障性质为汽流激振 由于东方6 0 0 MW汽轮机 D E H 不具有单阀控制方
10、式 ，采用4 个调节阀全开 、 锅 炉蒸汽压力控制负荷方式 ，降低主蒸汽压力， 3 0汽 轮机在降低参数的工况下可以带6 0 0 MW负荷而高 中压转子振动恢复正常水平 。鉴于突发性振动发生 存4 号调节阀开度较小 的情况下 ， 修改 了D E H 调节 阀 控制 曲线 ， 由原来的“ 1 号调节 阀最先开启 ， 2 号 、 3 0 调节 阀同时开启 ， 4 号调节 阀最后开启” 改为“ 1 号调 节阀最先开启 ， 2 0 、 4 0调节阀同时开启 、 3 号调节 阀 最后开启 ” ( 1 号 、 4 0调节阀对应 的调节级喷嘴数量 多于2 号 、 3 0调节 阀) ， 结果是额定负荷 、 参
11、数下 ， 3 0 调节阀的开度大于原控制 曲线下4 号调节阀的开度 通过D E H 调节阀控制曲线的修改 ，额定负荷 、参数 时， 高中压转子振动信号 巾2 7 5 H z 分量的幅值控制 频 率 Hz 图5 2 号轴 颈振 动瀑布 图 0 1 8 0 3 6 0 1 8 0 36 0 #20 0 三 I 5 0 1 0 0 。5 O 0 研究与分析Y A N J I L Y U F E N X 一 l l _ 。 。 _ ： ： m i f f l 。 J I l 。 。 l 。 。 f 。 6 0 0 0 0 0 0 0 R 0 0 1 6 00 l 1 月 l 5 日 1 1 月1 6f
12、 1 l 1 月 1 6 几 I 1 月 1 6【 时间 阁6 1 Y 振动趋势图 0 1 8 0 3 60 。 1 8 0 3 60 20 0 三1 5 0 鲁 1 0 0 5 0 0 - -_ l l _ 一 一l _ 一一 - - 一 一一 ； 0 基 l 6： 00 1 】 月 1 5 日 0 8 O O 1 6： 00 1 1 月 1 6l_ 1 1 月 1 6 时 2 Y 振动趋势图 图8 1 Y 频谱图 在较小的范围内。 1 3 其他汽轮机高中压转子低频振动故障 国电宝鸡第二发电厂 1 4 号汽轮机均为东方汽 图9 2 Y 频 谱 图 轮机厂生产的N 3 0 0 1 6 7 5
13、3 8 5 3 8 型亚 临界参数 、 双 缸双排汽 、 冲动凝汽式汽轮机。 2 号汽轮机投运初期 ， 由于1 号轴颈振动信号中包含幅值较大的半频分量 导致1 号轴颈振动长期超过报警值 ，将1 、 2 号轴承由 椭圆形轴承改为可倾瓦轴承后 ，高中压转子半频振 动得到了彻底解决。 华 能铜川发 电厂1 、 2 号汽轮机为东方汽轮机厂 生产 的N Z K 6 0 0 1 6 7 5 3 8 5 3 8 型亚临界参数 、 三缸 四 排汽 、 冲动式直接空冷型汽轮机。2 0 0 8 年5 月 ， 1 号汽 轮机在4 6 0 MW负荷时由于主蒸汽压力波动， 导致1 、 2 号轴颈振动大幅波动 ， 分析原
14、因应该与高 中压转子 低频振动有关 2 高中压转子稳定性分析 上述东方汽轮机厂生产的亚临界参数汽轮机高 中压转子低频振动的文例均属于转子一轴承密封 系统失稳引起的白激振动。引起转子一轴承一密封 系统失稳的因素 ，按在汽轮机上发生的统计数量依 次为轴承油膜力 、 转子与静子问的摩擦力 、 汽封中不 均匀汽流激振力 、 转子内阻尼力等。 然而现场振动故 l 0 0 1 50 图1 0 2 Y 振动瀑布图 20 0 6 7 圈 Y A N J I U Y U F E N X I 研究与分析 障实践 中发现 ， 在大容量汽轮机上汽流激振力引起 的转子一轴承系统失稳的故障频率 明显高于转子与 静子问的摩
15、擦力引起的系统失稳故障频率。 近年来， 各汽轮机厂在轴系动力学设计 中数学模 型不断完 善 ， 使得轴系的动静特性 、 稳定性更加可靠 ， 临界转 速和扭振频率分布更加合理 ， 单一 因素引起转子一 轴承一密封系统失稳的故障率已低于多种因素引起 的综合故障 ， 例如轴承油膜失稳和汽流激振力引起 的综合故障在亚临界以上参数汽轮机高中压转子上 的发生率相对较高。 2 1 蒸汽激振力 目前统一的观点认为蒸汽激振力来 自3 方面： 一 是叶顶 间隙不均匀造成级中各叶片上的气动力不相 等 ， 周 向气动力合成一个作用于转子轴心的横向力 ， 横向力随转子偏心距 的增加而增大 ， 形成转子的 自 激激振力 ， 蒸汽激振力的大小取决于转子 的偏心距 和蒸汽密度 ： 二是转子动态偏心造成转子和隔板汽 封内蒸汽压力周向分布不均匀 ， 产生与转子偏心方 向垂直的合力 ， 垂直
