給水泵汽輪機深度調峰期間振動大原因分析及處理

孟禮,朱君,趙超

(江蘇闞山發電有限公司,江蘇 徐州 221134)

某600 MW電廠給水泵汽輪機選用杭州汽輪機廠引進西門子技術設計制造的NK63/71/0型汽輪機,其型式為單缸、軸流、反動式。當給水泵汽輪機雙機并聯運行時,能驅動每臺鍋爐給水泵供給鍋爐50%BMCR(鍋爐最大連續蒸發量)的給水量。給水泵汽輪機汽源有三路：正常工作時汽源為汽輪機四抽蒸汽,備用汽源為冷段再熱蒸汽,啟動調試汽源為輔助蒸汽,汽源切換是由自動控制系統完成。汽輪機與給水泵連接形式為撓性連接。汽輪機前貓爪架在前軸承箱上,汽缸受熱膨脹時貓爪推動前軸承箱一起向前移動[1]。轉子連續運行調速范圍為2 800～5 750 r/min,從前箱看轉向為順時針方向。給水泵汽輪機有2個徑向軸承,采用軸振信號監測機組振動,每個軸承上半部相互垂直的方向布置了X方向與Y方向振動測點,振動值為60 μm時報警,85 μm時跳閘[2]。

1 給水泵汽輪機異常工況

2022年5月23日、5月31日和6月3日,2號機組深度調峰運行期間,負荷260 MW,2A給水泵汽輪機轉速穩定在3 400～3 500 r/min時,驅動端2X軸振出現爬升,最大時振動達80 μm。隨著深度調峰結束,軸振緩慢下降至正常值。

2A給水泵汽輪機在負荷250～310 MW、轉速3 400～4 000 r/min區間時,相較于高負荷工況會出現1、2號軸承軸振增大的情況。結合電科院頻譜檢測分析主要振動分量為一倍頻,初步判斷軸振增大是動靜部分間隙發生碰磨引起。碰磨引起的振動故障具有很強的不穩定性,振動可能長時間持續波動,也有可能突發,會引發軸振持續爬升超報警值的情況。待2A給水泵汽輪機轉速超過該低速區間時,軸振值將會降低并恢復到正常范圍內,不影響2A給水泵汽輪機帶高負荷運行。

由于2A給水泵汽輪機6年未進行過大修,因此利用2022年10月機組A修機會進行解體檢修,轉子、前軸封體外送,修復汽封齒,調整汽封間隙合格,并做高速動平衡試驗,消除轉子不平衡量。

2023年3月5日,2號機組深度調峰降負荷過程中,負荷降至300 MW,2A給水泵汽輪機轉速在3 825 r/min時,2A給水泵汽輪機驅動端2X振動從13.8 μm緩慢上升,在轉速為3 411 r/min振動最大達65.9 μm。2Y振動也由8.37 μm緩慢上升至20.97 μm,1X、1Y軸振測點同樣上升至30 μm以上。就地檢查測量、傾聽無明顯異常,通過開大2A汽泵再循環調門提高汽泵出力后,振動緩慢下降至正常。

2023年3月23日,2A給水泵汽輪機降負荷,轉速從4 019 r/min降至3 385 r/min,給水泵汽輪機前軸承1X、1Y振動分別最大達70 μm、58 μm,開啟汽泵再循環調門至60%后,振動趨于平穩,機組增加負荷后振動恢復正常。

2號機組2A給水泵汽輪機大修前后均在機組深度調峰低轉速期間出現軸振增大超報警值的情況,有別于以往給水泵汽輪機隨負荷升高情況下振動增大的現象。給水泵汽輪機低轉速下振動超報警值,嚴重影響機組深度調峰期間給水系統的穩定出力,汽泵再循環調節閥非正常頻繁提前開啟或開度增加,極易造成閥門密封面、減壓閥籠及閥體的沖刷,增大閥門內、外漏風險。如果為保證給水泵汽輪機振動值正常而提高機組負荷,將不滿足電網調度指令要求,會產生不必要的機組非正常出力考核。

因此,給水泵汽輪機在深度調峰期間的安全穩定對汽輪機組可靠運行及電廠調度指令考核效益尤為重要,故針對上述給水泵汽輪機深度調峰期間軸振大的情況,需進行詳細的排查分析并及時處理。

2 給水泵汽輪機振動異常分析

2A給水泵汽輪機轉子和前軸封體在2022年A修時返回杭州汽輪機廠檢修,對轉子高速動平衡試驗,修后間隙均在標準范圍內,機械超速試驗振動、瓦溫、機械跳閘值均正常,并且對給水泵汽輪機滑銷系統上所有的橫銷、縱銷、立銷進行清理打磨,使其配合間隙在標準范圍內。修后再次出現低負荷軸振大的情況,可以排除給水泵汽輪機轉子質量不平衡、以及滑銷系統故障的因素。

對控制部分同樣進行檢查,將軸承振動探頭的元件及其螺栓緊固件、控制回路和卡件都詳細檢查,沒有發現異常情況,說明保護投入正常[3]。

2.1 給水泵汽輪機軸向位移異常

調閱歷史曲線,2A給水泵汽輪機在軸振增大時,其進汽壓力、溫度、閥門開度、軸封進汽無異常變化趨勢,但是發現2A給水泵汽輪機軸向位移相較于負荷、轉速趨勢有明顯的滯后情況,對比檢查2B給水泵汽輪機,其軸向位移與負荷、轉速變化趨于一致。當2A汽泵再循環開啟后,2A給水泵汽輪機軸向位移才能緩慢與轉速趨勢貼合,如圖1。

圖1 2A給水泵汽輪機軸向位移存在異常情況示意圖

給水泵汽輪機組運行期間,給水泵汽輪機、汽泵軸向推力隨著負荷的變化如圖2箭頭所示。因給水泵汽輪機與汽泵聯軸器為撓性齒套式連接,兩側軸向推力及位移相互不受影響。而2A給水泵汽輪機降負荷時,給水泵汽輪機轉子軸向位移并未及時跟隨軸向推力向非驅動端移動,同時汽泵推力瓦的工作面溫度有明顯上升趨勢,在轉速為3 800 r/min左右時,2X振動明顯增大。當開啟汽泵再循環閥時,2X振動明顯減小,汽泵推力瓦的工作面溫度也隨之趨于正常。

圖2 正常運行時給水泵汽輪機、汽泵軸向推力示意圖

由此表明2A給水泵汽輪機降負荷時,整個給水汽輪機組軸系存在限位點,給水泵汽輪機轉子向非驅動端位移不暢造成振動增大,并且給水泵汽輪機轉子的軸向推力施加在汽泵泵軸上,導致汽泵推力瓦工作面溫度異常上升。而當2A汽泵再循環調門開啟后汽泵出力增加,汽泵軸向推力此時與給水泵汽輪機軸向推力方向相同,如圖3,從而減輕限位點推力對整個軸系影響,使得振動逐漸降低,汽泵推力瓦溫度恢復正常。

圖3 2A給水泵汽輪機、汽泵降負荷推力情況

考慮到能夠同時影響到2A給水泵汽輪機和汽泵的限位點只有在聯軸器處,因此需對2A給水泵汽輪機聯軸器進行檢查。

2.2 給水泵汽輪機貓爪膨脹位移異常

記錄對比兩臺機組4臺給水泵汽輪機缸脹情況,發現2A給水泵汽輪機汽缸貓爪在負荷250～600 MW、轉速3 400～5 300 r/min區間變動時,左、右側膨脹位移量分別為0.07 mm、0.56 mm,而1A、1B、2B給水泵汽輪機貓爪處兩側膨脹均有較明顯的位移量,見表1。2A給水泵汽輪機蒸汽進汽管道在缸體左側,懷疑2A給水泵汽輪機汽缸受進汽管道限制影響汽缸左側的膨脹及收縮,導致2A給水泵汽輪機在降負荷至固定區間時動靜部位發生碰磨。

表1 4臺給水泵汽輪機貓爪兩側位移量對比 mm

檢查2A給水泵汽輪機的四抽蒸汽、冷段再熱蒸汽、輔助蒸汽進汽管道支吊架情況,發現輔助蒸汽至2A給水泵汽輪機進汽管道末端的垂直管段吊架為彈簧吊架,而根據2A給水泵汽輪機蒸汽進汽管道基建圖紙以及結合其他3臺給水泵汽輪機進汽管道的實際對比,該處吊架應為剛性吊架。剛性吊架承受管道載荷并在垂直方向對管道進行剛性約束,剛性吊架作為管道的熱膨脹死點,保證管道在該處固定且不發生位移。而彈簧吊架盡管同樣能夠承受載荷,但是無法對管道進行必要的垂直方向約束,加上內部彈簧長期隨機組運行后會出現老化、失效的情況,使管道的部分作用力集中在后段的水平管段底部的滑動支架上,從而使得水平管段無法正?；瑒游灰?影響其所搭接管道或設備的膨脹,更為嚴重的是對水平管段的焊縫產生切應力,造成焊縫泄漏。2016年和2020年,輔助蒸汽至2A給水泵汽輪機進汽管道在機組運行期間曾發生末端水平管段焊縫出現泄漏的情況,而漏汽焊縫正是受到該處吊架錯誤安裝的影響。

由此可以判斷輔助蒸汽至2A給水泵汽輪機進汽管道因支吊架安裝錯誤,影響進汽管道及汽缸的正常膨脹滑動,從而引起低負荷振動大的情況。

3 給水泵汽輪機振動異常處理

在調停期間對2A給水泵汽輪機聯軸器進行檢查,解體時發現聯軸器套筒在軸向存在明顯的卡澀,機側傳動外齒套的齒輪嚙合處均出現磨損凹槽,見圖4,泵側嚙合齒均正常。因此斷定該凹槽是影響給水泵汽輪機軸向位移的根本限制原因。

圖4 給水泵汽輪機側外齒套磨損情況

更換2A給水泵汽輪機磨損外齒套,并對其它齒輪件進行滲透檢測,確認無異常后回裝,恢復外齒套在齒輪嚙合后軸向可以正常竄動的狀態,保證給水泵汽輪機與汽泵的軸向推力相互獨立。

同樣,對輔助蒸汽至2A給水泵汽輪機進汽管道末端的彈簧吊架進行更換,按照管道基建設計要求將該段管道重新進行定位加固,測算安裝位置。為消除水平管段焊縫的切應力,需將焊口割除,待垂直管段的剛性吊架完成安裝后,重新燒制水平管段焊縫,恢復管道支吊架原有設計形式,確保2A給水泵汽輪機進汽管道與汽缸的正常收縮、膨脹。

2號機組啟動后,2A給水泵汽輪機在深度調峰期間及升降負荷時,前、后軸承振動均在30 μm以下,振動正常,軸向位移與負荷跟隨情況良好,汽泵推力瓦溫度正常,給水泵汽輪機貓爪左側位移量明顯增大,兩側膨脹量逐漸均勻并趨于正常。

4 結語

給水泵汽輪機深度調峰運行期間出現軸振超標的情況,主要是由于聯軸器齒套磨損以及進汽側汽缸膨脹位移不暢引起,因此后續再次出現軸振超標情況時,要將軸向位移測點和汽缸膨脹位移量作為振動監測項。利用等級檢修重點檢查聯軸器齒輪磨損情況,根據設備運行狀況及磨損嚴重程度選擇性更換。同時,重點排查給水泵汽輪機進汽管道支吊架情況,發現安裝異常時,應及時制定方案并處理。