200MW机组汽轮机常见故障的分析及预防

来源:用户上传      作者: 孟慧峰

　　摘要:在收集整理国产200MW汽轮发电机组各类故障的基础上，结合机组自身的结构特点，论述了汽轮发电机组常见故障发生的原因、特征、诊断方法和预防措施。为国产200MW机组故障诊断和预防提供借鉴。
　　关键词：200MW机组 故障类型 故障分析 故障预防
　　1．前言
　　由于设计、制造、安装、运行和检修不良或不当等原因，国产200MW机组发生过转子弯曲、叶片脱落、油膜振荡、汽流激振、转子碰撞摩擦、不平衡和不对中等故障。本文根据现场安装中的实际经验和对大量故障案例的整理归纳分析，对这些故障发生的原因、特征、诊断方法及防止措施简要地进行论述，希望能够为200MW汽轮机常见故障的诊断和预防提供参考。
　　2．故障类型和故障分析
　　2.1 转子弯曲
　　转子弯曲通常分为热弹性弯曲和永久性弯曲。热弹性弯曲，是指转子内部温度不均匀，转子受热后膨胀而造成转子的弯曲。这时转子所受应力未超过材料在该温度下的屈服极限；所以，通过延长盘车时间使转子内部温度均匀后，这种弯曲会自行消失。永久弯曲是转子局部受到急剧加热(或冷却)，该区域与临近部位产生很大的温差而受热部位热膨胀受到约束，产生很大的热应力，应力值超过转子材料在该温度下的屈服极限，使转子局部产生压缩塑性变形。当转子温度均匀后，该部位将有残余拉应力，塑性变形并不消失，造成转子的永久弯曲。
　　转子弯曲事故在国产200MW机组中发生的比例较高。当转子在临界转速以下发生摩擦振动时，摩擦使转子局部表面温度升高，产生热应力，发生变形（例如汽轮机高压缸和中压缸端部汽封位置，因机组启动时轴封供汽和停机时冷空气的渗入，冷热交替变化产生的热应力；转子热应力分布不均匀，造成转子与汽封齿之间的摩擦）。由于热变形产生的不平衡与转子初始的偏心方向小于90°，合成后使转子不平衡量加大，发生越摩越弯、越弯越摩的恶性循环，如不立即停机，就可能使转子由暂时的热弯曲发展为永久弯曲。
　　此外，停机后汽缸进水也会使转子局部受到急剧冷却而发生弯曲。国产200MW 机组经常发生转子弯曲的原因主要是结构设计不合理和运行中某些参数控制不严格以及误操作等。为防止汽缸进水，应改进疏水系统，增加温度测点等。转子发生较大的永久弯曲后，一般采用松弛法直轴。
　　2.2 叶片脱落
　　叶片脱落现象与叶片的设计、制造、安装工艺和运行维护等有关。当叶片设计动强度不足，叶片材料存在缺陷或安装不当，可能会使叶片频率落入共振区；当负荷过小时，可能导致水蚀或颤振；当蒸汽参数波动时，使叶片产生较大的交变热应力；如果电网周波偏高或偏低，以及机组在小于额定转速以下某转速停留时间过长，都可能使叶片陷入共振区；如果凝结水不合格，会使叶片结垢，改变叶片的动力特性，并使叶片发生腐蚀疲劳等。
　　叶片脱落的特征是：运行中振动突然增大，现场有时能听到金属撞击声，轴向位移增大，在停机过临界转速时振动明显增大等。为了防止叶片脱落，可以采取以下措施：
　　①在现场汽轮机扣盖前对低压整体转子的末级、次末级和中压转子的末级进行整体频率试验，确定转子叶片的最终状态；
　　②从中速暖机升到额定转速过程中不要停留，运行中要保证蒸汽参数合格，在极限状态下运行时，要限制机组出力；
　　③要避免机组在电网周波变化较大和低负荷下长期运行；
　　④机组检修时要检查叶片根都和拉筋是否松动，是否存在冲蚀、腐蚀等；
　　⑤更换叶片时要严格按工艺规程进行，并进行动平衡试验。
　　2.3 油膜振荡
　　油膜振荡在高、中压和低压转子上均可能发生，并且由于转子标高受热负荷的影响，油膜失稳不但可能在升速过程。而且也可能在带负荷期间发生。油膜振荡不仅会导致高速旋转机械的故障，有时也是造成轴承或整台机组破坏的原因。油膜振荡的特征与不平衡振动有本质的区别，油膜振荡具有以下特征：
　　1）油膜振荡在转子临界转速的2倍以上转速时发生，一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降。
　　2）油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同；
　　3）当油膜振荡发生时，振动逐步剧烈，轨迹的变化范围剧烈增大，且呈紊乱状态：
　　4）油膜振荡时转轴将承受较大的交变应力，由油膜振荡产生的交变应力的频率是转轴旋转频率与轴心涡动频率的差。
　　为了预防和消除油膜振荡，可以根据机组的实际情况采取以下措施：
　　1）改善轴系的平衡和对中状况，保证轴承的结构参数（加大安装期间联轴器连接的控制，避免隐患的存在）；
　　2）减小轴承宽度，抬高轴承标高；
　　3）提高进油温度等；
　　4）将三油禊轴承改为椭圆轴承。
　　2.4 汽流激振
　　汽流激振有两个主要特征：一是应该出现较大量值的低频分量；二是振动的增大受运行参数的影响明显，如负荷，且增大应该呈突发性。
　　引起蒸汽产生不稳定的切向力的主要来源有：迷宫轴封中的汽流切向力，叶片顶隙不均匀产生的切向力和部分进汽的反作用力等。受汽流影响较大的是高、中压转子，高、中压转子临界转速较低，并且高、中压转于为三支点结构，热态下挠度变化较大，3号轴承座落在排汽缸上，轴承标高变化较大，排汽缸的“跑偏”会改变转子与汽缸的位置，使间隙改变，3、4号轴承问的接长轴，运行中挠度大，中压转子低压段的次末级叶片经常断裂，使不平衡加大等，这些都增大了汽流力对转子的影响，容易使转子产生失稳。
　　汽流激振故障的特征是：高、中压转子轴承突然发生不稳定的振动，持续时间通常不长，与负荷密切相关，一般在负荷较低和较高时发生。改变负荷，振动增大或减小，振动频率以25Hz和31Hz(分别接近中、高压转子一阶临界转速)左右的低频分量为主，频带较宽，并有高倍频成分出现，有时波及到低压转子和发电机转子，引起油膜振荡等。为了防止汽流激振，必须保证接长轴的加工和安装质量，联轴器中心径向、轴向误差要在合格范围内，轴系平衡和对中良好，动静间隙均匀，汽缸膨胀顺畅，必要时调整轴承标高，改变汽门开启次序和汽门设计，将三油楔轴承改为椭圆轴承等。
　　2.5 转子的碰撞和摩擦
　　国产200MW 机组已有多台因转子碰摩而造成转子永久弯曲事故，直接影响机组的正常运行。主要原因有汽封间隙设计和调整不当，汽缸膨胀不畅，汽缸热变形过太，机组振动过大和轴向位移增大等。
　　摩擦振动的机理和特征比较复杂。一般来说，转子发生轻微的摩擦时振幅和相位不稳定，出现波动；严重摩擦时振幅急剧增大，波形畸变或削波，频谱中出现较多的低频和高频分量，轴心轨迹反进动。工作转速下发生的轻微摩擦振动，其振幅和相位随时间缓慢变化。此外机组在试运行或大修后启动过程中，有时出现以工频为主的大振动，振幅迅速增大，一般也是摩擦振动引起的。另外，发生摩擦时，现场有时能听到金属摩擦声，可观察到盘车电流增大或剧烈摆动，机组惰走时间明显减少或在某转速时突然静止，轴封处冒火花，盘车不能投入等。
　　为了防止转子发生碰摩故障，需采取以下几方面措施：
　　①根据汽缸和转子的膨胀规律，合理配置动静间隙，
　　②提高轴系动平衡质量和热态下转子的对中性，确保机组振幅在允许的范围内。
　　③启停机过程中应严格控制晃度、上下缸温差、主蒸汽和再热蒸汽温度、金属温度变化率、主蒸汽过热度、机组胀差、级闻压差和轴向位移等在规定的范围内。机组保护装置在启停机过程中不得退出。
　　④当主蒸汽温度突然下降、回油温度突然上升超过规定值时应停机检查。

　　⑤启动过程中发生强烈振动必须打闸停机，严禁硬闯临界转速；任何情况下不允许在临界转速附近滞留，也不得盲目进行低速暖机。
　　⑥在机组发生摩擦振动时，应对振动的大小和变化率从严控制，及时打闸停机，以防发生转子弯曲。
　　2.6 转子不平衡
　　转子不平衡是最常见的故障。引起转子不平衡的主要原因有：转子加工误差和永久弯曲；叶片或拉筋的脱落；联轴器瓢偏；接长轴制造不良；动叶的磨损和结垢；由于受热不均匀或材质缺陷而引起的热挠曲等。
　　转子不平衡的振动特征是：在整个机组轴承中均发生较大的振动，在通过临界转速时特别明显地增大，以一倍频振幅为主，其他谐波的振幅较小，转速不变时幅值稳定，相位稳定，振动与负荷关系不大，低速盘车后振动不下降。
　　热态不平衡引起的振动与负荷有关，低速盘车后振动下降。转子部件结垢引起的振动是随机组使用时间逐渐增加的。
　　2.7 转子不对中
　　转子不对中包括联轴器不对中和轴承不对中。不对中使动静间隙改变引起碰撞摩擦和汽流激振，使轴承的载荷重新分配引起油膜振荡等。造成联轴器不对中的原因主要是联轴器瓢偏及偏心；造成轴承不对中的主要原因有滑销系统卡涩，机组升速太快，真空下降过大，基础不均匀下沉等，使机组膨胀不畅和轴承座膨胀不均匀。
　　转子不对中的特征是：
　　①机组启动升速过程中膨胀不畅引起的振动主要表现在中压转子上，轴向振动明显增大；增大负荷过程中轴承座膨胀不均匀引起的振动，同时径向振动增大。
　　②振动对负荷变化敏感。
　　③振动频谱中二倍频幅值较大，以一倍频和二倍频为主；油膜压力偏离正常值。
　　④联轴器不对中时轴向振动与径向振动的比值增大，联轴器两端的轴承振动大，轴心位置不稳定；轴承不对中时径向振动较大，轴心位置稳定。
　　为了防止转子不对中，在制造和安装联轴器时，必须保证联轴器端面瓢偏和偏心合格，基础设施需牢固。转子冷态找中心时要考虑轴承油膜厚度、轴承座不均匀的热膨胀和转子静挠度等的影响。
　　2.8 轴系扭振
　　造成轴系扭振损坏的形式一般可分为不稳定扭振损坏和扭矩冲击损伤两种。不稳定扭振是指扭振与其它系统相互作用，引起的轴系扭矩发散性振荡；扭矩冲击引起的扭矩振荡是收敛性的。
　　减少扭振危害的方法：
　　①继电保护装置：用于防止扭振的继电保护装置有扭振继电器、次同步电流继电器以及电压相位闭锁继电器等等；
　　②滤波器：滤波器可以过滤信号中的扭振分量，降低它们在通道中的增益，从而避免激励不稳定扭振；
　　③励磁控制系统；
　　3. 总结
　　机组试运行和大修后启动过程中出现的故障主要是由于设计、制造和安装过程中未能严把质量关、验收环节存在疏忽，以及运行中操作不当造成的。因此只要在故障产生的各个环节中严格遵守质量控制程序、完善并切实执行相关验收规定和相关运行规程即可有效避免200MW汽轮机机组的各种常见故障。
　　参考文献：
　　1、《汽轮机油膜振荡的影响因素与预防措施》，王虹编。
　　2、《国产200MW机组结构特性与油膜振荡》，蒋新林编，《汽轮机技术》。

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