大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理

大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理

陈德新

  陕西延长石油富县发电有限公司  陕西 西安 710000

摘要：采用高参数、大容量是提高汽轮机组热效率的重要途径之一。随着蒸汽参数和蒸汽密度的增加，蒸汽诱发振动的可能性增加。随着600 MW和1 000 MW超临界及以上大型机组的大量投产，蒸汽诱发振动已成为机组面临的主要振动问题之一。汽致振动是由汽轮机转子上的汽致振动引起的一种自激振动，它降低了轴系的稳定性，产生较大的低频振动，诱发转子失稳。

关键词：汽流激振；低频振动；振动稳定性；超临界汽轮机；

叙述汽轮机汽流激振的机理和振动特征，以及近年来国内若干大型汽轮机高压转子汽流激振引起的低频振动的分析和现场处理情况，归纳总结引起该类振动的主要因素，提出了我国在发展高参数，大容量机组"特别是超临界机组中对汽流激振应采取的对策。

一、汽流激振原因分析

1.蒸汽激振力大。随着蒸汽参数的提高，蒸汽密度增大，作用在汽轮机转子上的激振力也增大。在超过某个门槛负荷后，激振力扰动克服系统阻尼抑制，使转子运行的稳定性下降，诱发轴系失稳．汽轮机蒸汽激振力主要包括叶顶间隙激振力、汽封蒸汽激振力和不对称蒸汽力及力矩，主要由动静间隙不匀和配汽因素造成。(1)汽封设计不当主要指叶顶汽封、隔板汽封及高压转子前后轴封的间隙或结构设计不当，使动静间隙沿圆周方向分布不均匀，蒸汽在不同位置泄漏量不同，在转子上产生一个不平衡的力矩。高负荷时该力矩增大，导致轴系失稳。由于设计不合格，只能更换转子，对内缸进行改造来消除故障。(2)汽缸或转子偏移使汽缸与转子不同心，高压转子轴封和隔板汽封的蒸汽压力沿周向分布不均匀，趋向于使转子产生涡动．如某电厂1号300MW机组因高中压缸跑偏，多次发生振动，突发跳机事故。(3)轴系不对中分为联轴器不对中、轴瓦中心标高变化及转子与静子不同心三类。轴系不对中会造成轴承载荷变化和动静间隙周向分布不均，引起转子转矩沿径向不平衡，严重时可诱发高负荷下低频振动，是导致汽流激振的直接原因之一。(4)汽缸膨胀不畅引起汽缸跑偏或动静碰摩，也会引起蒸汽压力分布不均匀和转子转矩沿径向不平衡。(5)安装与检修偏差是引起机组汽流激振的重要原因，很多机组故障都是由安装质量差或检修或复装误差等引起的，安装质量差可导致动静间隙分布不均、转子与汽缸同心度差等。(6)调门运行方式不当包括调门开启顺序不当和调门开度不当两方面．调门运行方式不当会引起不对称蒸汽力和力矩，该力可以影响轴颈在轴承中的位置，改变轴承承载，造成转子失稳，也会使转子在汽缸中的径向位置发生变化，引起通流部分间隙变化，导致激振力增大。(7)主蒸汽管道与汽缸连接不对中。(8)运行参数变化．有些运行方式敏感于运行参数，如主蒸汽流量、主汽温、主汽压；润滑油温度；凝汽器真空、轴封参数、轴系不平衡、高压胀差突变等。蒸汽激振力过大通常只发生在高负荷状态下的高中压转子上。当转子存在上述缺陷时，汽流激振会在通过某个门槛负荷或高负荷时，在配汽方式调节负荷过程中被激发。

2．轴瓦稳定性差。轴瓦稳定性下降使系统阻尼减小，降低诱发汽流激振的门槛，造成振动突发，是引起汽流激振的重要原因之一。轴瓦稳定性差的原因包括轴瓦型式不当、轴承座标高变化、轴瓦叶顶间隙过大等，这些故障可能来自设计选型、安装、检修和运行等各方面．具体分析如下：(1)轴瓦型式不当．不同轴瓦的稳定性裕度不同，可倾瓦的稳定性高于椭圆瓦，而椭圆瓦的稳定性高于圆筒瓦，稳定性最差的为三油楔瓦。(2)轴瓦叶顶间隙过大．叶顶间隙过大会显著降低轴瓦的稳定性。(3)轴承座标高变化．标高变化会使轴系中某些轴承承载变低、比压减小而失稳。(4)轴承比压小、长径比大．轴承比压是指轴瓦单位工作面积上所承受的载荷．减小长径比会增大比压，并使下瓦油膜力减小，增加轴瓦稳定性。(5)润滑油黏度高．随着润滑油黏度提高，轴瓦稳定性降低，因此改变润滑油温度是防止低频振动的有效措施之一．如某300Mw机组汽流激振受润滑油温影响明显，温度提高，低频振动减少。

二、故障特征

1.发生部位。事故均发生在高压转子或高中压转子上。根据故障原因分析，叶顶问隙激振力随叶轮的级功率提高而增大，随动叶的平均节径、高度和转速减小而减小；汽封蒸汽激振力与汽封几何尺寸，蒸汽流量、压力、温度，轴封齿平均间隙等有关；不对称的蒸汽力及力矩受调节级进汽影响。而汽轮机高压转子(或高中压转子)处于大功率区，叶轮直径小，叶片较短，蒸汽压力高，汽封漏汽量大，轴封或隔板汽封高压端间隙大于低压端间隙，且受配汽调节直接影响，所以汽流激振多发生在高参数大功率机组的高压转子上。2.低频振动频率特征。汽流激振属典型低频失稳振动．低频成分与转子工作转速无关，但大多情况下低频成分以接近0．5倍频分量为主，轻度汽流激振时略小于0．5倍频，严重时与高中压转子一阶临界转速相吻合。如某200Mw机组发生严重汽流激振，振动主频率与其高压转子一阶临界转速一致，实际蒸汽激振力和轴承油膜阻尼力呈非线性特征，有时还会出现一些谐波成分。汽流激振频谱与随机振动不同，随机振动的低频成分为连续谱，且主频率不稳定，而汽流激振可能含单一或多个低频成分。

3．低频振动振幅变化。通过研究故障机理及事故案例发现，汽流激振是突发性故障．在通过门槛负荷后或高负荷下，如配汽方式改变、运行参数变化或运行中轴承座标高变化等因素导致轴瓦稳定性降低，则容易诱发汽流激振．故障发生后，其通频振幅迅速增大，而增大的频率成分主要为低频。

三、故障处理措施

机组突发汽流激振故障，诱发轴系失稳，会限制机组出力，甚至引起跳机事故．因此，根据故障具体原因找出相应处理措施对机组安全运行具有重要意义。故障处理可以从减小蒸汽激振力和提高轴瓦稳定性两方面人手。(1)减小蒸汽激振力．减小激振力是消除汽流激振的根本性措施．根据故障原因，消除或减小激振力的主要措施有：高负荷下调整负荷时要加强调门开度和轴振监视，选择最佳配汽方式；升降负荷时应控制升降负荷率，防止胀差增长过快，运行中严禁采用降低主蒸汽压力、增加主蒸汽流量方式提高负荷；安装检修时通过调整叶顶间隙和汽封或轴封间隙、在汽封部位安装止涡装置、调整转子与汽缸的同心度、调整轴系对中、防止转子或汽缸偏移等措施来减小激振力。(2)提高轴瓦稳定性．轴瓦稳定性提高，则系统阻尼增大，能增强对激振力扰动的抑制，降低发生汽流激振的可能性。常用的方法有：运行中控制润滑油温度接近额定值，保持轴系中心稳定，调整轴封参数抑制振动；安装检修时更换稳定性更高的轴瓦型式；调整轴瓦间隙及轴承座标高；消除轴瓦本身缺陷，如损伤等；防止轴封漏汽；减小轴瓦长径比，增大轴承比压，并消除轴系不平衡带来的扰动。在故障处理时，应遵循经济性原则，即根据故障原因，先通过在线运行方式调整，然后在检修安装时针对具体故障进行修复．如某600MW机组先采用改变调门开启顺序，并增大4号调门开度，提高润滑油温度方法抑制振动，然后在停机检修后调整叶顶间隙和轴瓦顶隙，并调整轴承座标高，消除了故障。由于配汽因素是导致汽流激振最主要的原因，很多时候调整调门运行方式就能消除故障。

总之。运行中，研究并采用对机组扰动最小的调门运行方式，避免部分进汽；防止因受热不均导致的汽缸偏移或转子跑偏等；提高润滑油温度，防止轴承座标高变化或轴瓦损伤，提高轴承稳定性；控制振动水平，降低轴颈扰动。对易发生汽流激振的负荷段，应尽量少停留或快速通过。

参考文献：

[1]王鹏，超临界汽轮机技术研究的新进展.2020.

[2]刘晓玲，浅谈大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理.2022.