火电机组给水泵汽轮机振动跳闸的原因与防范措施

俞凯耀,金 波,周 锦

(1.浙江国际海运职业技术学院,浙江 舟山 316000; 2.国能浙江舟山发电有限责任公司,浙江 舟山 316000)

0 引 言

给水泵汽轮机是火力发电厂中驱动给水泵的汽轮机,是电厂热力循环系统的主要部件之一,在电力安全生产领域,其安全可靠的运行直接影响着整个电厂设备的正常运行[1].给水泵汽轮机与主汽轮机不同,主汽轮机是在定速条件下运行的,其运行参数保持基本不变,而给水泵汽轮机是一种参数、功率和转速都会发生变化的原动机.某厂一机组为超临界350 MW机组配置了一台100%容量的给水泵汽轮机,型号为NK63/71,是一台单缸、轴流、反动式汽轮机,汽轮机排汽系统直接连接主机排汽装置[2].给水泵与汽轮机的转子通过联轴器相连.联轴器与各个轴承间的关系与配置分布见图1.在汽动给水泵正常运行期间,水泵汽轮机前轴承X向振动与Y向振动突然升至跳闸值,会导致给水泵汽轮机跳闸,连锁引起锅炉MFT保护动作,最终使机组跳闸.本文主要针对此类生产事故进行故障原因的调查分析,并提出相应的改进措施,以避免此类故障的发生,保障发电机组的安全运行,同时为同类型发电机组提供技术参考.

图1 汽轮机给水泵轴系示意图

1 联轴器不对中的分类、产生原因、影响和特征

1.1 联轴器不对中的分类

现代旋转机械的转子故障作为安全生产的重要问题,一直备受相关专业人士的关注.其中,因转子不对中导致转子系统故障的比例占60%以上.

转子不对中是指相邻两个转子的轴心线与轴承中性线发生偏移或倾斜的程度[3].其可分为联轴器不对中和轴承不对中两种,其中联轴器不对中最为常见.

联轴器是一种连接两个轴或轴与回转件,在传递运动和动力过程中使其一同回转保持不脱开的装置.在旋转过程中,联轴器将旋转机械的主动轴与从动轴连接,并将扭矩、力和力矩等动力通过主动轴传递给从动轴,从而带动从动轴一起旋转.联轴器可防止联接部件承受过大负荷,起到过载保护的作用.

联轴器对中是指左半联轴器与右半联轴器平行于联轴器的设计轴线,且左右两半联轴器的对轮中心在径向上重合[3],见图2(a).

图2 联轴器对中及不对中的各种状态

联轴器不对中可以分为以下3种：

(1)平行不对中.左半联轴器与右半联轴器平行于联轴器的设计轴线,但左右两半联轴器的对轮中心线不在同一水平线上,见图2(b).

(2)偏角不对中.左半联轴器与右半联轴器的对轮中性线成一角度,且左右两半联轴器的对轮中心与联轴器的设计轴线重合,见图2(c).

(3)平行偏角不对中.左半联轴器与右半联轴器的对轮中心线成一角度,且两个半联轴器的对轮中心与联轴器的设计轴线不重合,见图2(d).

1.2 联轴器不对中产生的原因

若通过联轴器连接的两轴对轮中心出现偏离,则会在联轴器处产生一个附加的弯矩.而在机械设备转动一周的过程中,加在联轴器处弯矩的方向也发生周期性变化.对联轴器连接的两部分系统来说,任何一部分都受到一个周期性的激励,这个周期性的激励会造成系统的振动,从而产生非正常的动态特性,甚至导致严重的后果.

引起联轴器不对中的原因主要可以分为以下3类：

(1)生产误差.在联轴器的加工生产过程中,由于加工工艺技术误差和测量数据误差等,会导致生产的联轴器的端面与轴心线不垂直,或端面螺栓孔的圆心与轴颈不同心,从而造成联轴器产生一个附加弯矩,且这个弯矩的大小和方向会随着轴承的旋转不断变化,相当于在联轴器上增加了一个额外的力.这会破坏系统的平衡,从而产生非正常的振动.

(2)安装误差.在实际的安装过程中,由于端面的螺栓紧力不足,会造成松动或螺孔间隙太大,当轴承的旋转达到一定速度后,会导致联轴器的对轮中心偏离,从而引起振动突变.

(3)运行误差.在实际的运行过程中,运行误差导致联轴器不对中的类型主要有3种：一是高温管道及汽缸本身热辐射分布不均,致使汽轮机基础支撑框架受热不均,引起不同程度的热膨胀,从而导致各轴承座标高中心偏移,造成不对中;二是管道力的作用及转子的挠性和重量分配不均匀,使转子弯曲,联轴器出现偏心,从而导致不对中;三是长时间运行后,局部地基的不均匀下沉及地震等自然灾害引起的不对中[4].

1.3 联轴器不对中产生的影响

两轴承间通过联轴器相连接,由于受安装误差、制造误差、安装后受力部位的变形,以及运行过程中设备管道温度变化等因素的影响,联轴器都可能产生对中不良.对于转子对中不良的轴系,由于联轴器的受力变化会使转子轴颈与轴承的实际工作位置发生改变,所以对轮中心会产生偏移或形成一定的倾角.联轴器不对中会使转子轴系的固有工作频率和轴承的工作状态发生变化,在实际工况中会产生以下4个方面的情况：

(1)引起较大的同步相对转轴振动,尤其在紧靠联轴器两端的轴承上,会造成机械部件的损坏.

(2)导致联轴器处承受额外的力,若长时间运行会使连接处产生裂纹.

(3)使连接处的间隙变大,造成动静碰撞摩擦,加剧设备的损耗[5].

(4)对能耗的要求增大,轴承载荷发生变化,轴瓦温度上升超限.

1.4 联轴器不对中的振动特征

联轴器不对中的振动特征主要有以下6点：

(1)联轴器不对中的时轴振动较大,振动频率为1倍频,振动幅值和相位稳定.

(2)联轴器不对中的径向振动主要以1倍频和2倍频分量为主,且不对中越严重,2倍频所占的比例越大.

(3)当联轴器不对中时,联轴器两侧同一方向的相位,在平行不对中时为0°,在偏角不对中时为180°,在平行偏角不对中时为0°～180°[3].

(4)当联轴器不对中振动时,轴心轨迹呈香蕉形、月牙形,严重时呈8字形方式运动,方向为正进动[3].

(5)联轴器不对中对负荷变化敏感.若联轴器不对中,当负荷改变时,由联轴器传递的扭矩会立即发生改变,转子的振动状态也会立即发生变化[5].

(6)对于刚性联轴器不对中所产生的振动,在某些情况下可以通过动平衡来降低振动.而柔性联轴器则不能,若采用动平衡,则会加剧振动的程度[5].

2 案 例

2.1 事故前工况

故障前发电机组工作负荷稳定在230 MW、主汽压力为21.5 Mpa、主汽温度为501.2℃,共有A、B、C、D 4台磨煤机处于运行状态,给水泵汽轮机转速为4703 rpm、给水流量为732 t/h、给水泵汽轮机前轴承X向振动维持在90 μm左右、给水泵汽轮机前轴承Y向振动为52 μm.当轴系振动大于120 μm时,汽轮机给水泵跳闸.

2.1 事故经过

7月16日上午7：13,机组正常运行,负荷维持在230 MW,给水泵汽轮机前轴承X向振动升至95 μm,给水泵汽轮机前轴承Y向振动升至54 μm,机组减负荷至200 MW.7点25分,给水泵汽轮机前轴承X向振动与Y向振动突升至跳闸值120 μm,导致给水泵汽轮机跳闸,锅炉MFT(给水泵全停)保护动作,机组跳闸,见图3.

图3 给水泵汽轮机轴承振动至跳闸值曲线

下午17：00,决定重新冲动4#机组给水泵汽轮机,对振动进行频谱分析,同时控制振动不大于80 μm,通过来回变动给水泵汽轮机转速(3 800～4 750 r/min),以逐步消除动静碰磨.

7月17日下午13：15,因通过来回变动给水泵汽轮机转速以逐步消除动静碰磨的作用不明显,所以决定对给水泵汽轮机解体揭缸.将给水泵汽轮机按常规大修项目开始检修,并将给水泵汽轮机转子返厂检查修复,做高速动平衡.

7月18日,给水泵汽轮机解体.在给水泵汽轮机检修解体时发现,对轮中心偏差较大,对轮叠片式联轴器膜片损坏,给水泵底部纵销间隙过大,给水泵汽轮机转子少量汽封片碰磨.因此将其送回原厂返修.

3 故障原因

3.1 初步原因

根据解体后的设备状态,分析给水泵汽轮机振动变化曲线的特点.初步分析认为,给水泵汽轮机前轴承X向振动与Y向振动突然升至跳闸值,从而造成给水泵汽轮机跳闸.引起锅炉MFT的原因主要有：

(1)轴系中心变化,轴系对中偏差(给水泵高1.15 mm、下张口0.28 mm)超过联轴器对中允许不对中值(端面0.25 mm、径向0.25 mm),联轴器不对中使叠片式联轴器长期处于较大的应力交变状态,从而使膜片疲劳而发生断裂.

(2)膜片断裂造成小机内部发生动静摩擦,导致轴系振动加剧.

(3)给水泵底部纵销配合间隙过大,引起联轴器不对中.

(4)给水泵汽轮机轴封进汽管道没有安装滤网,导致管道内杂质进入小机轴封而引起动静摩擦,从而产生振动.

3.2 最终原因

给水泵汽轮机转子返厂检查维护送回后,经开缸检查分析,基本排除给水泵汽轮机汽缸内部原因使汽轮机振动大的可能.经现场分析发现,在给水泵汽轮机组投产后的长期运行过程中,管道在温度变化的情况下发生形变并产生较大的热应力.该应力作用于管系,并在管道中及管道与设备连接处产生力与力矩,导致管道变形移位[7].因电厂所建位置为海边,受海积软土地质特性的影响,铺设在软土地基的管道长期运行后会出现不同程度的基础不均匀沉降,导致管道内应力增大,从而出现变形、开裂等现象[8].

由于管道热应力、基础沉降变形等因素的综合作用,造成给水泵与给水泵汽轮机中心在长期运行期间发生较大变化,对中的上下径向和端面偏差超过叠片式联轴器要求标准,造成叠片式联轴器膜片长期受到较大的交变应力,最终发生疲劳损坏,使给水泵与给水泵汽轮机对中情况进一步恶化,最终导致给水泵汽轮机1#、2#轴瓦油挡、低压缸后轴封发生碰磨,#1轴承振动增大至保护值,给水泵汽轮机轴系振动保护动作,引起给水泵跳闸,锅炉MFT联锁保护动作,最终机组跳闸.

综上所述,联轴器对轮中心偏差过大、叠片式联轴器膜片长期受到较大的交变应力而导致膜片损坏、联轴器失效导致汽封动静碰磨、联轴器膜片损坏加剧,是导致最终振动大,引起保护动作跳闸的直接原因.

4 处置措施

将给水泵汽轮机转子装车返回杭州汽轮机制造有限公司,专业技术人员检查后,对其进行以下5项处理措施：

(1)更换低转子并进行弯曲、跳动测量,数据良好.

(2)对转子联轴器进行瓢偏测量,数据良好.

(3)对磨损比较严重的转子后轴汽封进行更换.

(4)根据检查情况,更换9-1级隔板汽封、9-3级隔板汽封.

(5)进行转子动平衡试验,在6 003 rpm时,#1轴颈处振动为0.686 mm/s,#2轴颈处振动为0.812 mm/s,数据良好.

经处理后,给水泵汽轮机转子运回电厂.经测量,级间动静间隙和汽封、油档洼窝中心正常.7月26日给水泵汽轮机检查调整结束,给水泵汽轮机完成扣缸.维护人员调整给水泵汽轮机与给水泵对轮中心至标准值后,对给水泵汽轮机进行装机恢复,装机恢复完成后进行单汽机冲转升速,达到合格.装机恢复对轮联轴器后进行启机并网,启机后,给水泵汽轮机各轴承振动数据稳定,见图4.

图4 稳定后的振动曲线

5 防范措施

为避免此类生产事故的发生,提出以下几点防范措施：

(1)在运行过程中,加强对给水泵汽轮机轴承振动的监视和分析,增加对给水泵汽轮机对轮叠片式联轴器外观的检查和联轴器中心的检查(冷态),做到逢停必检.

(2)对给水泵汽轮机和给水泵管道支吊架进行热态检查,消除管道应力.

(3)检查给水泵汽轮机和给水泵的脚螺栓紧固情况、动静部分的间隙大小,以及弹簧隔振装置的好坏.

(4)针对汽轮机底部纵销配合间隙过大的问题,重新进行调整至合格值,预防轴系振动发生.

(5)针对低压轴封母管疏水袋移位的问题,在轴封供汽母管加装一路疏水管.

(6)针对给水泵汽轮机轴封进汽管道没有安装滤网,导致管道内杂质进入给水泵汽轮机轴封产生动静摩擦,从而引起轴系振动的情况,在给水泵汽轮机轴封系统增加进口滤网,以防止杂质异物进入轴封管道.

(7)针对基础沉降的问题,对压力管道实施监测预警,并基于监测数据对其未来发展趋势进行预测和安全预警.

6 结 论

本文以某发电厂350 MW机组给水泵汽轮机振动异常引起跳闸的事故为例,梳理转子不对中及联轴器不对中的分类、产生的原因、影响和震动特征,发现联轴器不对中导致叠片式联轴器膜片断裂损坏,是给水泵汽轮机轴承振动增大的主要原因.为此,除及时采取相应的故障处理措施排除生产事故外,还根据此类故障产生的原因,提出了相应的防范措施,以保障发电机组的安全运行.