汽轮机振动异常波动分析与处理

汽轮机振动异常波动分析与处理
摘要：汽轮机是发电厂中将热能转换为机械能的主要设备，前端接受锅炉高
温高压蒸汽，后端连接发电机旋转切割磁感线产生电力，因此汽轮机的安全稳定
运行关系到整个电厂的安全生产。

在汽轮机的安全监视系统中，振动是其中一项
重要参数。

受理论及制造和安装水平所限，汽轮机转子振动问题一直是影响电厂
安全稳定运行的主要原因。

基于此，本文主要对汽轮机振动异常波动现象与处理
措施进行分析探讨。

关键词：汽轮机；振动异常；波动分析；处理方式
1、设备概况
某发电厂#2汽轮机是国产350MW超临界、一次中间再热、单轴、三缸两排汽、双抽、凝汽式汽轮机。

汽轮机采用高、中压分缸结构，低压部分采用双分流结构，低压末级叶片为680mm。

该汽轮机轴系由高压转子、中压转子和低压转子组成，
共有4个轴承，其中#1和#2轴承位于高压转子两端，#3和#4轴承位于低压转子
两端，中压转子没有独立轴承，而是通过两端的联轴器分别与高压转子和低压转
子相联，因此中压转子的负荷由#2和#3轴承来承担。

汽轮机轴系结构布置图如
图1所示。

图 1""汽轮机轴系结构布置图
该机组的滑销系统结构从调速器端向发电机端依次为#1轴承箱、高压缸、#2
轴承箱、中压缸、#3轴承箱、低压缸、#4轴承箱。

机组设2个绝对死点，分别
在#3轴承箱、低压缸中部。

#3轴承箱、低压缸分别由预埋在基础中的2块横向
定位键和2块轴向定位键限制其中心移动，形成机组的绝对死点。

运行中，低压
缸以各自的绝对死点为中心沿轴向和横向自由膨胀。

高、中压缸分别由4只“猫爪”支托，“猫爪”搭在轴承箱上，“猫爪”与轴承箱之间通过键配合，“猫爪”在键上可自由滑动。

高压缸前后分别与#1和#2轴承箱，中压缸前后分别与#2和
#3轴承箱，在水平中分面以下都用定位中心梁连接。

汽轮机膨胀时，#3轴承箱
通过定中心梁引导中压缸、#2轴承箱、高压缸至#1轴承箱的静子部分向调速器
端膨胀。

#1、#2轴承箱同时受基架上导向键的限制，可沿轴向自由滑动，但不能
横向移动。

箱侧面的压板限制了轴承箱产生的任何倾斜或抬高的倾向。

转子之间
都是采用法兰式刚性联轴器联接，形成了轴系。

轴系轴向位置是靠机组高压转子
的推力盘来定位的。

推力轴承在推力盘中，由此构成了机组动、静之间的死点。

当机组静子部件在膨胀与收缩时，推力轴承所在的#2轴承箱也相应地轴向移动，
因而推力轴承或者说轴系的定位点也随之移动。

汽轮机主要设计参数见表1。

表 1 汽轮机主要设计参数
2、机组振动情况
2.1汽流激振现象
自2020年10月27日开始，#2机组在高负荷(340MW)运行时多次出现高压#1、#2轴振波动现象，振动波动跟负荷具有相关性、重复性，在单阀及顺序阀下均会
出现;振动频谱基频幅值、相位稳定，明显存在0.63倍频。

2020年12月16日0
时56分，机组负荷为348MW，汽轮机1X/1Y轴振由76.63μm/70.88μm突升至254.65μm/233.451μm(跳机值为254μm)，汽轮机ETS振动大保护动作。

2021年11月8日，#2机组为CCS方式，带负荷300MW运行，主蒸汽压力为22.46MW，汽轮机顺序阀(3-4，1-2)运行，主蒸汽、再热蒸汽温度为568℃/570℃，高低加运行，润滑油温度为41℃，#1、#2轴承金属温度为67℃/79℃，回油温度
为45.7℃/49.1℃，轴向位移为0.2mm，推力轴承正、负向金属温度为
44.9℃/49.4℃。

#2机组1X振动为41μm，1Y振动为29μm，2X振动为55μm，
2Y振动为47μm，2A、2C、2D、2E磨煤机运行，煤量为118t/h;主汽压与设定值
偏差大，导致高调阀大幅波动，1X振动1s内从42μm增加到333μm，轴承振动
大保护动作，汽轮机跳闸，锅炉MFT动作，发变组解列。

通过调阅机组历史数据
及在线振动监测系统数据可知，1瓦振动变化具有以下特征:振动频谱均出现明显
的0.66倍频，尤其是1X和1Y振动，0.66倍频分量占比达到通频的75%以上;振
动增加得非常迅速，1X振动1s内从42μm增加到333μm，而1Y的振动变化过
程更是比DCS采样周期还短;振动发生在340MW负荷。

由此判断振动原因是汽流
激振。

2.2动静碰摩现象
2021年3月9日，#2机组为AGC方式，AVC投入，机组负荷为230MW，主汽
压力为17.61MPa，汽轮机单阀方式运行，主汽温度为571℃，再热汽温为573℃，总煤量为97.3t/h，1B、1D、1E磨煤机运行，五段抽汽接带#1热网小机运行，高
低加投入，厂用标准方式，中压缸胀差为-0.42mm，高压缸胀差为2.95mm，轴封
温度为288℃。

#2机组2X振动为80.74μm，2Y振动为96.39μm，机组运行正常。

2瓦振动开始爬升，2X振动由80.74μm增加至91.5μm，2Y振动由96.39μm增
加至110.21μm，采取减负荷措施(减负荷速率为7MW/min)后，振动仍持续上涨。

2X、2Y振动持续增大，2Y振动爬升至244μm，机组振动保护动作，#2机组跳闸，发电机解列，锅炉MFT动作，ETS首出“轴承振动大”。

跳闸时机组参数:负荷为201MW，主汽温度为570℃，主汽压力为18.42MPa，再热汽温为574.7℃，中压缸
胀差为-0.39mm，高压缸胀差为3.08mm，2Y振动为244μm，轴封温度为288℃。

通过调阅机组历史数据及在线振动监测系统(TDM)数据可知，2瓦振动变化具
有以下特征:振动变化均为工频分量变化;振动变化过程中，振动相位出现连续变化;机组惰走过程中，在1440r/min时，2瓦振动最大达到524μm;在振动变化前后，2瓦温度变化不大。

上述特征符合典型的动静碰摩现象。

从机组振动变化特
征来看，机组在运行过程中，中压转子出现动静摩擦，引起转子热弯曲，导致机
组振动持续爬升，引发机组振动大保护动作。

由于转子热弯曲产生较大的质量不
平衡，因此在转子降速到中压临界转速区间时，转子振动明显增大。

经制造厂计
算分析后发现，原设计过程中，在计算中压缸稳定性时，未考虑定中心梁的刚度
对中压缸稳定性的影响，而定中心梁刚度过大，会导致中压缸在热态下处于失稳
状态，进而改变了缸内径向间隙，引起动静碰摩。

3、治理措施
3.1汽流激振治理措施
3.1.1检修措施
对汽轮机高压缸进行缸碰试验，解决汽流激振对机组振动产生的影响，碰缸
后根据计算结果将高压缸沉降0.40mm。

对#1瓦、#2瓦和#3瓦进行翻瓦检查，#1瓦、#2瓦测量顶隙为0.52mm(标准为0.50~0.59mm)，满足设计要求;#3支持轴承，测量顶隙上半左侧为0.97mm，上半右侧为1.03mm(标准为0.92~1.02mm)，复装前
对上半左侧瓦块增加0.05mm垫片，右侧增加0.10mm垫片，复查顶隙为1.02mm，
满足设计要求，测量均合格后验收回装。

转子轴系动平衡，在高中压联轴器位置
加装了平衡块(470g∠345°)，解决转子不平衡量产生的振动。

3.1.2阀序调整试验
为消除#2机组运行中存在的汽流激振现象，#2机组在检修结束启动后进行
阀序调整试验。

汽轮机4个高调阀的分布情况如图2所示。

图 2高调阀位置分布图
进行阀序调整，由单阀调整为4-2，3，1(4阀和2阀同时先开启，然后开3阀，最后开1阀)顺序阀，待参数稳定后，逐渐提升负荷，同时密切监视汽轮机
振动情况。

当负荷升至330MW时，2X和2Y振动值开始出现明显上涨，为保证机
组的安全运行，遂停止了继续提升负荷。

将阀序由4-2，3，1调整为1-3，2，4(1阀和3阀同时先开启，然后开2阀，最后开4阀)顺序阀，待参数稳定后，逐渐提升负荷，同时密切监视汽轮机振动
情况。

当负荷升至310MW时，1X、1Y、2X、2Y振动上涨较多，且存在明显的低频
分量，因此可判断仍存在汽流激振现象。

将阀序由1-3，2，4调整为4-3，2-1(4阀和3阀同时先开启，然后开2阀，最后开1阀)顺序阀，待参数稳定后，逐渐提升负荷，同时密切监视汽轮机各瓦
振动情况。

当负荷升至354MW时，各瓦振动无明显变化。

通过检修措施及阀序调
整试验得知，#2机组可带至满负荷，且各瓦振动稳定，在300~350MW区间内进行
升降负荷试验，机组各项参数均无异常，因此此次检修和阀序调整试验有效解决
了该汽轮机长期存在的汽流激振问题。

3.2动静碰摩治理措施
在2021年5月检修期间，对中压缸与高压缸的定中心梁进行减薄(汽侧从
28mm减至16mm);采用1段抽汽对中压缸夹层进行冷却，使其外缸内壁温度不超
过510℃;检查#2、#3轴承箱调端油档发现有积碳形成，按原定项目对#2、#3轴
承箱调端各安装1圈气密油挡，排除积碳对振动的影响;中压缸汽封间隙按标准
的上限进行放大;高、中压轴封漏汽管路增设4处温度和压力测点，用于监测轴
封系统状态。

在采用上述治理措施后，#2机组运行至今，未出现因动静碰摩而引
起的振动波动。

4、结语
本文针对某电厂汽轮机存在的汽流激振和动静碰摩引起的振动问题，分析了
汽流激振的原因，并制定了治理措施来消除汽流激振现象。

对于动静碰摩问题，
经分析发现定中心梁刚度过大导致中压缸在热态下失稳是主要原因，通过对定中
心梁减薄等措施，提高了中压缸的稳定性，未出现动静碰摩现象，为机组安全稳
定运行提供了保障。

参考文献：
[1]陆颂元，吴峥峰．汽轮发电机组振动故障诊断及案例[M]．北京:中国电力出版社，2016．
[2]朱瑜，张朋波，王雪．转子系统油膜涡动及油膜振荡故障特征分析[J]．汽轮机技术，2012，5４(４):306-308．。