低压缸切缸改造后转子渐变式弯曲故障诊断
时间：2023-01-21 08:55:10 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨志明,赵卫正,孙海龙,童小忠,顾伟飞,居国腾
(1.中核集团三门核电有限公司，浙江 台州 317109；
2.浙江浙能技术研究院有限公司,浙江 杭州, 310003；
3.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室,浙江 杭州 310003；
4.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司,浙江 绍兴 312030)
中国提出了“到2030年实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，计划到2030年碳排放强度降低60%[1-2]。国家陆续出台了火电机组灵活性提升改造政策，这对具备相应条件的火电机组的改造奠定了政策基础[3]。纯凝机组实施低压缸切缸改造是使低压缸在供热期间切除全部进汽，仅保持少量冷却蒸汽，因此低压缸切缸改造后机组供热负荷增加，发电负荷减少，实现了在抽汽凝汽和高背压两种运行方式之间灵活切换[4-6]。
然而，低压缸在切缸状态下必然会带来一系列的安全运行问题。对此，文献[7-9]阐述了低压转子末级叶片动应力超标、叶片鼓风超温和水蚀等风险并提出了相应的控制措施。证明了叶片应力对温度高度敏感，在切缸状态下需要格外关注。而对于转子弯曲的问题，文献[10-12]探讨了转子渐变式弯曲故障的机理，并结合实际案例对高中压转子和发电机转子的故障特征、原因分析和处理措施进行了详细论证。
考虑低压缸切缸改造后，因低压转子发生渐变式弯曲而造成振动异常的研究未见详细论述和研究。对此，本文对某热电联产300 MW机组低压缸切缸改造后转子渐变式弯曲问题进行分析，提出有效的解决方案，成功解决了低压转子振动异常故障，保障了机组安全稳定运行，为供热改造机组故障诊断与处理提供有益参考。
1.1 机组简介
某热电厂2号汽轮机为哈汽制造的亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、抽汽凝汽式汽轮机，型号为C280/N300-16.7/538/538。2号机组轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子组成。各转子间通过刚性联轴器连接，高中压转子和低压转子两端各由两个轴承支撑，发电机转子和励磁机转子由三个轴承支撑，整个轴系布置示意如图1所示。该机组设计额定供热负荷180 t/h，最大供热负荷410 t/h。汽轮机抽汽供热分为中压蒸汽和低压蒸汽。中压供热蒸汽来源有高压缸排汽(冷再)和中压缸进汽(热再)，低压供热蒸汽为中压缸排汽。为了满足某集中印染工业园区内热用户不断上涨的供热需求，该热电厂于2021年4～6月对机组实施低压缸切缸改造，切缸状态下供热负荷增加约266 t/h。
1.2 低压缸切缸技术简介
低压缸切缸技术也称“低压缸零出力”技术，是将中低压联通管上的供热调节蝶阀更换为关闭严密的零泄漏阀门，同时，低压缸增加冷却蒸汽，并优化低压缸排汽减温喷嘴等，将中压排汽全部接入热网，从而提高机组供热能力和电调峰能力，降低机组发电煤耗率[13-14]。
该热电厂2号汽轮机组低压缸切缸改造采取低压缸外缸不动，低压通流部分进行整体改造，重新分配通流面积和各级焓降。低压内缸采用360°进汽蜗壳结构，第一级静叶采用横置布置。对低压转子进行更换，新转子共2×7级，全部采用自带冠叶片，末级叶片高度900 mm，强度高，跨音速性能更佳。对中低压联通管进行更换，联通管上的供热蝶阀改为零泄漏蝶阀，在联通管上增开两路三通，一路用于新增低压抽汽，第二路用于低压缸冷却，保证切缸运行工况有效对低压通流进行冷却。切缸改造详见示意图2所示。
2.1 振动异常现象
2号机组于2021年6月完成低压缸切缸改造，6月4日首次冲转到额定转速，振动均小于70 μm，振动处于优秀水平。
6月16日机组首次进行低压缸切缸运行，中压排汽进入热网，增加供热量。9月10日机组调停，9月17日机组调停后连续运行。从9月17日开始，3号和4号轴承轴振持续增大，尤其是4Y振动上升明显，由90 μm逐步爬升至183 μm，如图3所示。6月4日至9月24日期间3号和4号轴振变化如表1所示。
表1 低压缸切缸改造后3号和4号轴振变化
2.2 振动异常原因分析
从表1可以看出，2号机组低压缸切缸改造后，从6月份运行至9月份，低压转子两侧3号和4号轴振有如下特点：
低压缸切缸改造后，运行期间3号和4号轴振以一倍频为主，属于普通强迫振动。3号和4号轴振随时间的增长而逐渐增大，说明低压转子的质量不平衡状态逐渐加剧。
9月17日机组调停后开机，3 000转空载下低压转子两侧3号和4号振动较9月10日调停前明显增大，其中3Y一倍频振动从调停前的74 μm增大至100 μm，4Y一倍频振动从调停前的34 μm增大至87 μm，表明此次调停前后低压转子平衡状态变化很大。
9月17日～9月24日带负荷期间，3号和4号轴承振动不断爬升，一倍频振动幅值逐渐增大，但一倍频相位变化较小，进一步表明振动爬升根源是低压转子不平衡量在逐渐加剧。
综上所述，低压缸轴振增大的原因为切缸改造后低压转子平衡状态逐渐恶化。
2.3 转子渐变式弯曲问题分析
转子渐变式弯曲主要是转轴材料存在残余应力，在运行过程中转轴内部残余应力逐渐释放，应力释放过程中转轴的弯曲量逐渐增大，转子的平衡状态恶化，造成振动逐渐增大[15-16]。
对于低压缸切缸机组，一方面采用新转轴材质不均匀，存在一定的残余应力；
另一方面切缸运行和机组启停期间，运行工况发生剧烈变化，转子受热不均匀。基于上述两方面原因，低压缸切缸机组容易发生转子渐变式弯曲。
解决转子渐变式弯曲问题主要有两个方式：(1)将转子返回制造厂抽查出具体弯曲部位，通过直轴或切削加工，但需要工作量较大；
(2)通过现场动平衡手段，补偿转子弯曲产生的不平衡质量，降低运行时振动幅值[17-18]，该方式节省工期，且费用少，因而优先考虑现场动平衡手段。
低压转子两侧3号和4号轴振爬升后，主要呈反向分量，说明低压转子一定的存在二阶不平衡分量。综合考虑空载和带负荷运行时振动情况，在低压转子两侧进行反对称加重。9月28日利用机组调停机会，在低压缸两侧末级叶轮上各加重445 g。动平衡后3号和4号轴振明显下降，空载下振动小于40 μm，额定工况下振动小于50 μm，如表2所示。
表2 现场动平衡后3号和4号轴振(单位：μm)
通过开展低压缸切缸改造可有效增加机组供热量，进而提高机组热电负荷调峰灵活性和运行经济性。对于低压缸切缸改造机组安全运行问题，除了关注末级叶片动应力超标、鼓风超温和水蚀等安全问题之外，也需要关注低压转子渐变式弯曲问题。本文通过实际案例分析处理，得出如下结论：
(1)低压缸切缸改造后，机组启停、切缸运行、工况大幅变化，导致低压转子振动出现爬升，分析原因是新转子残余应力释放，发生了渐变式弯曲。
(2)对于渐变式弯曲，采用现场动平衡的方法，解决振动异常问题，更方便快捷，能够保障机组后续的安全稳定运行。
(3)低压缸技术改造及正常运行过程中，发生转子渐变式弯曲的案例比较少见。本文所采用的分析处理方法，对供热改造机组故障诊断有一定参考价值。
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