1000MW機組高真空時軸振大跳機故障解決獲獎科研報告

1000MW機組高真空時軸振大跳機故障解決獲獎科研報告

摘

要：依據(jù)動靜碰摩軸振大故障現(xiàn)象，判定要因是低壓外缸剛度不夠，在大氣壓作用下汽缸發(fā)生垂直方向下沉的變形造成動靜碰摩進而導(dǎo)致軸振大跳機故障。根據(jù)低壓缸有限元分析結(jié)果，通過輔助支撐增強汽缸局部剛度減小局部變形量，并優(yōu)化低壓外缸上半加固方案，解決缸體垂直方向下沉的變形問題，避免因此導(dǎo)致的動靜碰摩，成功解決1000MW機組高真空時軸振大跳機故障。針對動靜碰摩原因分析，從溫度場和受力兩個方面著手分析的思路清晰，判定低壓內(nèi)缸變形非要因、以及精準(zhǔn)判定要因是低壓外缸垂直方向下沉變形的分析過程及結(jié)論值得借鑒。進一步優(yōu)化低壓外缸上半加固方案的過程，說明解決低壓缸整體垂直方向下沉的變形問題是避免動靜碰摩的關(guān)鍵，值得重視。

關(guān)鍵詞：機組;真空;有限元分析;低壓缸;低壓外缸;垂直;下沉;變形;軸振;跳機

引言

河南省某電廠，裝機容量2×1000MW機組，汽輪機型號CCLN1000-25.0/600/600，為哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司與日本東芝公司合作設(shè)計、聯(lián)合制造的一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽超超臨界沖動凝汽式汽輪機。汽機低壓內(nèi)、外缸均為碳鋼板焊接而成，兩個低壓缸利用外缸下半的撐腳坐落在四周布置的臺板上。低壓轉(zhuǎn)子的四個支持軸承分別位于低壓缸兩端的軸承座內(nèi)，這四個軸承座與低壓外缸下半焊接成一體并與低壓外缸一起坐落在底部臺板上。

兩臺機組投產(chǎn)運行以來，多次出現(xiàn)運行中機組軸振大跳機故障。分析認(rèn)定為高真空工況下，低壓缸變形導(dǎo)致動靜碰摩引起軸振大跳機故障。經(jīng)過哈汽廠家低壓缸有限元分析，并優(yōu)化措施加固低壓缸，減小低壓缸垂直方向的變形，成功解決高真空工況下機組動靜碰摩引起軸振大跳機的故障。

1軸振大跳機故障次數(shù)統(tǒng)計

2軸振大故障現(xiàn)象

總結(jié)該廠兩臺機組軸振大故障現(xiàn)象如下：

1）軸振頻率成分以基頻振動為主。

2）啟動前盤車狀態(tài)下，機組抽真空過程往往會伴隨盤車電流逐步增大的現(xiàn)象。

3）在機組啟停過程中發(fā)生軸振大現(xiàn)象后在低轉(zhuǎn)速時偶爾有金屬摩擦聲音。

4）啟動階段機組定速運行一段時間后易出現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子支撐瓦軸振大、振動攀升現(xiàn)象，當(dāng)機組低負(fù)荷高真空運行時也易出現(xiàn)軸振大、振動攀升現(xiàn)象。

5）機組變負(fù)荷過程易發(fā)生軸振大故障，軸振大故障與機組真空高低有較明顯對應(yīng)關(guān)系，故障時越接近極限真空軸振越大，當(dāng)機組真空短時間變化較多時也易發(fā)生軸振大故障。

3軸振大原因分析

該廠基建投產(chǎn)以來長期存在兩臺機組振動問題，以基頻為主的振動特征，加之偶爾能聽到的金屬摩擦聲音，可以判定軸振大為動靜碰摩所致。

通過溫度場和受力兩個方面去分析，可以排除是低壓內(nèi)缸變形導(dǎo)致動靜碰摩的可能性。溫度場方面，低壓缸進汽溫度一般在300℃左右，低壓缸排汽溫度一般在35℃左右。在進汽部位對應(yīng)的高溫段，低壓內(nèi)缸內(nèi)壁溫度等于進汽溫度約300℃，但是該處低壓內(nèi)缸外壁溫度約等于低壓排汽溫度35℃左右，所以，低壓內(nèi)缸因內(nèi)外壁溫差大而普遍存在變形大問題，甚至導(dǎo)致中分面張口漏汽缺陷。但是低壓內(nèi)缸雖然因此存在變形，并非造成動靜碰摩的要因，否則，所有汽輪機組都會存在如此振動問題。低壓內(nèi)缸因內(nèi)外壁溫差大導(dǎo)致的變形量，與機組負(fù)荷變動、真空變動關(guān)系不大，而機組軸振與真空高低有較明顯對應(yīng)關(guān)系，所以可以排除是低壓內(nèi)缸變形所致的可能。受力方面，因為低壓內(nèi)缸是圓筒形構(gòu)造，缸壁圓周受到的作用力是均勻?qū)ΨQ的，除了中分面法蘭處剛度略大之外，其余缸壁厚度一致，剛度一致，所以真空高低變化帶來的作用力變化引起缸壁變形的變化量可以忽略不計，所以，從受力變化方面分析也可以排除低壓內(nèi)缸變形導(dǎo)致動靜碰摩的可能性。

結(jié)合軸振與機組真空高低有較明顯對應(yīng)關(guān)系的情況，我們依然通過溫度場和受力兩個方面去分析，最終判定引起動靜碰摩的要因是低壓外缸因剛度不夠，其內(nèi)部真空狀態(tài)，在汽缸頂部大氣壓作用下發(fā)生垂直方向下沉的變形造成動靜碰摩進而導(dǎo)致軸振大跳機故障。

溫度場方面，低壓外缸內(nèi)壁溫度是低壓排汽溫度約35℃左右，低壓外缸外壁溫度基本是當(dāng)?shù)卮髿鈮合缕麢C房內(nèi)的環(huán)境溫度約28℃左右，一般溫差都在10℃左右，所以不會因低壓外缸內(nèi)外壁溫差大導(dǎo)致變形大，所以溫度場分析不會導(dǎo)致變形引起動靜碰摩。但是，低壓后軸封供汽溫度一般約135℃左右，存在低壓后軸封體乃至該處低壓缸殼體局部溫差大變形的可能性，存在因此溫差大引起變形大帶來動靜碰摩的可能。受力方面，低壓外缸表面積非常大，在大氣壓作用下，當(dāng)其自身剛度不夠時必然會產(chǎn)生變形，低壓轉(zhuǎn)子軸承箱與低壓外缸一體布置，低壓外缸的變形進而可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置位移，最終也會導(dǎo)致動靜碰摩。結(jié)合機組負(fù)荷變動、真空變動易發(fā)生軸振大情況，最終判定引起動靜碰摩的要因是低壓外缸因剛度不夠，其內(nèi)部真空狀態(tài)，在汽缸頂部大氣壓作用下發(fā)生垂直方向下沉的變形造成動靜碰摩進而導(dǎo)致軸振大跳機故障。

低壓外缸上半是近似的半圓弧筒體，下半與凝汽器的四方形殼體相連，在真空作用下，水平中分面法蘭強度大變形量小，大氣壓向下的作用力主要是帶來低壓外缸垂直方向產(chǎn)生下沉的變形量，這是導(dǎo)致碰摩的要因。

同理可以判定，啟動前盤車狀態(tài)下，機組抽真空過程往往會伴隨盤車電流逐步增大的現(xiàn)象，以及機組低負(fù)荷高真空運行時出現(xiàn)軸振大、振動攀升現(xiàn)象均是低壓外缸下沉變形導(dǎo)致動靜碰摩所致。

針對兩臺機組高真空運行時出現(xiàn)軸振大故障跳機故障，哈爾濱汽輪機廠有限公司應(yīng)用有限元分析方法，對1000MW汽輪機低壓外缸剛度和變形量進行了詳細(xì)分析，結(jié)合現(xiàn)場抽真空實際測量低壓缸變形等數(shù)據(jù)，進一步驗證分析結(jié)論正確性。依據(jù)有限元分析方法，出具加固方案，以期提升低壓外缸剛度消除變形解決動靜碰摩導(dǎo)致的軸振大跳機故障。

4提升低壓外缸剛度加固措施及效果

對于具有柔性特征的低壓缸，根據(jù)對低壓外缸分析，進行增加輔助支撐，實現(xiàn)汽缸局部剛度增強，減小局部變形量，對于整體下沉的垂直變形改善不足，哈爾濱汽輪機廠經(jīng)過現(xiàn)場多次驗證改進，完善低壓外缸上半加固方案，最終方案為低壓外缸端部上半外表面增加了若干加強筋，呈扇形分布，低壓外缸端部上半內(nèi)壁增加撐板，低壓外缸端部下半增加兩個撐管，排汽導(dǎo)流錐板下半增加三個支撐管，下半端壁采用縱橫各兩道槽鋼進行加強。最終加固方案三維模型如圖1所示，圖中紅色部分即為加強部分。低壓缸外部加固后實際效果見圖2所示，低壓外缸下半內(nèi)部加固效果見圖3、圖4，低壓外缸端部上半內(nèi)壁增加撐板見圖5，低壓排汽導(dǎo)流環(huán)通過增加拉筋改變固有頻率詳見圖6。

改善整體下沉垂直變形的低壓缸加固措施實施后，兩臺機組在高真空及真空變化較快時，未再發(fā)生軸振大跳機故障，至此問題成果解決，最大軸振75μm，優(yōu)秀，詳見圖7。

5結(jié)語

結(jié)合該機組因動靜碰摩導(dǎo)致軸振大故障現(xiàn)象，最終判定要因是低壓外缸因剛度不夠，其內(nèi)部真空狀態(tài)，在汽缸頂部大氣壓作用下發(fā)生垂直方向下沉的變形造成動靜碰摩進而導(dǎo)致軸振大跳機故障。根據(jù)低壓外缸有限元分析結(jié)果，通過增加輔助支撐增強汽缸局部剛度減小局部變形量，并優(yōu)化低壓外缸上半加固方案，較好解決低壓缸整體垂直方向下沉的變形問題，避免因此導(dǎo)致的動靜碰摩，最終成功解決1000MW機組高真空時軸振大跳機故障。

針對動靜碰摩原因分