1 概述 淮北發電廠(以下簡稱電廠)N220-130-535-535型汽輪機組是東方汽輪機廠製造(7號機通流部分哈爾濱汽輪機廠改造)，是一種超高壓、一次中間再熱、單軸、三缸三排汽冷凝式的汽輪機組，額定功率220MW，主汽壓力12.75MPa，主、再熱蒸汽溫度535℃。在結構上，汽輪機的通流部分由高、中、低三部分組成，共37級，其中高壓缸採用的是雙層缸，中、低壓缸採用的是單層缸，通過縱銷、橫銷、立銷定位；汽輪機採用高、中、低轉子，其中高壓轉子和部分中壓轉子是整鍛式，部分中壓轉子和低壓轉子是套裝式，加上發電機、勵磁機轉子，整個汽輪發電機組的轉子約30m，支撐軸承共11個。發電機冷卻方式為氫冷加水冷。
此類型汽輪發電機組結構複雜，金屬壁較厚，轉子長、尺寸大，在機組啟動中經常因設備本身的缺陷或操作控制不當引起機組振動，被迫打閘，反覆多次啟動才能成功。電廠5號、7號機組冷態啟動非常困難，經常在冷態啟動中因軸瓦振動大打閘，需重新啟動，甚至多次啟動才能成功。引起機組振動的原因很多，有設計、製造、加5127藝、檢修質量和運行調整等方面的因素，本文就有關運行方面可能引起機組振動的原因進行分析，並介紹一些必要的措施，希望能供同類型機組啟動時參考。
2 運行方面可能引起機組振動的分析與調整
2.1 汽輪機金屬溫差對機組振動的影響
汽輪機的啟動過程實際是一個對汽缸轉子逐漸的加熱過程，隨著汽輪機衝轉開始，汽缸和轉子被加熱，溫度不斷升高，汽缸的內、外壁經過傳導加熱使外壁溫度升高，在內外壁之間存在著溫差，內壁熱膨脹快，而外壁熱膨脹慢；特別在機組熱態啟動時，各金屬壁(汽缸內、外及上、下壁)之間在啟動前就可能已經存在溫差，或由於機組主汽管道或汽缸疏水不充分，發生水衝擊，導致汽缸上、下缸壁溫差增大，控制不好易使汽缸變形，內部徑向間隙變化較大，引起機組振動。電廠5、6、7、8號機組都出現過中壓缸內壁上、下溫差超過50℃，有時高達100℃以上的現象。如圖1所示為8號機組高壓缸缸壁溫度350℃左右打閘停機後的中壓缸上、下缸壁溫差變化規律。
從圖1中看出，在停機3～4h後如果想要安全啟動汽輪機，如採用自然冷卻方式降低金屬壁溫，則大約需要40h後缸溫差降至50℃以下，才能確保機組啟動成功，影響啟動時間。
因此在危險區域內，機組要想啟動，需採用特殊措施(如：提前送軸封備用供汽抽真空，或投用快速冷卻裝置)，減少中壓缸上、下缸壁溫差。等溫差到達安全區域內，開始衝轉，並低速暖機，直至上、下缸溫差較小時再按規定升速。只有這樣，才能保證機組安全啟動。
2.2 汽輪機差脹對軸振的影響
差脹的大小反應了汽輪機動靜部分相對間隙的大小。由於操作不當可能引起轉子和汽缸產生較大的差脹，如果差脹值超標，就可能使動靜部分之間軸向間隙消失，發生動靜摩擦，引起機組強烈振動。差脹是汽缸、轉子各金屬部件熱膨脹的反應，要使其控制在規定範圍內，必須控制溫升速度(不超過2.5℃／min)及衝轉升速率(控制在100～200r／min，過臨界轉速時控制在300～600r／min以內)，選擇合理衝轉參數，衝轉時儘量保持主、再熱蒸汽溫度一致或再熱蒸汽溫度略高於主蒸汽溫度，選擇合理的升負荷率，合理的使用汽缸法蘭加熱裝置，適當控制好暖機時間，合理使用軸封汽源等……使汽缸的膨脹跟上轉子的熱膨脹。影響汽輪機差脹的因素主要有以下4方面。
2.2.1 汽輪機滑銷系統是否卡澀
在啟動時汽輪機差脹指示表的指示要漸漸增大，同時汽輪機外汽缸的絕對膨脹也應漸漸增大，不要有跳躍現象，否則就有可能是滑銷系統卡澀。因此，在開機過程中必須同時注意差脹和汽缸絕對膨脹的變化。
2.2.2 汽輪機軸封供汽的影響
由於軸封供汽直接與大軸接觸，其供汽溫度的高低，直接影響著轉子的伸長與縮短，啟動時軸封投用備用汽時間越長，就會使高中壓差脹增長越快，有時甚至影響到機組升負荷的進行，影響整機啟動時間。因此，在汽輪發電機機組啟動過程中，衝轉前除氧器使用備用汽源，保持壓力穩定，由它供軸封用汽(或軸封用備用汽源，待帶負荷凝結水回收後，除氧器再切換備用汽源)。
2.2.3 汽缸、法蘭螺栓加熱裝置的影響
在汽輪機啟動、停機時合理投用汽加熱裝置，可以提高或降低汽缸、法蘭螺栓溫度，有效地減少汽缸法蘭螺栓之間的溫差，加快汽缸法蘭螺栓的膨脹或收縮，達到控制差脹在規定範圍內的目的。
2.2.4 凝汽器真空的影響
在衝轉暖機過程中，真空的變化會使差脹改變。當真空過低時，要保持轉速不變，必須增加進入汽輪機的進汽量，使轉子加熱快，高壓差脹會增加，中低壓轉子由於增加的進汽量會將部分摩擦鼓風損失產生的熱量帶走，其差脹相應減少。但排汽缸溫度偏高，加上又有大量的高溫疏水進入凝汽器，當排汽缸溫度過高時，可能導致汽缸中心線與軸轉子的中心線不一致，嚴重時可能導致動靜部分摩擦，機組產生振動。當真空過高時，汽輪機的進汽量少，高中壓轉子的差脹減小，中、低壓轉子由於排汽量減少，摩擦鼓風損失產生的熱量不能及時帶走，其差脹值會偏大。因此開機時真空不能過高，也不能過低，一般為60～70kPa之間。
2.3 汽缸、轉子熱變形對振動的影響
2.3.1 汽缸法蘭內外壁溫差的影響
汽缸法蘭內外壁溫差引起的熱變形也會使機組產生振動，高中壓缸的水平法蘭厚度約為汽缸厚度的4倍。由於加熱條件的不同，法蘭溫度的升高滯後於汽缸，兩者會產生溫差，使汽缸的熱膨脹受到法蘭的制約，容易產生金屬變形。嚴重時會引起動靜部分碰摩，導致機組振動。因此在機組啟動時為減少法蘭內外壁溫差，要合理的投用法蘭螺栓加熱裝置，使法蘭的溫度變化跟上汽缸溫度的變化，減少汽缸法蘭的熱變形。
2.3.2 轉子熱彎曲的影響
在汽輪機啟動前由於上、下汽缸存在溫差，使轉子上、下部分也存在溫差，或由於軸系的加工質量存在問題，造成轉子的質量中心不平衡，再加上溫差的影響，轉子會產生熱彎曲。在熱彎值較大的情況下，啟動汽輪機運行，其產生的不平衡離心力，很有可能會使機組產生強烈振動。所以在機組啟動前要核實、測量轉子熱彎曲值，一般不允許超過原始值的0.02mm。若轉子熱彎曲值過大要延長盤車時間，檢查汽缸溫差、各疏水是否充分。待彎曲值降低至正常值後，盤車電流穩定，內部無摩擦聲，方能啟動，嚴禁盲目搶時間啟動。
2.4 潤滑油溫、油壓對振動的影響
(1)潤滑油溫的高低直接影響潤滑油膜的建立…。潤滑油溫過高時，潤滑油的粘度降低，在軸承內油膜難以建立，造成油膜不穩而引起機組振動。潤滑油溫過低時，油的粘度增大，在軸承內油膜的厚度增大，承載能力下降，使油膜不穩引起機組振動，所以在機組啟動和運行中，要及時調整潤滑油溫在38～45℃範圍內為最佳。
(2)如果潤滑油供油不足，或軸承進油節流孔堵塞，會造成油膜不穩定或油膜破壞引起振動。因此，開機前做準備工作時，一定要全面檢查，並檢查到位。
2.5 臨界轉速對振動的影響
高、中、低壓幾個轉子，加上發電機轉子及勵磁機轉子，組成的軸系很長，每個轉子的臨界轉速在安裝或運行一階段後通常有所偏移，臨界轉速帶較寬，加上基礎框架和軸承座等具有較低的自振頻率，這樣在工作轉速以下，轉子就具有很多個臨界轉速和共振轉速，以致在啟動過程中很難找到一個合適的停留暖機轉速。電廠5號機改造後，就出現過臨界轉速偏離設計值。在開機時，按照規程規定1500r／min暖機時，由於離臨界轉速較近，機組振動大被迫停機，重新確定暖機轉速1400r／min(目前暖機轉速又需調整至1320r／min左右)，啟動才能成功。因此，機組檢修後啟動時要注意臨界轉速是否發生變化，暖機轉速要離臨界轉速約150～200r／min。
2.6 汽輪發電機組各部件膨脹受阻(或安裝動靜間隙偏小)對振動的影響
整個汽輪發電機組構件很多、軸系較長，如若某處由於某種原因在機組啟動過程中膨脹(或停機時收縮)受阻存在不暢現象，譬如：基礎臺板、軸承及軸承座和軸承及擋油環、汽缸靜止部件等，在機組啟動特別是在冷態啟動時，由於某部件存在輕微卡澀，如果啟動升速較快，暖機時間不充分，沒等到輕微受卡部件得到膨脹，使動靜間隙恢復至正常範圍，將會發生碰摩現象，引起振動增大，稍有不慎，就可能會發生因振動大停機，需要採取措施再開機，該電廠幾臺220MW機組均不同程度的存在此現象。因此，在開機時，要密切注意各軸承的軸振和蓋振變化，根據情況多設暖機點(保持再熱蒸汽溫度接近或高於主蒸汽溫度)，儘量增加機組進汽量，保證軸封供汽充足，潤滑油溫不能偏離規定值，發電機人口風溫不能很低，併網後儘可能接帶負荷，讓受熱較少的部件儘可能多的得到加熱膨脹。通過對振動值變化規律的分析，如果是因為某處動靜間隙偏小引起振動，則需要聯繫檢修人員檢查處理。
3 機組啟動應採取的對策
在機組啟動時，運行人員首先要具有符合規定的測振監視，否則汽輪機不應啟動。其次，衝轉前大軸晃動度、差脹、汽缸和法蘭各部件的溫差、蒸汽參數應符合要求，否則禁止衝動轉子。再者，要合理地選擇暖機轉速，穩定暖機轉速應避開各階臨界轉速的振動靈敏區。根據機組振動現象，分析機組振動原因，合理地採取相應的技術措施，保證每次啟動一次成功。
3.1 防止機組啟動時因金屬部件膨脹受阻引起振動的技術措施
為了減少機組啟動振動，電廠根據220Mw機組的特殊情況，針對7號機組在冷態啟動衝轉升速過程中2、3、4號瓦及5、6、7號瓦振動可能超限，為此制定了以下防止啟動振動技術措施。
(1)機組啟動時，控制低壓差脹負值，在衝轉前低壓差脹應大於-2.0mm。如發現差脹異常，可以提前軸封供汽，維持較高真空。
(2)衝轉時真空度保持70kPa左右。
(3)嚴格監視汽輪機盤車運行時的振動，傾聽各瓦聲音，如有異常查明原因，消除後才能啟動。
(4)機組冷態啟動時，為降低凝器熱負荷，儘量增大二、三級旁路減溫水量(同時應防止二級旁路振動，保持凝結水壓力穩定時，二級旁路維持在50％開度)。
(5)調整密封油冷油器，保證空、氫側密封瓦進油溫度基本一致。
(6)衝轉過程中保持潤滑油溫度穩定在40℃左右。
(7)及時投入汽加熱裝置，保證上下缸溫差儘量減小。
(8)衝轉後盤車停運時，盤車潤滑油門不關閉。
(9)冷態啟動衝轉選擇較高參數，汽溫、汽壓選擇上限；保證冷態啟動併網後機組能夠迅速帶負荷至20MW左右。
(10)冷態啟動過程，在500r／min下暖機5min，全面檢查各瓦振動、聲音。在800r／min暖機到汽缸壁溫度超過150℃以上，再選擇200r／min升速率升速至1400r／min。1400r／min暖機20～30min。綜合分析機組狀態後，確定下一步啟動方案，原則上，條件具備選擇升速率200r／min直接升速到3000r／min立即併網。
(11)鑑於7號汽輪發電機組衝轉升速過程中2、3、4、5、6、7號瓦振動均可能超限，每次冷態啟動要加強對振動的監視，並安排運行人員專人在車頭準備異常情況下的打閘。
通過上述技術措施的採取，保證了7號機組在冷態啟動時的成功率，近幾年7號機組關停前每次冷態啟動均是一次成功，為廠裡節約了大量的燃油資金，也確保了機組的安全、經濟運行。
3.2 防止機組啟動時上、下缸壁溫差超限引起振動的技術措施
為了防止汽輪發電機組啟動中因上、下缸壁溫差超限引起振動，電廠根據各機組中壓缸結構的特殊情況，針對5號、8號機組在熱態啟動時中壓缸上、下缸金屬壁溫差超限，影響機組安全啟動，特採取了以下操作措施：
(1)針對金屬壁溫差大，機組又需要在較短時間內啟動。根據啟動計劃，提前送軸封備用汽源，啟動射水泵或真空泵抽真空。
(2)將高壓缸封缸，並注意其壁溫變化情況(每2h進行疏水1次)。
(3)真空度不能過高，保持50kPa左右。
(4)每10～15min抄缸壁溫度1次，注意缸壁溫度變化情況。
(5)還可以採用投用快速冷卻裝置，提高冷卻空氣溫度，當其高於中壓缸上缸內壁溫度，投用快冷裝置，減少溫差。
2008年6月21日和6月22日，通過採取投用快速冷卻裝置和送軸封抽真空法，減少中壓缸上、下缸壁溫差，效果非常明顯。從送軸封抽真空開始，4h後中壓缸上、下缸壁溫差由80℃恢復到安全啟動範圍內，與自然冷卻等待相比明顯減少，啟動可以提前10h左右完成。