黃龍強(qiáng)，周宏

(重慶鋼鐵股份有限公司能源管控中心，重慶401258)

熱電

TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)故障診斷及技術(shù)分析

黃龍強(qiáng)，周宏

(重慶鋼鐵股份有限公司能源管控中心，重慶401258)

針對重鋼16 MW高爐TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)過程出現(xiàn)的在通過臨界轉(zhuǎn)速時發(fā)生較大振動導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)這一故障進(jìn)行技術(shù)分析，并提出了整改方案，實施后運(yùn)行狀況良好。

TRT發(fā)電機(jī)；臨界轉(zhuǎn)速；診斷；振動

1 TRT發(fā)電機(jī)工藝概況

高爐爐頂煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(Top Gas Pressure Recovery Turbine簡稱TRT)是目前國際上公認(rèn)的有價值的二次能源回收裝置。它是利用煉鐵高爐爐頂煤氣中的壓力能及熱能經(jīng)透平膨脹做功來驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電。TRT發(fā)電機(jī)組回收高爐鼓風(fēng)機(jī)所需能量的30%左右，實際上回收了原來在減壓閥組中白白損失的能量。這種發(fā)電方式既不消耗任何燃料，也不產(chǎn)生環(huán)境污染，發(fā)電成本十分低廉，僅為燃?xì)忮仩t發(fā)電的20%左右，是一個重大節(jié)能技術(shù)措施項目，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

TRT發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，高爐荒煤氣經(jīng)過干法除塵的凈化后，經(jīng)過TRT發(fā)電機(jī)膨脹降溫后將煤氣送入高爐煤氣管網(wǎng)供各用戶使用或進(jìn)入煤氣柜存儲。它可代替減壓閥組，調(diào)節(jié)穩(wěn)定高爐爐頂壓力，控制靈敏，波動幅度小，可促進(jìn)高爐的穩(wěn)定順行。TRT發(fā)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時，高爐荒煤氣通過干法除塵凈化，再經(jīng)過減壓閥組減壓后將煤氣送入高爐煤氣管網(wǎng)供各用戶使用或進(jìn)入煤氣柜存儲。

重鋼長壽新區(qū)現(xiàn)有3座2500 m3高爐，相應(yīng)配套有3臺16 MW的TRT發(fā)電機(jī)。1＃、2＃高爐TRT發(fā)電機(jī)型號及結(jié)構(gòu)形式完全相同；3＃高爐TRT發(fā)電機(jī)型號及結(jié)構(gòu)形式與前兩套機(jī)組有所不同，具體參數(shù)對比參見表1。

2 高爐TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)過程存在的故障

3＃高爐TRT發(fā)電機(jī)自安裝完畢啟機(jī)動態(tài)調(diào)試過程中存在下面三種故障：

2.1 首次啟機(jī)無法通過臨界轉(zhuǎn)速

3＃TRT發(fā)電機(jī)第一次啟機(jī)參照1＃、2＃TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)程序操作，但是因通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動超過160μm的聯(lián)鎖停機(jī)值而緊急停機(jī)。后又再啟機(jī)兩次，仍無法成功通過臨界轉(zhuǎn)速。

2.2 因故停機(jī)后立即重啟無法通過臨界轉(zhuǎn)速

在機(jī)組連續(xù)運(yùn)行一個月后，因運(yùn)行人員點(diǎn)巡檢發(fā)現(xiàn)機(jī)組缺陷申請短暫停機(jī)處理，處理完畢后立即重新啟機(jī)。在機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動均達(dá)到200μm以上，且超過延時2 s而緊急停機(jī)。隨后又立即再次啟機(jī)，故障依舊。當(dāng)時因無法判斷故障所在，故決定待機(jī)組盤車?yán)鋮s后第二天再啟機(jī)。第二天啟機(jī)則順利通過臨界轉(zhuǎn)速成功并網(wǎng)。我們隨即將這一情況向TRT發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造廠家進(jìn)行了反饋，其技術(shù)人員也未能解釋原因，只說待進(jìn)一步觀察。隨后又出現(xiàn)幾次3＃TRT發(fā)電機(jī)因故停機(jī)立即啟機(jī)無法通過臨界轉(zhuǎn)速。

2.3 長時間停機(jī)后正常啟機(jī)無法通過臨界轉(zhuǎn)速

因高爐停爐消除缺陷隱患，故3＃TRT發(fā)電機(jī)配合高爐停機(jī)較長時間。在此期間，為了避免3＃TRT發(fā)電機(jī)長時間停機(jī)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲變形，每周盤車2次，每次盤車180°。高爐檢修完畢后啟3＃TRT發(fā)電機(jī)，緩慢升轉(zhuǎn)速和通過臨界轉(zhuǎn)速和正常啟機(jī)一樣，但是在通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動最大值為171μm而聯(lián)鎖停機(jī)(當(dāng)時程序未延時2 s)。再次啟機(jī)，通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動最大值為191μm而聯(lián)鎖停機(jī)。第三次啟機(jī)，通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動最大值達(dá)196μm而聯(lián)鎖停機(jī)。這三次啟機(jī)從機(jī)組沖轉(zhuǎn)到通過臨界轉(zhuǎn)速的時間均未超過30 min。

表1 3臺TRT發(fā)電機(jī)參數(shù)對比表

3 啟機(jī)故障技術(shù)分析及改進(jìn)方案

針對3#16 MW高爐TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)過程的出現(xiàn)的三種故障，技術(shù)人員共同努力尋找解決辦法，有針對性地采取了一系列行之有效的措施。

3.1 首次啟機(jī)故障

3＃TRT發(fā)電機(jī)組的透平機(jī)轉(zhuǎn)子較重，且為柔性轉(zhuǎn)子，參照1＃、2＃TRT發(fā)電機(jī)啟機(jī)程序升速率較慢，導(dǎo)致其滯留臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的時間較長，沒有快速通過臨界轉(zhuǎn)速，因此振動值較大。影響TRT發(fā)電機(jī)組升速率的因素有煤氣壓力、溫度和流量。煤氣壓力高、煤氣溫度高、煤氣流量大都會增加升速率。高爐在生產(chǎn)過程中，煤氣壓力和溫度會有小幅波動，且為高爐生產(chǎn)控制。增加TRT發(fā)電機(jī)的升速率必須增大煤氣流量，這樣才能確保機(jī)組快速通過臨界轉(zhuǎn)速。增大煤氣流量有兩種方式，其一為增大入口電動蝶閥開度，其二為增大透平機(jī)的靜葉開度。

根據(jù)經(jīng)驗，靜葉的開度對機(jī)組的轉(zhuǎn)速影響較為敏感，其細(xì)微變化都會使轉(zhuǎn)速變化較大，不易掌握和控制。所以決定在機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速時入口電動蝶閥的開度由原來10%增加到30%。再一次啟機(jī)，機(jī)組逐漸升轉(zhuǎn)速到1000 r/min時短暫停留，檢查各參數(shù)和運(yùn)行狀況正常后一次性開啟入口電動蝶閥至30%準(zhǔn)備快速通過臨界轉(zhuǎn)速，但還是因透平機(jī)1＃、2＃軸承振動大超過聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)值而緊急停機(jī)。為避免一次啟機(jī)的偶然性，又再重啟機(jī)兩次，故障依舊。后決定將入口電動蝶閥的開度增加到40%。再一次啟機(jī)，機(jī)組還是未能通過臨界轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過進(jìn)一步分析，認(rèn)為入口電動蝶閥30%的開度可以確保足夠的煤氣流量讓機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速，但入口電動蝶閥通徑1800 mm，由電機(jī)經(jīng)過蝸輪蝸桿減速裝置驅(qū)動，其開啟的速度并不快，這樣導(dǎo)致機(jī)組的升速率仍不夠。TRT發(fā)電機(jī)設(shè)計有兩個DN800mm液壓旁通快開閥。在運(yùn)行過程中均為全關(guān)狀態(tài)，一個為主閥，另一個為備用副閥。其作用為TRT發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中緊急停機(jī)時由程序控制開啟旁通快開閥一定的開度，以減小高爐爐頂壓力的波動而不影響其生產(chǎn)。

經(jīng)過與TRT發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造廠家技術(shù)人員溝通交流后，決定在通過臨界轉(zhuǎn)速之前的升速過程中開啟一個旁通快開閥一定開度；在通過臨界轉(zhuǎn)速時人為關(guān)閉旁通快開閥，因其為液壓控制則會在很短時間內(nèi)全關(guān)閉，讓煤氣全部通過TRT發(fā)電機(jī)而提高升速率。再一次啟機(jī)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速＞100 r/min時，逐漸人為開啟旁通快開閥一定開度，并同時調(diào)整入口電動蝶閥開度，保持機(jī)組按照2～3 r/s速率升高轉(zhuǎn)速。當(dāng)機(jī)組逐漸升轉(zhuǎn)速到1000 r/min時逐漸調(diào)整入口電動蝶閥開度至30%，同時調(diào)整旁通快開閥開度至30%。短暫停留并檢查各參數(shù)和運(yùn)行狀況正常后人為全關(guān)閉旁通快開閥，并手動開啟靜葉至8%，機(jī)組轉(zhuǎn)速以30 r/s的速率迅速升高，透平機(jī)1#、2#軸承振動達(dá)到170μm，但還是因透平機(jī)1#、2#軸承振動大超過聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)值而緊急停機(jī)。從此次轉(zhuǎn)速升速率來看已經(jīng)較快，但仍未能通過臨界轉(zhuǎn)速。再次與TRT發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造廠家技術(shù)人員交流溝通后，決定在機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速時，在程序中增加振動超過停機(jī)值延時2 s停機(jī)，即如果振動值≥160μm持續(xù)2 s則自動聯(lián)鎖停機(jī)；如果振動值≥160μm但在2 s內(nèi)降低到＜160μm則不會自動聯(lián)鎖停機(jī)。

修改程序后再一次啟機(jī)，則順利通過臨界轉(zhuǎn)速。因之后做超速試驗而啟機(jī)多次，也曾出現(xiàn)過在機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)軸承振動值＜160μm的情況。經(jīng)過不斷優(yōu)化升速程序，將人為關(guān)閉旁通快開閥改為計算機(jī)程序自動控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1350 r/min時程序自動關(guān)閉旁通快開閥，這樣減少人為誤差和干擾，以便機(jī)組順利通過臨界轉(zhuǎn)速。此外，還決定在每次啟機(jī)前不增加振動超過停機(jī)值延時2 s停機(jī)，只有待第一次啟機(jī)無法通過臨界轉(zhuǎn)速時才增加，這樣最大限度確保機(jī)組的運(yùn)行安全。

3.2 因故停機(jī)后立即重啟故障

進(jìn)入TRT發(fā)電機(jī)組透平機(jī)的凈煤氣溫度一般在150～230℃，雖然這樣的溫度不及汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度高，但是其透平機(jī)轉(zhuǎn)子在長期運(yùn)行過程中同樣會受熱，受熱后轉(zhuǎn)子會發(fā)生彎曲變形，這是常見的物理現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子的彎曲變形將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化，正常的彎曲變形對轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化影響較??；但非正常的彎曲變形對轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化影響則較大。

轉(zhuǎn)子熱彎曲通常分為熱彈性彎曲和永久性彎曲。熱彈性彎曲是指轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布不均勻，轉(zhuǎn)子受熱后膨脹而造成的轉(zhuǎn)子彎曲，當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失。永久性彎曲則不相同，當(dāng)轉(zhuǎn)子局部區(qū)域受到急驟加熱(或冷卻)，而該區(qū)域與其他部位產(chǎn)生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹受到約束產(chǎn)生高的壓應(yīng)力。當(dāng)其應(yīng)力值超過轉(zhuǎn)子材料的屈服極限時，轉(zhuǎn)子局部便產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度均勻后，該部位將有殘存的拉應(yīng)力，塑性變形不消失，從而造成轉(zhuǎn)子的永久性彎曲。

影響轉(zhuǎn)子熱彎曲的主要原因有：①材質(zhì)缺陷：如果轉(zhuǎn)子的材質(zhì)不均勻，受熱后膨脹會不均勻，導(dǎo)致熱彎曲；或者在轉(zhuǎn)子制造過程中尚有殘余應(yīng)力存在，受熱后應(yīng)力會釋放出來，也會導(dǎo)致熱彎曲。②暖機(jī)時間不充分：由于透平機(jī)上下缸體存在溫差，停機(jī)后轉(zhuǎn)子上部溫度比下部高，使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，投運(yùn)盤車后需要較長時間才能夠恢復(fù)。如果盤車的時間較短，則熱彎曲不能完全恢復(fù)，啟機(jī)后就會出現(xiàn)振動過高的情況。③動靜摩擦：當(dāng)轉(zhuǎn)子與靜止部件的間隙逐漸縮小并消失后，就會發(fā)生動靜摩擦，使接觸處的溫度升高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生熱彎曲。④套裝葉輪松動：套轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子上的葉輪松動使熱阻發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與葉輪接觸的部位溫度分布不均勻，從而也產(chǎn)生熱彎曲。

轉(zhuǎn)子熱彎曲通常分為啟機(jī)過程的熱彎曲和運(yùn)行過程的熱彎曲。如果啟機(jī)過程中其振動明顯高于正常值，通常做法是降低轉(zhuǎn)速，延長暖機(jī)時間，待振動值降低并趨于穩(wěn)定后再升轉(zhuǎn)速。

3#TRT發(fā)電機(jī)只是在故障停機(jī)后立即重啟過程中通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1#、2#軸承振動偏大，在正常的啟機(jī)過程中則能夠順利通過臨界轉(zhuǎn)速，故可排除啟機(jī)過程的熱彎曲情況。經(jīng)過仔細(xì)的觀察分析，3#TRT發(fā)電機(jī)在停機(jī)降速通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1#、2#軸承振動為190μm左右；而其正常啟機(jī)時通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1#、2#軸承振動為170μm左右；而且機(jī)組停機(jī)后立即又重新啟動，在通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1#、2#軸承振動通常會≥200μm，且超過延時2 s而緊急停機(jī)。

從上述現(xiàn)象分析判斷，3#TRT發(fā)電機(jī)組的透平機(jī)轉(zhuǎn)子存在運(yùn)行過程熱彎曲異常的狀況。其轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中發(fā)生異常熱彎曲，即使降低負(fù)荷或者解列停機(jī)，熱彎曲不會立即消失而恢復(fù)，故停機(jī)過程中通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動會高于正常啟機(jī)時20μm；在緊接著的重新啟機(jī)過程中通過臨界轉(zhuǎn)速時透平機(jī)1＃、2＃軸承振動會高于正常啟機(jī)時30μm。在機(jī)組連續(xù)盤車十幾小時后，轉(zhuǎn)子的異常熱彎曲變形有所恢復(fù)，故3＃TRT發(fā)電機(jī)在盤車一段時間后重新啟機(jī)能夠順利通過臨界轉(zhuǎn)速。3＃TRT發(fā)電機(jī)還曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣一種情況，在其計劃停機(jī)前煤氣溫度約為200℃，當(dāng)時環(huán)境氣溫＞38℃，在停機(jī)后第二天啟機(jī)也因透平機(jī)1＃、2＃軸承振動高而未能通過臨界轉(zhuǎn)速。后采取在煤氣管道中通入少量的氮?dú)鈦磉M(jìn)行輔助降溫，再盤車一段時間后重新啟機(jī)才順利通過臨界轉(zhuǎn)速。這種情況是由于煤氣溫度和環(huán)境溫度偏高而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在盤車過程中散熱不好，故第二天機(jī)組氣缸內(nèi)的溫度仍然偏高，其轉(zhuǎn)子的熱彎曲并未完全恢復(fù)正常。在目前這種狀況下只能停機(jī)后多盤車一段時間降低氣缸體內(nèi)的溫度后再重新啟機(jī)。

3.3 長時間停機(jī)后無法正常啟機(jī)故障

TRT發(fā)電機(jī)的煤氣溫度雖然沒有汽輪發(fā)電機(jī)的蒸汽溫度那么高，但是在機(jī)組長期運(yùn)行過程中，機(jī)組的靜止部件(包括氣缸、軸承箱等)受熱后將發(fā)生膨脹。透平機(jī)在設(shè)計制造過程中也和汽輪機(jī)一樣設(shè)置了滑銷系統(tǒng)?；N系統(tǒng)的作用是確保氣缸受熱時能夠沿著給定的方向自由膨脹，保持氣缸與轉(zhuǎn)子中心一致以及保證動靜部分的間隙；同時在機(jī)組停機(jī)時，保證氣缸能夠按照給定的方向自由收縮。

此次3＃TRT發(fā)電機(jī)停機(jī)時間較長，機(jī)組及其附屬設(shè)備完全冷卻，且夏季空氣濕度較大，易使滑銷表面發(fā)生銹蝕。機(jī)組長期停運(yùn)后重新啟機(jī)時比正常啟機(jī)的膨脹量大。因為正常啟機(jī)時其不可能完全冷卻。如果滑銷系統(tǒng)存在卡澀，將會導(dǎo)致氣缸體在受熱時膨脹不出去，受到壓縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力；冷卻時收縮不回來而產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此啟機(jī)后阻力增大，導(dǎo)致不暢。這樣的應(yīng)力會引起變形，可能導(dǎo)致支撐系統(tǒng)剛度的降低。如果機(jī)組的各部位可以自由膨脹，受熱后將不會產(chǎn)生任何應(yīng)力。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動與軸承座剛度成反比。透平機(jī)氣缸體的體積大、剛度低，存在膨脹問題時容易發(fā)生變形，氣缸的支承面與軸承座臺板之間也會出現(xiàn)細(xì)小的間隙，導(dǎo)致支撐剛度降低，這樣將轉(zhuǎn)子的不平衡振動放大了。氣缸體的熱容量比轉(zhuǎn)子大得多，溫度的變化比轉(zhuǎn)子緩慢得多。因此膨脹不暢時振動上升過程持續(xù)的時間長，有時候甚至可以達(dá)數(shù)小時。膨脹的問題通常發(fā)生在機(jī)組長時間停機(jī)之后。

從當(dāng)時3＃TRT發(fā)電機(jī)與1＃、2＃TRT發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況比較，其機(jī)殼溫度較低，軸承溫度也較低。經(jīng)過分析后認(rèn)為暖機(jī)時間較短，機(jī)組為完全冷態(tài)，氣缸的膨脹還不夠或者不暢導(dǎo)致此種情況。只能延長暖機(jī)時間進(jìn)一步觀察其運(yùn)行狀況，并且在程序中恢復(fù)通過臨界轉(zhuǎn)速的振動值≥160μm延時2 s停機(jī)。

3＃TRT發(fā)電機(jī)再次啟機(jī)，第一次暖機(jī)時間較之前有所延長，但仍未能通過臨界轉(zhuǎn)速。隨后又再次啟機(jī)還是未能通過臨界轉(zhuǎn)速。這兩次通過臨界轉(zhuǎn)速的軸承溫度和機(jī)殼溫度都較低，機(jī)組的膨脹效果仍不明顯。隨后決定再次延長暖機(jī)時間，因機(jī)組無脹差檢測裝置，故只能通過定時監(jiān)測機(jī)殼溫度和軸承溫度來進(jìn)行輔助判斷。在機(jī)組暖機(jī)過程中，潤滑油溫度因油循環(huán)升高至某一溫度時將不再升高，觀察軸承溫度逐漸升高則說明透平機(jī)轉(zhuǎn)子開始受熱進(jìn)行膨脹。當(dāng)其軸承溫度不再升高時決定快速升速通過臨界轉(zhuǎn)速成功。

4 總結(jié)

綜上所述，3＃TRT發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況正在被我們逐漸熟悉和掌握，也為今后安全可靠運(yùn)行奠定了一定的實踐基礎(chǔ)。今后還有可能出現(xiàn)不可預(yù)知的情況，我們將會不斷努力，及早解決缺陷隱患，確保發(fā)電機(jī)多發(fā)電創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動[M].北京：中國電力出版社，2007.

Diagnosis and Technical Analysis of Startup Failure of the TRT Turbine Generator at Chongqing Steel

Huang Longqiang,Zhou Hong
(Energy Control Center of Chongqing Iron&Steel Co.,Ltd.,Chongqing 401220,China)

The startup failure of the 16 MW top gas pressure recovery turbine of Chongqing Steel due to heavy vibration causing interlinked shutdown when running through critical speed during starting was technically analyzed and modification plan was forwarded, which has operated well after implementation.

TRT turbine;critical speed;diagnosis;vibration

TM31

B

1006-6764（2015）08-0034-04

2015-05-25

黃龍強(qiáng)(1963-)，男，2006年畢業(yè)于重慶大學(xué)熱能動力專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)管理工作。