600 MW汽輪機通流改造后的順序閥投運方式研究

丁陽俊，印旭洋，顧正皓，吳瑞康，張 寶

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

0 引言

隨著節(jié)能減排項目的深入推廣，汽輪機的通流改造已廣泛應用于600 MW級機組中，通流改造過程中，汽輪機軸系、汽封間隙等重新進行了調整，會在一定程度上影響汽輪機的配汽特性。由于電網(wǎng)總裝機容量的不斷擴大，越來越多的大容量機組參與調峰運行，機組大部分時間不能滿負荷運行，很多機組都進行了配汽方式優(yōu)化改造。而通流改造后，機組原來的配汽方式優(yōu)化方案已經不適用于新的運行條件，導致順序閥不能正常投運，或者機組在順序閥配汽方式下運行時，安全穩(wěn)定性降低，甚至發(fā)生軸承損壞或者振動大導致的停機[1-4]。如果機組長期在單閥方式下運行，效率較低，嚴重影響機組通流改造的效益，致使改造成本無法收回，且機組節(jié)能減排目標無法完成[5-6]。因此，需要對機組通流改造后的順序閥投運方式進行研究，雖然在實施的過程中遇到一些問題，但經過合理的試驗和細致的分析，這些問題均得到了相應的處理。

1 機組簡介及順序閥投運情況

某發(fā)電廠4臺機組為上海汽輪機廠生產的亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，改造前型號為N600-16.7/538/538，經上海汽輪機廠采用先進的AIBT（其核心是變反動度彎扭葉片的設計理念）通流技術進行增容提效改造[7]，改造后型號為N630-16.7/538/538。機組汽輪機汽門包括2只高壓主汽門（TV1和TV2），4只高壓調門（GV1-GV4），2只中壓主汽門（RSV1和RSV2）和2只中壓調門（IV1-IV2）。設計配汽方式有單閥方式與順序閥方式，原設計順序閥配汽方式的閥序為GV3/GV4-GV1-GV2，各汽門布置相對位置如圖1所示。

圖1 高壓調節(jié)汽門布置與開啟順序

在率先完成通流改造的4號機組順序閥投運時出現(xiàn)軸承溫度高和振動大的問題，導致機組一直只能采用單閥配汽方式運行。按照制造廠說明，600 MW亞臨界機組通流改造完成3～6個月后，配汽方式可由單閥配汽切換為順序閥配汽。經調研獲悉，同類型機組通流改造后尚無投入順序閥方式運行的成功經驗，如果機組通流改造后不能投入順序閥運行，將會影響其運行經濟性。

2 振動大和瓦溫高原因分析

2.1 配汽方式對軸系的影響

在正常情況下，汽輪機葉片的受力與沖動該部分葉片的蒸汽流量成正比，而蒸汽流量與高壓調門閥位正相關，閥位越大葉片受力越大。假設向下及向右方向受力為正，受力分析及熱電偶布置見圖2，方向為由汽輪機側向發(fā)電機側看。

轉子所受汽流力分析如下：

式中：Fqx為轉子水平方向受的合力；Fqy為轉子豎直方向受的合力；ax，bx，cx，dx分別為高壓缸進汽口1，2，3，4所對應的葉片水平方向受的力；ay，by，cy，dy分別為高壓缸進汽口 1，2，3，4所對應的葉片豎直方向受的力。

按制造廠提供的順序閥閥序GV3/GV4-GV1-GV2分析，當GV3與GV4處于全開狀態(tài)，GV1有一定的開度，GV2處于全關狀態(tài)時，機組高壓缸所受的汽流力Fqx＞0，F(xiàn)qy＜0。此時的配汽方式對轉子的作用力向右向上，故1號、2號軸承載荷減少，瓦溫也下降。而對于汽輪機轉子，由于產生了一個上抬的力，轉子與軸瓦的間隙增大，油膜厚度變大，油膜剛度減小，軸系的穩(wěn)定性變差，但由于1號、2號軸承為可傾瓦軸承，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于橢圓瓦軸承，正好在一定程度上彌補軸承載荷的變化對軸承穩(wěn)定性的影響[8-10]。

2.2 汽流激振力對軸系的影響

汽輪機系統(tǒng)內部的汽流激振現(xiàn)象不可避免，汽流激振會使軸系穩(wěn)定性降低，從而誘發(fā)轉子失穩(wěn)，增加軸系穩(wěn)定性的關鍵是避免共振，這種共振的起因是汽輪機局部渦流與主流蒸汽旋轉所產生的不平衡力，導致轉子偏離軸心，造成軸承的過載和虛載，從而引起振動。汽流激振力呈非線性變化，渦動速度、自轉速度、渦動半徑、壓比以及交互作用對轉子動力特性均有一定的影響，所以計算汽流激振力下轉子的動力特性需要考慮很多因素[11]。

改造前，汽輪機不允許對角進汽，動葉葉頂汽封為2級，如圖3所示。改造后，通過對汽輪機調節(jié)級動葉激振力考核，汽輪機允許采用對角進汽的方式。在此前提下，為了提高調節(jié)級效率的每一個細節(jié)，將動葉葉頂汽封增加到5級，如圖4所示。經過計算后，認為雖然增加了動葉葉頂阻尼，但對角進汽可緩解不平衡激振力。改造后的實際情況表明：汽流激振力的計算存在許多不確定性，增加動葉葉頂汽封的設計并沒有避開葉頂汽封渦流與主流的共振點。

圖4 通流改造后調節(jié)級動葉頂部汽封齒結構

2.3 振動報警值偏保守

振動標準GB/T 11348.2-2012中規(guī)定了汽輪發(fā)電機組各區(qū)域轉軸相對振動位移的界限值，如表1所示[12]。

區(qū)域B的定義為：振動在此區(qū)域內的機組通常認為是合格的，可以長期運行。

區(qū)域C的定義為：振動在此區(qū)域內的機組，對長期連續(xù)運行而言，通常認為是不合格的。一般來說，在有合適機會采取補救措施之前，機組在這種狀態(tài)下可以運行有限的一段時間。

該機組振動報警值為125μm，觀察順序閥投運時2號軸承的振動變化曲線如圖5所示，發(fā)現(xiàn)振動并非突然增大，而是逐步變大，有一個變化過程，對于國內并網(wǎng)機組（額定轉速3 000 r/min）而言，此報警值明顯偏保守。

表1 各區(qū)域轉軸相對振動位移界限

圖5 2+1+1閥序試驗過程中2號軸承振動變化趨勢

3 處理措施

在確保機組安全穩(wěn)定運行的前提下，與制造廠和業(yè)主共同研討，確定針對順序閥投運過程中振動大和瓦溫高的處理措施。

3.1 在線處理措施

為使機組能盡快投入順序閥運行，重點是對機組配汽曲線進行優(yōu)化，調整高壓調門的流量線性特性及重疊度。為了確保配汽方式改變前后，汽輪機軸承金屬溫度與振動變化幅度小、順序閥方式運行時閥門晃動小、切換時參數(shù)波動量小、順序閥方式運行時機組協(xié)調工作正常，依次對機組進行高壓調門關閉試驗、負荷變動試驗和配汽方式切換試驗[13]，其中，負荷變動試驗和配汽方式切換試驗按2+2方式和2+1+1方式（按不同重疊度）分別進行。

高壓調門關閉試驗分為2步：

（1）第1步為單個閥門關閉試驗，負荷470 MW工況時，按順序依次單獨關閉GV1，GV2，GV3及GV4，觀察三閥全開、單閥關閉時1號、2號軸承振動及瓦溫情況。從試驗情況來看，關閉GV1至3%時，2號軸承X方向振動超過130μm，關閉GV2和GV3至5%～9%時，1號、2號軸承振動均超過了報警值125μm，且有繼續(xù)增大的趨勢，1號軸承溫度最高到92℃，因此未能全關。GV4在關閉過程中，振動未超限，最大值約為100μm。因此在后續(xù)的兩閥關閉試驗中，以先關GV4為基礎，進行GV2/GV3-GV1-GV4（對角進汽方式）和GV1/GV2-GV3-GV4（下進汽方式）的試驗。

（2）第2步為2個閥門關閉試驗，在關閉GV4的基礎上，分別關閉GV1和GV3。從試驗結果來看，對角進汽GV2/GV3-GV1-GV4方式時瓦溫和振動均較好，下進汽GV1/GV2-GV3-GV4方式時振動較大，GV3未能全部關閉。高壓調門關閉試驗結果可以基本確定4號機順序閥閥序為GV2/GV3-GV1-GV4。

之后進行負荷變動試驗，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，無論是2+2閥序（GV2/GV3-GV1/GV4）還是2+1+1閥序（GV2/GV3-GV1-GV4），當GV4開度在5%～9%時，2號軸承振動均會超過報警值125μm，其中2+2閥序試驗時最大值到130μm，2+1+1閥序試驗時最大值到140μm，相對于原閥序GV3/GV4-GV1-GV2在閥點處2號軸承振動的最大值240μm，都有明顯改善。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)優(yōu)化后的流量特性曲線，如圖6所示[14-15]，經過研究決定，將2號軸振報警值設置為150μm，并且在運行規(guī)程中增設振動超過165μm時切回單閥運行方式的邏輯，跳機值仍為原設定值250μm，并增設延時5 s。

3.2 停機檢修處理措施

由于通流改造時，對汽封結構的改造沒有避開葉頂汽封渦流與主流的共振點，結合改造前的機組運行數(shù)據(jù)，建議停機檢修時將5級汽封恢復為 2級，汽封間隙由 0.9～1.0 mm改為 1.4～1.5 mm，以增加動葉進口葉頂部的腔室容積，從而緩解汽流激振現(xiàn)象。同時，有機會時可以嘗試在2號軸瓦下加墊50μm，抬高軸瓦標高，適當減小軸瓦的寬度（如減小3 mm），以提高軸瓦的比壓，提高軸瓦的穩(wěn)定性。

該廠已經在另一通流改造后的同類型機組上選擇性實施了上述停機檢修時的處理措施，順序閥投運效果將會在機組啟動運行3～6個月后進行檢驗。

圖6 優(yōu)化后的流量特性曲線

4 結論

目前該機組已經采用在線處理措施，順序閥配汽方式投運順利，1號、2號軸承溫度均未達到報警值，2號軸承振動有短時超過150μm報警值的情況，但都未達到需撤出順序閥的定值（165μm）。從現(xiàn)場實際運行情況看，采用新的流量特性曲線后，順序閥投運時主汽壓力和負荷波動明顯減小，該機組投運順序閥安全可控。

根據(jù)性能試驗單位對單閥、順序閥方式不同負荷工況下該機組發(fā)電煤耗的試驗分析，機組全年按65%負荷率（409.5 MW）計，計算得到順序閥比單閥方式可降低發(fā)電煤耗6.20 g/kWh，全年投運順序閥可節(jié)約標煤約22 240.7 t，按2017年全年平均標煤價759元/t計，合1 688.1萬元。