銅川照金電廠汽輪機(jī)汽流激振的原因分析及處理

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(華能銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

0 引言

華能銅川照金電廠2臺(tái)汽輪機(jī)于2007年年底實(shí)現(xiàn)雙投后，出現(xiàn)了在高負(fù)荷下汽流激振的問(wèn)題，此問(wèn)題普遍存在于全國(guó)范圍內(nèi)的同類機(jī)型。該廠汽輪機(jī)綜合閥位反饋顯示值大于93%時(shí)出現(xiàn)汽流激振，#1，#2機(jī)組軸承的振幅突升，其中汽輪機(jī)軸承1Y，2Y方向振幅最高至150 μm，嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全。 在激振解決之前，為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，汽輪機(jī)綜合閥位反饋大部分時(shí)間限制于93%之內(nèi)。這不僅制約了機(jī)組帶高負(fù)荷，同時(shí)影響電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”(《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》)的考核，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。

2018年6月，針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)#1，#2汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱高調(diào)閥)閥序進(jìn)行深度優(yōu)化，對(duì)汽輪機(jī)展開(kāi)了各種工況下的升、降負(fù)荷試驗(yàn)。優(yōu)化后，汽輪機(jī)在高負(fù)荷階段且綜合閥位反饋顯示值在93%以上時(shí)也不再發(fā)生汽流激振，保證了機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備情況概述

華能銅川電廠2×600 MW汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠(以下簡(jiǎn)稱東汽)引進(jìn)日本日立公司技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的 NZK600-16.67/538/538型汽輪機(jī)，為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)組軸系中除#1，#2軸承采用5瓦塊可傾瓦軸承外，其余均采用橢圓形軸承。#1，#2機(jī)組于2007年年底實(shí)現(xiàn)雙投后，#1，#2軸承多次出現(xiàn)異常大幅振動(dòng)。經(jīng)相關(guān)參數(shù)分析，認(rèn)為異常振動(dòng)與汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度密切相關(guān)，判斷為汽流激振所致。

2 汽流激振問(wèn)題的產(chǎn)生

發(fā)電后，#1，#2機(jī)組就開(kāi)始在高負(fù)荷段工作。主蒸汽壓力為16.4 MPa且#4調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在32%左右時(shí)，#1，#2軸承開(kāi)始發(fā)生汽流激振；2008年利用2臺(tái)機(jī)組停運(yùn)檢修的機(jī)會(huì)，對(duì)#1，#2軸承的緊力和間隙進(jìn)行了復(fù)查，結(jié)果符合東汽的標(biāo)準(zhǔn)值；但機(jī)組啟動(dòng)后，在汽輪機(jī)綜合閥位反饋顯示值為93%時(shí)，汽流激振仍然發(fā)生。

2012年和2014年，銅川照金電廠#1，#2機(jī)組分別進(jìn)行了B修，對(duì)汽輪機(jī)高、中、低壓缸進(jìn)行了三缸汽封改造，其中高、中壓缸改造為鐵素體浮動(dòng)齒蜂窩汽封，葉頂汽封重新鑲嵌阻汽片。改造后啟動(dòng)機(jī)組并在高負(fù)荷期間運(yùn)行，汽輪機(jī)綜合閥位反饋顯示值大于91%時(shí)發(fā)生汽流激振，#1，#2瓦軸振出現(xiàn)了大幅度爬升及突升現(xiàn)象，其中2Y方向軸振突升最高至150 μm。本次機(jī)組B修后汽輪機(jī)汽流激振的閥點(diǎn)位置提前了約2%。

3 汽流激振的原因分析

將#1，#3高調(diào)閥全開(kāi)，#4高調(diào)閥開(kāi)度由0%開(kāi)至100%時(shí)，如圖1所示。此時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)子由于受到切向力而開(kāi)始緩慢向左上方(如圖2所示)移動(dòng)；#2高調(diào)閥的開(kāi)啟加劇轉(zhuǎn)子往左側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與汽缸中心發(fā)生偏移，直接影響軸頸在軸承中的位置，改變軸承的動(dòng)力特性而造成轉(zhuǎn)子運(yùn)行失穩(wěn)。2014年3月東汽通過(guò)分析機(jī)組振動(dòng)頻譜圖證實(shí)了汽輪機(jī)高調(diào)閥開(kāi)度變化是造成汽流激振的直接原因。汽輪機(jī)軸封間隙、葉頂間隙、隔板汽封間隙均沿轉(zhuǎn)子徑向及軸向發(fā)生變化，導(dǎo)致在該間隙中的蒸汽力不均勻，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加蒸汽激力。同時(shí)，由于沿轉(zhuǎn)子圓周方向高調(diào)閥對(duì)應(yīng)的噴嘴數(shù)和開(kāi)度不同，導(dǎo)致汽輪機(jī)噴嘴的進(jìn)汽量不同(即非對(duì)稱性)，這也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)附加的不對(duì)稱蒸汽激力。汽輪機(jī)汽封間隙的變化加上鐵素體蜂窩狀汽封的汽流渦動(dòng)，是導(dǎo)致機(jī)組在汽流激振發(fā)生時(shí)汽輪機(jī)高調(diào)閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)點(diǎn)提前至91%的直接原因。

圖1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組布置Fig.1 Arrangement of adjustment stage nozzles of the turbine

圖2 附加汽流力作用下軸承工作情況Fig.2 Bearing working condition under the additional steam flow

4 處理方案

4.1 解決思路

(1)蒸汽沖動(dòng)轉(zhuǎn)子會(huì)造成轉(zhuǎn)子上抬。在運(yùn)行中，可以通過(guò)改變高調(diào)閥的開(kāi)啟重疊度，采用節(jié)流調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽和變壓運(yùn)行的方式，盡量避免在不利汽流激振工況點(diǎn)的停留；通過(guò)改變高調(diào)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉順序可改變作用在轉(zhuǎn)子上面的受力角；增大#1，#2軸承載荷[1]，增加壓力，盡量抑制汽輪機(jī)的汽流激振力。

(2)利用檢修機(jī)會(huì)全面測(cè)量汽封間隙，并與原始值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)偏離原始值時(shí)應(yīng)分析原因，并進(jìn)行重新評(píng)估，調(diào)整汽封間隙在合理的范圍內(nèi)；檢查汽缸、轉(zhuǎn)子中心、滑銷系統(tǒng)等，避免運(yùn)行中轉(zhuǎn)子和汽缸中心發(fā)生明顯偏移。

(3)增加系統(tǒng)阻尼[2]，采用穩(wěn)定性比較好的軸承，高中壓轉(zhuǎn)子軸承采用6瓦塊的可傾瓦軸承來(lái)抑制汽流激振的發(fā)生。

(4)增加消旋汽封，將高中壓缸的部分鐵素體蜂窩狀汽封更換為消旋汽封，從而抑制汽流激振問(wèn)題。

4.2 高調(diào)閥閥序切換法

本文采用高調(diào)閥閥序切換法解決汽流激振問(wèn)題。試驗(yàn)以#1機(jī)組為例，經(jīng)過(guò)充分論證和考慮，決定通過(guò)對(duì)原高調(diào)閥配汽方式進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)高調(diào)閥重疊度進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)抑制該汽輪機(jī)在高負(fù)荷時(shí)的汽流激振問(wèn)題。具體方案是為將#1汽輪機(jī)高調(diào)閥的配汽方式由#1→#3→#4→#2(如圖1所示)逐步改為#1→#2→#4→#3和#1→#2→#3→#4，從而對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心位置產(chǎn)生細(xì)微改變。試驗(yàn)同時(shí)增加#1，#2軸承載荷，從而抑制汽封汽流渦動(dòng)及閥門部分進(jìn)汽而帶來(lái)的激振力。采取這樣的處理方法，一方面不用增加任何費(fèi)用，另一方面也不需要停機(jī)改造即可到達(dá)高效處理汽流激振的目的。

4.2.1 準(zhǔn)備工作

為保證機(jī)組運(yùn)行安全，試驗(yàn)前的綜合閥位反饋顯示值在90%，機(jī)組負(fù)荷控制在500～550 MW；試驗(yàn)期間機(jī)組背壓在13 ～15 kPa，控制方式為閥位控制，#2與#3高調(diào)閥采用手動(dòng)控制。

4.2.2 安全注意事項(xiàng)

(1)#2與#3高調(diào)閥開(kāi)啟順序調(diào)換后接帶高負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)可能會(huì)發(fā)生汽流激振，導(dǎo)致汽輪機(jī)#1，#2軸承振動(dòng)幅值大幅變化。(2)汽輪機(jī)在#2與#3高調(diào)閥開(kāi)啟順序調(diào)換后，汽輪機(jī)#1，#2軸承瓦溫會(huì)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致軸承瓦溫升高。(3)發(fā)生以下情況時(shí)必須終止試驗(yàn)：汽輪機(jī)#1，#2任一軸承振幅超過(guò)125 μm且仍有上升趨勢(shì)；汽輪機(jī)#1，#2任一軸承金屬溫度超過(guò)96 ℃且仍有上升趨勢(shì)；若汽輪機(jī)#1，#2軸承金屬溫度均有下降趨勢(shì)，說(shuō)明軸承載荷變輕易失穩(wěn)，此時(shí)也必須終止試驗(yàn)。

4.2.3 具體步驟

(1)在熱工人員監(jiān)護(hù)下由運(yùn)行人員解除#1機(jī)組#2，#3高調(diào)閥的自動(dòng)控制。

(2)熱工人員將復(fù)合配汽閥序控制邏輯中#2高調(diào)閥與#3高調(diào)閥閥序的曲線函數(shù)對(duì)調(diào)，修改#2與#3的配汽曲線參數(shù)；同時(shí)限制修改后的#3閥開(kāi)度不能大于40%。

(3)運(yùn)行人員將#2高調(diào)閥開(kāi)度手動(dòng)緩慢調(diào)整至對(duì)應(yīng)新閥序下的自動(dòng)值，然后#2高調(diào)閥投入自動(dòng)；將#3高調(diào)閥開(kāi)度手動(dòng)緩慢調(diào)整至對(duì)應(yīng)新閥序下的自動(dòng)值，然后投入自動(dòng)。檢查無(wú)異常后，投入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)，根據(jù)調(diào)度要求投入自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)。

(4)在閥序修改后的2天內(nèi)，升降負(fù)荷率應(yīng)小于5 MW/min，密切觀察汽輪機(jī)#1，#2軸承任一振動(dòng)值或任一軸承溫度應(yīng)正常，然后恢復(fù)至正常升降負(fù)荷速率。

5 效果評(píng)價(jià)

在2018年6月華能銅川照金電廠#1，#2汽輪機(jī)高調(diào)閥閥序深度優(yōu)化完畢后，汽輪機(jī)進(jìn)行了各種工況下的升、降負(fù)荷試驗(yàn)，汽輪機(jī)在高負(fù)荷階段且綜合閥位在93%以上時(shí)未發(fā)生汽流激振，汽輪機(jī)#1，#2軸承振動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)最高值在2Y方向、振動(dòng)值僅為45 μm，比之前汽輪機(jī)汽流激振時(shí)#2軸承振動(dòng)值降低約100 μm，機(jī)組的汽流激振得到徹底解決。

6 結(jié)束語(yǔ)

銅川照金電廠汽輪機(jī)汽流激振的問(wèn)題是建廠以來(lái)長(zhǎng)久存在的難題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及接帶負(fù)荷。在此次機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)采取在線閥序切換法，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受力情況向穩(wěn)定軸系方向發(fā)展，從而成功消除了汽輪機(jī)汽流激振問(wèn)題，為電力行業(yè)同類型機(jī)組的汽流激振的處理積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。