600 MW超臨界機組配汽特性對軸系振動的影響

陳浩，徐軍鋒

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

目前，汽輪機主要采用的配汽方式為節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)又稱全周進(jìn)汽，各調(diào)節(jié)閥門開度保持一致，當(dāng)外負(fù)荷變化時，通過改變閥門(以下簡稱閥)開度改變進(jìn)汽量以適應(yīng)外界負(fù)荷，該方式進(jìn)汽均勻，適合機組啟動暖機階段。噴嘴調(diào)節(jié)又稱部分進(jìn)汽，當(dāng)外負(fù)荷變化時，各調(diào)節(jié)閥循序逐個開啟或關(guān)閉，在部分負(fù)荷下，幾個調(diào)節(jié)閥中只有1個或2個調(diào)節(jié)閥未全開。在相同的部分負(fù)荷下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)的汽輪機進(jìn)汽節(jié)流損失較小，機組的內(nèi)效率較高[1-3]。

目前我國大部分燃煤機組都參與調(diào)峰。部分負(fù)荷工況下汽輪機配汽特性不僅影響機組運行的經(jīng)濟(jì)性，而且直接影響軸系的穩(wěn)定性。

1 機組概況

某600 MW超臨界機組采用哈爾濱汽輪機廠設(shè)計制造的單軸、三缸、四排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機。高中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)。主蒸汽調(diào)節(jié)閥(以下簡稱主汽閥)與調(diào)節(jié)閥為聯(lián)合閥結(jié)構(gòu)，機組設(shè)計2個聯(lián)合閥分別布置在機組兩側(cè)，每個聯(lián)合閥由1個水平布置的主汽閥和2個垂直布置的調(diào)節(jié)閥組成。來自調(diào)節(jié)閥的蒸汽通過4個導(dǎo)汽管進(jìn)入高中壓缸中部，然后進(jìn)入4個噴嘴室。主汽閥為油動機控制水平放置的“柱塞”型閥，由液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，可以在機組啟動時轉(zhuǎn)速快速關(guān)閉。該機組共有4個調(diào)節(jié)閥(CV1，CV2，CV3，CV4)控制高壓缸的蒸汽流量。表1為該機組設(shè)計參數(shù)。原配汽方式下，從調(diào)端看轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)方向為順時針，如圖1所示。

表1 機組設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of the unit

圖1 原配汽方式下轉(zhuǎn)子靜態(tài)氣流力Fig.1 Static airflow force of the rotor with original steam distribution mode

2 配汽方式不合理引起的軸瓦振動

機組在一次大修后，在高負(fù)荷(550～600 MW)運行時，#1和#2軸瓦頻繁出現(xiàn)振動幅值突然增大的現(xiàn)象，其中#2軸瓦的表現(xiàn)尤為明顯。將負(fù)荷降低至500 MW以下，振動幅值又開始慢慢回落，但滿負(fù)荷下機組無法長期穩(wěn)定運行。調(diào)取機組運行歷史趨勢，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷為550 MW時，#2軸瓦發(fā)生不穩(wěn)定振動，x方向振動幅值由正常時的75 μm最大增加至137 μm，同時#2軸承金屬溫度由89.1 ℃降至87.4 ℃，持續(xù)十幾分鐘后，振動幅值又開始慢慢回落至80 μm，軸承金屬溫度也緩慢升高，但相比于振動幅值的變化有一定的延遲[4]。該汽輪機高壓缸原進(jìn)汽方案的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥控制順序為先同時開啟CV1和CV4，根據(jù)重疊度設(shè)定函數(shù)，開啟CV2，最后開啟CV3。若將原配汽方式切換為全周進(jìn)汽調(diào)節(jié)，機組在額定壓力時可以順利達(dá)到滿負(fù)荷運行，但全周進(jìn)汽調(diào)節(jié)存在較高的節(jié)流損失，只能作為一種過渡調(diào)節(jié)手段，長期運行是十分不經(jīng)濟(jì)的。

分析上述振動故障特征，軸瓦振動與機組負(fù)荷、調(diào)節(jié)閥控制方式有較強相關(guān)性，高負(fù)荷下軸瓦會頻繁發(fā)生振動，改變調(diào)節(jié)閥控制方式或降低機組負(fù)荷后故障消除。初步判斷振動為汽流力作用下的自激振動，造成該故障有如下幾種原因[5]。

(1)葉頂間隙激振力。汽輪機轉(zhuǎn)子與靜止部分的位置不同心時，會造成葉輪葉頂間隙沿周向方向的各向異性，并導(dǎo)致蒸汽在不同周向位置處的間隙泄漏量不均勻，產(chǎn)生激勵轉(zhuǎn)子渦動的切向力[5]。

(2)密封汽流激振力。轉(zhuǎn)子在密封腔中的偏置會引發(fā)密封流體激振力，轉(zhuǎn)子上的力可分解成一個通過轉(zhuǎn)子中心的徑向力和一個垂直于轉(zhuǎn)子偏移方向的切向力，切向力達(dá)到失穩(wěn)邊界值時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的強烈振動。

(3)靜態(tài)汽流力。部分進(jìn)汽引起時，汽流作用在轉(zhuǎn)子上的力稱為靜態(tài)汽流力，在汽輪機噴嘴調(diào)節(jié)過程中，高壓缸調(diào)節(jié)級的不同的進(jìn)汽方式會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受到不同方向的氣流力作用。當(dāng)靜態(tài)汽流力矢量疊加后的方向向上時，會使軸承載荷變小，導(dǎo)致軸系穩(wěn)定性降低，容易造成轉(zhuǎn)子運動失穩(wěn)。

造成以上激振力的情況有2種：機組大修沒有嚴(yán)格按照檢修規(guī)程執(zhí)行，造成轉(zhuǎn)子與靜子初始中心位置不同心，葉頂間隙和隔板汽封間隙不均；機組配汽方式不合理，蒸汽從噴嘴噴出后推動葉輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生導(dǎo)致不穩(wěn)定的切向力。軸承輕載，轉(zhuǎn)子在向上靜態(tài)氣流力作用下導(dǎo)致軸承失穩(wěn)、閾值增加、穩(wěn)定性裕度低。高負(fù)荷和高進(jìn)汽參數(shù)轉(zhuǎn)子容易發(fā)生自激振動。如圖1所示，原配汽方式下，CV2開啟后，從調(diào)端方向看轉(zhuǎn)子受到右上方向的靜態(tài)氣流力，轉(zhuǎn)子中心向上移動，軸承偏心率變小，容易失穩(wěn)。

查閱機組大修相關(guān)技術(shù)文件，主要技術(shù)指標(biāo)均驗收合格。建議下個周期大修時，仔細(xì)檢查、調(diào)整轉(zhuǎn)子圍帶汽封和隔板汽封的徑向間隙，防止周向間隙偏差過大，將葉頂汽封更換成能夠消除低頻激勵的蜂窩汽封或迷宮式汽封，并適當(dāng)抬高#1，#2軸瓦的標(biāo)高，可從根本上消除自激振動。但因電廠發(fā)電任務(wù)重，停機檢修會造成一定經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。為了兼顧機組運行經(jīng)濟(jì)性與安全性，與廠方溝通決定通過改變配汽方式來消除故障，同時為尋求最優(yōu)閥序控制方式，進(jìn)行了配汽特性現(xiàn)場試驗研究。

3 配汽特性試驗研究

將原配汽方式CV1+CV4→CV2→CV3改為CV1+CV3→CV2→CV4。為獲得各個負(fù)荷下機組最佳熱耗，依照《電站汽輪機熱力性能試驗驗收規(guī)程》在該機組負(fù)荷為600，550，500，450，400和350 MW時進(jìn)行配汽特性試驗[6]，不同工況下的試驗數(shù)據(jù)見表2—4[7-8]。試驗期間密切監(jiān)視#1和#2軸瓦的振動和軸承金屬溫度，一旦超過機組設(shè)定的報警值應(yīng)立即終止試驗，恢復(fù)到初始狀態(tài)，待穩(wěn)定后再進(jìn)行下一步計劃。

表2 350 MW和400 MW負(fù)荷下配汽方式調(diào)整試驗Tab.2 Experimental on steam distribution adjustments under 350 MW and 400 MW load

表3 450 MW和500 MW負(fù)荷下配汽方式調(diào)整試驗研究Tab.3 Experimental on steam distribution adjustments under 450 MW and 500 MW load

表4 550 MW和600 MW負(fù)荷下配汽方式調(diào)整試驗研究Tab.4 Experimental on steam distribution adjustment under 550 MW and 600 MW load

根據(jù)表2可知，350 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為17.25 MPa時機組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對應(yīng)的CV1—CV4的開度為100%，19%，100%，0%；400 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為18.22 MPa時機組熱耗最低，對應(yīng)CV1—CV4的開度100%，24%，100%和0%。

根據(jù)表3可知，450 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為20.48 MPa時機組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對應(yīng)的CV1—CV4的開度為100%，24%，100%，0%；500 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為21.90 MPa時機組經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對應(yīng)CV1—CV4的開度為100%，27%，100%和0%。

根據(jù)表4可知，550 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為23.60 MPa時機組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對應(yīng)CV1—CV4的開度為100%，31%，100%，0%；600 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為額定壓力24.16 MPa時機組經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，對應(yīng)CV1—CV4的開度為100%，100%，100%和14%。

根據(jù)表2—4的最優(yōu)方案，對機組配汽方式進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后機組負(fù)荷與各調(diào)節(jié)閥開度之間關(guān)系如圖2所示。

60%～90%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，CV1和CV3一直保持100%開度，CV4保持關(guān)閉，CV2的開度從20%變化到30%；90%～100%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，CV1和CV3一直保持100%開度，CV2開度從30%至全開，同時CV4開度從0%增至20%。機組在一定的部分負(fù)荷下，為減少節(jié)流損失而增大調(diào)節(jié)閥開度，此時主蒸汽壓力變小，導(dǎo)致循環(huán)效率降低；若通過減小調(diào)節(jié)閥開度來增加主蒸汽壓力、提高機組循環(huán)效率，又會導(dǎo)致節(jié)流損失變大[9]。部分負(fù)荷下提高循環(huán)效率和減小節(jié)流損失是相互矛盾的，通過上述配汽方式調(diào)整試驗可以獲得最佳閥序控制方式，得到主蒸汽壓力和調(diào)節(jié)閥開度的最佳工作點，使機組綜合效率最高，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)(即熱耗最小)。

圖2 配汽方式調(diào)整后負(fù)荷與調(diào)節(jié)閥開度關(guān)系Fig.2 Relationship between load and valve opening after adjusting steam distribution

表5為試驗期間記錄的配汽方式調(diào)整前、后#1～#4軸承金屬溫度與振動幅值?？梢钥闯雠淦绞秸{(diào)整后，機組#1和#2軸承金屬溫度較調(diào)整前提高了2～3 ℃，#3和#4軸瓦距離主蒸汽進(jìn)汽閥較遠(yuǎn)，配汽方式調(diào)整對兩軸承金屬溫度影響較小。進(jìn)汽方式的改變使作用在轉(zhuǎn)子上的汽流力發(fā)生變化，增加了軸瓦載荷，根據(jù)流體動壓潤滑原理，此時軸承的偏心率相應(yīng)變高，軸承失穩(wěn)閾值范圍減小，軸系穩(wěn)定性裕度提高[10]。

表5 配汽方式調(diào)整前后軸承金屬溫度Tab.5 Shaft temperature and amplitude before and after the steam distrubution adjustment

4 結(jié)論

(1)針對600 MW超臨界機組高中壓轉(zhuǎn)子頻繁發(fā)生的自激振動的原因進(jìn)行分析，探討了故障產(chǎn)生機制。該類型機組采用優(yōu)化閥序的方式，適當(dāng)增加高中壓轉(zhuǎn)子軸瓦載荷，提高軸瓦偏心率和穩(wěn)定性。

(2)在不同負(fù)荷、調(diào)節(jié)閥開度下對機組進(jìn)行配汽特性試驗研究，獲得各負(fù)荷下最佳工作主蒸汽壓力點和最優(yōu)閥序控制方式，提高了機組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對同類型機組有借鑒意義。