基于安全高效運(yùn)行的高溫超高壓抽背機(jī)組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

桐鄉(xiāng)泰愛(ài)斯環(huán)保能源有限公司 洪 欽 劉林濤 陳 斌

1 引言

桐鄉(xiāng)泰愛(ài)斯環(huán)保能源有限公司所配汽輪機(jī)是由哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)械設(shè)備制造集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的雙缸、單軸、沖動(dòng)、抽汽背壓型汽輪機(jī)，型號(hào)為CB30-13.24/3.5/0.981型。

機(jī)組的名稱(chēng)、型式和基本參數(shù)[1]：型式是沖動(dòng)式、單缸、單軸、抽背式汽輪機(jī)；額定的發(fā)電功率是30MW；額定的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是3000r/min；從汽輪機(jī)向發(fā)電機(jī)看旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針?lè)较?；進(jìn)汽溫度為535℃；進(jìn)汽壓力為13.24MPa；最大進(jìn)汽量為289t/h；工業(yè)抽汽壓力為3.5MPa；額定抽汽量為60t/h；最大抽汽量為80t/h；排汽壓力為0.981MPa；級(jí)數(shù)為15級(jí)；末級(jí)葉片長(zhǎng)度為57.5mm。

2 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)為雙層缸、單軸、抽背式汽輪機(jī)。本汽輪機(jī)有一個(gè)高壓外缸和一個(gè)高壓內(nèi)缸，為雙層缸結(jié)構(gòu)汽缸。高壓內(nèi)缸、中壓蒸汽室、高壓蒸汽室、前汽封、后汽封以及二套隔板套等部套在高壓外缸內(nèi)部，通流部分包含2級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)和13級(jí)壓力級(jí)。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是雙支點(diǎn)支承型式，分別是1#推力支持聯(lián)合軸承、#2支持軸承，兩個(gè)均是橢圓軸承，其中1#推力支持聯(lián)合軸承是三層帶瓦襯軸承。兩個(gè)軸承的內(nèi)徑分別是φ300×220和φ280×220。推力軸承是米歇爾式，定位和推力瓦塊各10塊，推力瓦塊的內(nèi)外徑分別是320mm和520mm，定位瓦塊的內(nèi)外徑分別是360mm和520mm。軸系上通過(guò)剛性聯(lián)軸器和連接短軸將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。整鍛式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，裝配有2個(gè)調(diào)節(jié)和13個(gè)壓力級(jí)的動(dòng)葉片。

高壓主汽閥和高壓調(diào)節(jié)閥控制機(jī)組的高壓進(jìn)汽，一個(gè)臥式布置的高壓主汽閥和兩個(gè)立式布置的高壓調(diào)節(jié)閥合成高壓聯(lián)合調(diào)節(jié)汽閥，臥式結(jié)構(gòu)布置在汽輪機(jī)前軸承箱的兩側(cè)。鍋爐的主蒸汽通過(guò)φ219×26的超高壓管道進(jìn)到高壓聯(lián)合調(diào)節(jié)汽閥的主閥腔內(nèi)，然后進(jìn)入調(diào)閥腔內(nèi)，再由2個(gè)φ168×22的主汽管與主汽管道進(jìn)行焊接在一起，主汽管與高壓外缸由法蘭把接在一起，并通過(guò)高壓進(jìn)汽插管與高壓內(nèi)缸相聯(lián)，由此進(jìn)入高壓蒸汽室內(nèi)，由噴嘴流入通流中，高壓內(nèi)缸由四個(gè)支撐搭子搭接在高壓外缸內(nèi)。高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥與主汽閥構(gòu)架用螺栓把緊連接成為一體，高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥的構(gòu)架同基礎(chǔ)固定在一起。每個(gè)主汽閥對(duì)應(yīng)一個(gè)油動(dòng)機(jī)，每個(gè)調(diào)節(jié)閥各對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)。

汽輪機(jī)設(shè)置有4個(gè)中壓的抽汽調(diào)節(jié)閥，布置在汽缸的中部，連接在外缸缸體上，中壓調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部設(shè)置有蒸汽通道，中壓蒸汽腔室前蒸汽通過(guò)4個(gè)中壓抽汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入4個(gè)中壓蒸汽腔室至汽輪機(jī)作功。

汽輪機(jī)盤(pán)車(chē)裝置裝在后軸承箱的上箱蓋，汽輪機(jī)停機(jī)時(shí)可以通過(guò)盤(pán)車(chē)裝置低速盤(pán)動(dòng)轉(zhuǎn)子，避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)子熱彎曲。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速，則盤(pán)車(chē)自動(dòng)脫開(kāi)。盤(pán)車(chē)裝置既能手動(dòng)盤(pán)車(chē)又可自動(dòng)盤(pán)車(chē)。

2.2 汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子跟汽缸部件之間，采取可靠措施阻止外部空氣漏進(jìn)汽缸，同時(shí)阻止汽缸內(nèi)部蒸汽漏出，漏到前軸承箱內(nèi)，造成汽輪機(jī)潤(rùn)滑油中含水，同時(shí)蒸汽漏到廠(chǎng)房里。汽輪機(jī)的軸封系統(tǒng)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。

在汽缸的兩個(gè)軸端裝配有汽封體以及汽封圈，汽封圈上的汽封齒環(huán)繞轉(zhuǎn)子，之間距離僅保留有為防止運(yùn)行過(guò)程發(fā)生接觸的間隙[2]。本機(jī)組汽封圈采用比較成熟可靠的梳齒式汽封結(jié)構(gòu)型式。

在汽輪機(jī)前軸封的一段、二段漏汽分別接至汽輪機(jī)0.98MPa.A排汽管道，前軸封三段漏汽以及后軸封一段漏汽合并后通過(guò)截止閥控制壓力后接入軸封加熱器，前軸封四段漏汽、后軸封二段漏汽以及閥門(mén)門(mén)桿的二段漏汽合并后接入軸封加熱器（見(jiàn)圖1）。

圖1

3 汽輪機(jī)的啟動(dòng)要求

汽輪機(jī)的啟動(dòng)有三種狀態(tài)，冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)，冷態(tài)啟動(dòng)是高壓缸內(nèi)壁金屬溫度小于200℃時(shí)啟動(dòng)，溫態(tài)啟動(dòng)是高壓缸內(nèi)壁金屬溫度在200～380℃范圍內(nèi)啟動(dòng)，熱態(tài)啟動(dòng)是高壓缸的內(nèi)壁金屬溫度在大于380℃時(shí)啟動(dòng)[3]。

啟動(dòng)時(shí)要求蒸汽過(guò)熱度大于55℃，冷態(tài)啟動(dòng)要求壓力2.0～2.5MPa（a），溫度300～350℃。冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程，要求用滑參數(shù)啟動(dòng)，這樣可以使得汽輪機(jī)各部件溫差小。在溫態(tài)狀態(tài)或熱態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，主蒸汽的溫度要求比高壓缸內(nèi)壁金屬溫度高50～100℃。

機(jī)組升速過(guò)程中，要迅速通過(guò)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1

機(jī)組進(jìn)行冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)記錄各暖機(jī)轉(zhuǎn)速 和各負(fù)荷下的汽缸調(diào)節(jié)級(jí)區(qū)域下部金屬溫度，并以此作為機(jī)組停機(jī)后再次啟動(dòng)的依據(jù)。

4 存在問(wèn)題

本汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)械設(shè)備制造集團(tuán)有限公司首臺(tái)定制機(jī)組，自汽輪機(jī)投運(yùn)以來(lái)，主要存在以下三方面問(wèn)題：

（1）由于熱電廠(chǎng)采用的是主蒸汽母管制，汽輪機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足汽輪機(jī)啟動(dòng)要求的冷態(tài)啟動(dòng)參數(shù)，只能采用高溫超高壓定壓?jiǎn)?dòng)，在汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，熱膨脹曲線(xiàn)跟設(shè)計(jì)不符，每次冷態(tài)開(kāi)機(jī)時(shí)，均由于脹差過(guò)大而導(dǎo)致跳機(jī)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。對(duì)外供熱只能通過(guò)雙減，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益。

（2）1#汽輪機(jī)帶負(fù)荷7MW以上、2#汽輪機(jī)帶負(fù)荷在24MW以上均產(chǎn)生異響，且缸體高頻振動(dòng)，影響機(jī)組安全，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)行。本汽輪機(jī)組蒸汽壓力13.24MPa,蒸汽溫度535℃，缸體高頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致缸體螺栓松動(dòng)，管道接口因振動(dòng)破裂，壓力表爆裂，造成高溫高壓蒸汽泄露，嚴(yán)重威脅人身及設(shè)備安全，影響正常生產(chǎn)。

（3）汽輪機(jī)高壓端軸封位置蒸汽外漏嚴(yán)重，污染機(jī)組潤(rùn)滑油，造成熱工元器件失效或損壞，甚至可能導(dǎo)致人員燙傷。

5 原因分析

綜合以上機(jī)組存在的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。特別針對(duì)第（2）項(xiàng)問(wèn)題，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生高頻振動(dòng)的部位進(jìn)行查找及測(cè)量，初步判斷其產(chǎn)生異響的部位，對(duì)該部位的內(nèi)部部件圖紙進(jìn)行仔細(xì)研究，同時(shí)利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備測(cè)振，發(fā)現(xiàn)如下情況：

對(duì)內(nèi)缸1#隔板套、2#隔板套、中壓蒸汽室出汽側(cè)、進(jìn)汽側(cè)進(jìn)行固有頻率測(cè)試，同時(shí)測(cè)試各級(jí)隔板的固有頻率及各級(jí)葉輪的固有頻率，各級(jí)隔板頻率及葉輪頻率未出現(xiàn)在232～243Hz，說(shuō)明隔板及葉輪不是汽輪機(jī)振動(dòng)的原因，兩級(jí)隔板套由于自身剛度很高，通過(guò)敲擊測(cè)試很難激起其固有頻率振動(dòng)，中壓蒸汽室進(jìn)汽側(cè)頻率稍高，出汽側(cè)三個(gè)頻率與汽機(jī)異常振動(dòng)的頻率比較接近，而且出汽側(cè)很容易被激勵(lì)，說(shuō)明出汽側(cè)的剛度明顯偏弱。

表2 改造前各部件固有頻率表（Hz）

圖2 中壓蒸汽室出汽側(cè)固有頻率測(cè)試圖

圖3 中壓蒸汽室進(jìn)汽側(cè)固有頻率測(cè)試圖

6 處理方案

6.1 針對(duì)問(wèn)題（2）的處理方案

依據(jù)測(cè)量結(jié)果，經(jīng)過(guò)研究探討，決定對(duì)該部位的兩個(gè)的部件提出優(yōu)化改進(jìn)。

一是改變徑向汽封體同第一級(jí)隔板套的連接方式，增強(qiáng)二者的連接可靠性，同時(shí)提高徑向汽封體的剛度，避開(kāi)高頻振動(dòng)范圍。改造后如圖4所示。

圖4

二是通過(guò)軟件計(jì)算分析，在中壓蒸汽腔室增加4個(gè)加強(qiáng)螺栓，將中壓蒸汽腔室前后隔板連接，提高該部件的整體剛度，避開(kāi)高頻振動(dòng)范圍。改造后如圖5所示。

三是將中壓蒸汽室正上方、正下方、左右的四個(gè)擋汽板去除，消除蒸汽節(jié)流產(chǎn)生的“哨子效應(yīng)”，產(chǎn)生高頻，引起部件的高頻振動(dòng)。

圖6

四是在1#隔板套上進(jìn)行補(bǔ)焊4個(gè)面積為3cm2的搭子，在熱態(tài)情況下使隔板套通過(guò)搭子受力于汽缸，以增強(qiáng)隔板套的剛度，避開(kāi)高頻振動(dòng)范圍。改造后如圖7所示。

圖7

以上改造后中壓蒸汽室固有頻率提升很多，頻率大于13倍的轉(zhuǎn)速頻率，氣流激振應(yīng)該不會(huì)激起較高頻率的振動(dòng)。

表3 改造前各部件固有頻率表（Hz）

6.2 針對(duì)問(wèn)題（1）的處理方案

因?yàn)槠啓C(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)汽參數(shù)無(wú)法保障，保證脹差在控制范圍內(nèi)，在系統(tǒng)上增加了一套汽輪機(jī)暖缸系統(tǒng)，在汽輪機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前，將主蒸汽減溫減壓要要求值后，通入汽缸的外缸疏水接口，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行暖缸，使汽輪機(jī)外缸膨脹，按照汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的要求進(jìn)行，確保了汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)。

圖8

圖9

6.3 針對(duì)問(wèn)題（3）的處理方案

根據(jù)前期汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合開(kāi)缸后汽封的磨損情況，通過(guò)分析及計(jì)算，在保證不碰磨的情況下，調(diào)整徑向的設(shè)計(jì)間隙，將間隙按設(shè)計(jì)下限或低于下限進(jìn)行安裝調(diào)整，減少汽封漏汽量，提高蒸汽的利用效率，同時(shí)消除蒸汽外漏現(xiàn)象。

圖10

考慮汽缸距離軸封加熱器距離比較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置過(guò)程中管路較長(zhǎng)，彎頭較多，根據(jù)工程管路設(shè)計(jì)規(guī)范，負(fù)壓管道每百米壓力降控制值為1.96kPa，每個(gè)DN100彎頭壓降相當(dāng)于30m直管壓降，按現(xiàn)場(chǎng)只有10個(gè)彎頭來(lái)算，漏汽母管壓損就已經(jīng)達(dá)到6kPa，再加上汽封體局部損失和汽水管道管路損失，使前軸封四段漏汽和后軸封二段漏汽缸體位置壓力偏高，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)壓要求。根據(jù)理論核算和實(shí)際測(cè)量，將軸封管道管徑改大，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置管道，減少?gòu)濐^，消除蒸汽外漏現(xiàn)象。

7 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后至今，每次啟動(dòng)均能實(shí)現(xiàn)一次成功并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)且能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行期間機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)良好。

通過(guò)本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，1#機(jī)組從最高只能帶7MW負(fù)荷到現(xiàn)在帶35MW負(fù)荷運(yùn)行，2#機(jī)組從最高只能帶24MW負(fù)荷到現(xiàn)在帶35MW負(fù)荷運(yùn)行，在各負(fù)荷下均振動(dòng)正常，現(xiàn)場(chǎng)軸封外漏消除，運(yùn)行正常，較大提高了公司的發(fā)電效益。

高溫超高壓熱電廠(chǎng)汽輪機(jī)組是未來(lái)發(fā)展的方向，應(yīng)用廣泛，通過(guò)問(wèn)題對(duì)全國(guó)首臺(tái)的高溫超高壓抽背汽輪機(jī)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為今后的抽背汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，保證了未來(lái)投用的高溫超高壓熱電廠(chǎng)機(jī)組的安全可靠。