何新江，李祥苓

（1.華電國際鄒縣發(fā)電廠，山東省 鄒城市，273522；2.華電漯河發(fā)電有限公司，河南省 漯河市，462000）

0 引言

鄒縣電廠1000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組（以下簡稱“鄒縣機(jī)組”）是國內(nèi)投產(chǎn)的第1臺雙支撐的長軸系發(fā)電機(jī)組，機(jī)組型號為N1000-25/600/600，型式為中間再熱沖動(dòng)式、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)組。汽輪機(jī)由1個(gè)單流高壓缸、1個(gè)雙流中壓缸及2個(gè)雙流低壓缸組成。高壓缸呈反向布置（頭對中壓缸），由1個(gè)雙流調(diào)節(jié)級與8個(gè)單流壓力級組成。中壓缸共有2×6個(gè)壓力級。2個(gè)低壓缸壓力級總數(shù)為2×2×6級。汽輪機(jī)總長為35.6 m，汽輪發(fā)電機(jī)組總長54.652 m，末級葉片高度為109.22 cm（43''）。

鄒縣機(jī)組高、中、低壓轉(zhuǎn)子全部采用整鍛實(shí)心轉(zhuǎn)子。高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量為24.2 t，中壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量為28.8 t，低壓A轉(zhuǎn)子質(zhì)量為78.5 t，低壓B轉(zhuǎn)子質(zhì)量為78.8 t。高、中壓轉(zhuǎn)子采用改良12Cr鍛鋼，低壓轉(zhuǎn)子采用Ni-Cr-Mo-V鋼。鄒縣機(jī)組軸系長，轉(zhuǎn)子質(zhì)量達(dá)209.3 t，向發(fā)電機(jī)傳遞的力矩大，機(jī)組過大的自重和超長的軸系對機(jī)組穩(wěn)定性必然產(chǎn)生很大影響。為確保機(jī)組可靠性和保障供電安全，必須對鄒縣機(jī)組的軸系動(dòng)力學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為我國電力裝備的制造往更大容量、更高參數(shù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

1 軸系概況

鄒縣機(jī)組軸系由汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，每根轉(zhuǎn)子各有2個(gè)支持軸承，1～4號軸承采用落地式軸承，5、6號和7、8號軸承分別支承在ALP、BLP缸上，為不落地軸承，圖1為軸系的布置及分布簡圖（尺寸單位：mm），表1～3給出了軸系的一些基本數(shù)據(jù)。為減小高壓缸、中壓缸的轉(zhuǎn)子與靜子間的脹差，推力軸承安裝在緊靠2號軸承后。根據(jù)各軸承的工作條件，為保證軸系安全、穩(wěn)定運(yùn)行，高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子的支持軸承選用可傾瓦軸承，低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支持軸承選用橢圓軸承。

表1 轉(zhuǎn)子基本參數(shù)Tab.1 Rotor main parameters

表2 軸承基本參數(shù)Tab.2 Bearing main parameters

表3 軸承特性數(shù)據(jù)Tab.3 Bearing characteristic data

2 軸系穩(wěn)定性試驗(yàn)

鄒縣機(jī)組調(diào)試期間，進(jìn)行了機(jī)組升降速試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、空負(fù)荷試驗(yàn)等，試驗(yàn)表明：在3000 r/min及滿負(fù)荷運(yùn)行工況下的軸系振動(dòng)值均在驗(yàn)標(biāo)規(guī)定的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。試生產(chǎn)期間，進(jìn)行了半負(fù)荷變化潤滑油溫試驗(yàn)。從試驗(yàn)和運(yùn)行記錄分析可以看出，機(jī)組軸系振動(dòng)穩(wěn)定，且在驗(yàn)標(biāo)規(guī)定的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 轉(zhuǎn)速變化與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

2.1.1 首次啟動(dòng)升速試驗(yàn)

鄒縣機(jī)組于2006年11月12日16:37首次掛閘啟動(dòng)，采用默認(rèn)的高壓缸啟動(dòng)方式，升速率為100 r·min-2。機(jī)組200 r/min時(shí)進(jìn)入摩檢正常；升速至700 r/min暖機(jī)30 min，機(jī)組軸承溫度、軸振、瓦振、膨脹、各缸脹差、軸向位移等各參數(shù)均正常；暖機(jī)結(jié)束，機(jī)組以100 r/min2的升速率升速至1500 r/min，繼續(xù)暖機(jī)120 min，暖機(jī)期間各參數(shù)均正常，暖機(jī)結(jié)束,機(jī)組繼續(xù)以100 r/min2的升速率升速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速3000 r/min。11月12日19:13機(jī)組首次達(dá)到3000 r/min。從機(jī)組啟動(dòng)過程的波德圖和機(jī)組升降速度、定速時(shí)各軸承的振動(dòng)情況可以看出各軸承的振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯，即轉(zhuǎn)速的波動(dòng)不影響軸系的穩(wěn)定性。機(jī)組首次定速時(shí)各項(xiàng)主要參數(shù)分別為：主蒸汽壓力/溫度是9.26 MPa/443℃、再熱蒸汽壓力/溫度是0.06 MPa/416℃、機(jī)組真空為-88.48 kPa，推力軸承前側(cè)/后側(cè)溫度是58℃/56℃，調(diào)節(jié)級內(nèi)缸壁溫247℃，抗燃油壓力/溫度10.89 MPa/47 ℃，安全油壓力10.82 MPa，1、2、3號軸向位移分別為-0.4、-0.41、-0.39 mm；高、中、低壓缸脹差分別2.05、1.5、0.61 mm，1～11號軸振（X/Y）分別為 17.4/18、32.5/30.6、37/26.8、43/40.8、21/17.2、40.8/47.6、30.2/26.4、29/27.7、28.5/15.2、28.5/15.2、45.7/21.7、14.8 μm/7.98 μm；1～11號軸承/回油溫度分別為：77/53、83/43、87/44、76/38、89/38、84/40、85/40、91/38、68/45、67/45、X/43℃。機(jī)組啟動(dòng)過程中各軸振情況良好，圖2～5分別為1、3、9、11號軸承在升速率100 r/min2時(shí)的波德圖。

2.1.2 機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗(yàn)與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

鄒縣機(jī)組于2007年1月9日22:07進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)前參數(shù)：發(fā)電機(jī)有功功率502 MW，汽機(jī)轉(zhuǎn)速3003 r/min，主蒸汽壓力12.5 MPa，主蒸汽溫度569℃，再熱器壓力2.13 MPa，再熱器溫度563℃，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力9.17 MPa，凝汽器真空-96.6 kPa，軸向位移-0.287 mm，高壓缸差脹-2.925 mm，中壓缸差脹-3.477 mm，低壓缸差脹13.585 mm，1～10號軸振分別為 20.15，36.66，31.62，48.5，30.25，63.51，43.19，33.61，46.33，49.05 μm，發(fā)電機(jī)電壓26.7 kV，發(fā)電機(jī)電流10410 A，勵(lì)磁電壓193 V，勵(lì)磁電流2531 A。解除機(jī)組爐跳機(jī)保護(hù)和電跳機(jī)保護(hù)，解除電泵聯(lián)鎖，啟動(dòng)主機(jī)交流潤滑油泵TOP運(yùn)行，手動(dòng)跳爐F磨煤機(jī)、A磨煤機(jī)，鍋爐手動(dòng)MFT，強(qiáng)制通風(fēng)5 min，退出電除塵。甩負(fù)荷后各參數(shù)的最大值為：汽機(jī)轉(zhuǎn)速3125 r/min，主蒸汽壓力13.1 MPa，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力2.17 MPa，再熱器壓力最高2.37 MPa，軸向位移-0.60 mm，高壓缸差脹-3.58 mm，中壓缸差脹-3.11 mm，低壓缸差脹13.83 mm，后推力軸承最高溫度73℃，軸承最高溫度102.92℃，各軸承振動(dòng)最大值48.07 μm，發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)有功功率均為0。機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗(yàn)動(dòng)作正常。

2.1.3 機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

鄒縣機(jī)組進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)前參數(shù)：發(fā)電機(jī)有功功率1002 MW，汽機(jī)轉(zhuǎn)速3006 r/min，主蒸汽壓力25.02 MPa，主蒸汽溫度589℃，再熱器壓力4.64 MPa，再熱器溫度586℃，高壓缸排汽溫度342℃，高壓缸排汽壓力4.86 MPa，凝汽器真空-97.01 kPa/-96.98 kPa，低壓缸排汽溫度36℃/36℃，軸封壓力92 kPa，除氧器壓力1.0 MPa，軸向位移-0.21 mm，高壓缸差脹-3.12 mm，中壓缸差脹-3.38 mm，低壓缸差脹13.95 mm，1～10號軸振X/Y向分別為 26.15/24.88，32.5/40.5，31.47/28.1，58.91/52.43，25.85/27.56，66.15/66.8/，34.23/35.22，42.56/35.16，53.15/37.84，51.2μm/35.78 μm。汽機(jī)調(diào)節(jié)級壓力19.08 MPa，發(fā)電機(jī)電壓26.7 kV，發(fā)電機(jī)電流21400 A，勵(lì)磁電壓316 V，勵(lì)磁電流3953 A。解除機(jī)組爐跳機(jī)保護(hù)和電跳機(jī)保護(hù)，解除電泵聯(lián)鎖，啟動(dòng)主機(jī)交流潤滑油泵TOP運(yùn)行，手動(dòng)跳爐F磨煤機(jī)、A磨煤機(jī)，鍋爐手動(dòng)MFT，手動(dòng)開啟4只PCV閥（鍋爐壓力控制閥），合機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)臨時(shí)三相刀閘（一路跳5063，一路跳滅磁開關(guān)，一路啟動(dòng)錄波），檢查發(fā)變組出口5063斷路器，發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)跳閘正常，檢查爐BCD磨煤機(jī)跳閘，A、B一次風(fēng)機(jī)跳閘，A、B汽泵跳閘。加速繼電器ACC和功率負(fù)荷不平衡繼電器PLU動(dòng)作正常，機(jī)組高、中壓調(diào)門關(guān)閉，各抽汽逆止門關(guān)閉，V.V閥（為了防止高壓缸過熱，在高壓主汽管段上安裝了一個(gè)通風(fēng)閥，該閥與凝汽器連接以維持真空）開啟。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速3032 r/min時(shí)中調(diào)門開始開啟，汽輪機(jī)手動(dòng)打閘，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降。主蒸汽壓力降至16 MPa關(guān)閉7號爐4只PCV閥，鍋爐強(qiáng)制通風(fēng)5 min，退出電除塵。甩負(fù)荷后各參數(shù)的最大值為：汽機(jī)轉(zhuǎn)速3251 r/min，主蒸汽壓力25.58 MPa，除氧器壓力最高1.21 MPa，軸向位移-0.795 mm，高壓缸差脹-4.66 mm，中壓缸差脹-2.798 mm，低壓缸差脹13.249 mm，后推力軸承最高溫度73℃，軸承最高溫度102.92℃，各軸承振動(dòng)最大值82.65 μm，發(fā)電機(jī)電壓26.79 kV，定子電流21748 A，勵(lì)磁電壓316 V，勵(lì)磁電流3966 A，無功129 Mvar，機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)動(dòng)作正常。

2.1.4 機(jī)組首次定速后的試驗(yàn)

鄒縣機(jī)組在啟動(dòng)后進(jìn)行了汽門嚴(yán)密性試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)解列、帶負(fù)荷試運(yùn)等，在這些過程中汽輪機(jī)軸系運(yùn)行正常，各軸承的振動(dòng)均達(dá)到了在驗(yàn)標(biāo)規(guī)定的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

汽輪發(fā)電機(jī)組于2006年11月16日13:57首次并網(wǎng)，帶初負(fù)荷20 MW。并網(wǎng)后機(jī)組各主要參數(shù)如下：主蒸汽壓力9.62 MPa、主蒸汽溫度440℃、再熱蒸汽壓力0.062 MPa、再熱蒸汽溫度434℃、真空-96.19 kPa、調(diào)節(jié)級內(nèi)缸壁溫252℃、1～3號軸向位移分別為-0.3，-0.3，-0.29 mm，高中低壓缸脹差分別為0.38，-1.07，0.84 mm，軸封壓力48.32 kPa、高壓軸封溫度210℃、低壓軸封溫度167℃、輔助蒸汽壓力0.68 MPa、輔助蒸汽溫度390℃、高壓缸排汽金屬溫度202℃、中壓缸排汽金屬溫度241℃、低壓缸排汽溫度為30℃/41℃、高壓外缸內(nèi)壁（上/下）溫度為261℃/254℃、中壓外缸中部內(nèi)壁294℃、中壓進(jìn)汽入口外壁溫276℃、中壓進(jìn)汽管內(nèi)壁溫395℃、轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽溫度349℃、發(fā)電機(jī)定子進(jìn)水壓力0.36 MPa、發(fā)電機(jī)定子進(jìn)水溫度44℃、發(fā)電機(jī)定子進(jìn)水流量123.74 t/h、前推力軸承溫度60℃、后推力軸承溫度57℃、潤滑油母管壓力0.29 MPa、前箱軸承進(jìn)油壓力0.18 MPa、潤滑油進(jìn)油溫度41℃，抗燃油壓力10.89 MPa，抗燃油溫度45℃，安全油壓力10.82 MPa，5～10號軸承油膜壓力0 ，4，3.4，4.4，3.4，4.4，1～11號軸振（X/Y）為12.5/13.4、28.8/27.4、32.3/20.9、50.4/43.3、19.5/16.24、53.3/57.2、24.9/28.1、21.4/23.5、16.3/12.6、41.8/27.04、17.9/11.97，1～11 號軸承/回油溫度78/51、89/52、93/49、80/43、82/41、82/43、90/43、100/41、69/52、70/52、X/49 ℃。

2.1.5 機(jī)組首次并網(wǎng)后的操作

機(jī)組首次并網(wǎng)后的操作步驟如下：

（1）鄒縣機(jī)組首次并網(wǎng)啟動(dòng)過程中，低加隨機(jī)啟動(dòng)。機(jī)組在負(fù)荷20 MW時(shí)，進(jìn)行初負(fù)荷暖機(jī)，檢查定子冷卻水、密封油系統(tǒng)運(yùn)行正常，投運(yùn)氫冷器、氫氣去濕裝置。

（2）通過DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）將機(jī)組由轉(zhuǎn)速控制變?yōu)楣β士刂啤?/p>

（3）在初始負(fù)荷暖機(jī)過程中，按冷態(tài)啟動(dòng)曲線要求調(diào)整燃料量控制主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度。

（4）初始負(fù)荷暖機(jī)過程中，由汽機(jī)旁路控制主汽壓力。

（5）啟動(dòng)第2臺循環(huán)水泵運(yùn)行，檢查第3臺循環(huán)水泵備用良好。

（6）20 MW暖機(jī)約58 min后，以5 MW/min速率升負(fù)荷至50 MW暖機(jī)50 min。

（7）鄒縣機(jī)組在2006年11月16日23:30停機(jī)時(shí)，機(jī)組真空為-97.114 kPa（停機(jī)過程中真空值基本沒變化），11月17日00:22機(jī)組完全停止，期間真空一直保持，機(jī)組惰走時(shí)間52 min，如圖6。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不平衡響應(yīng)

軸系不平衡響應(yīng)特性反映的是軸系各個(gè)部位的振動(dòng)對不平衡力的敏感程度，按設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量大小和分布，計(jì)算了軸系各軸段的響應(yīng)峰值大小，在工作轉(zhuǎn)速3000 r/min下軸系各軸頸處的響應(yīng)峰－峰值計(jì)算結(jié)果如表4。由表4可知，各軸頸的振動(dòng)響應(yīng)值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的響應(yīng)峰－峰值不大于50 μm的要求。

表4 轉(zhuǎn)子軸頸處不平衡響應(yīng)計(jì)算值Tab.4 Unbalance response calculation at rotor neck μm

3.2 軸系穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)軸系動(dòng)力學(xué)的特性要求，對軸系的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算,其結(jié)果大于4000 r/min，滿足規(guī)范要求的大于工作轉(zhuǎn)速的125%；額定轉(zhuǎn)速下軸系的最小對數(shù)衰減率為0.345，考慮汽隙激振后軸系的最小對數(shù)衰減率0.296，大于0.15，具有足夠的穩(wěn)定性裕度。

3.3 軸系扭振特性計(jì)算

電氣故障和電網(wǎng)干擾會(huì)引起軸系發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振，從而導(dǎo)致軸頸等薄弱部位的損壞。為避免扭轉(zhuǎn)共振，在設(shè)計(jì)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系時(shí)須進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性計(jì)算。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振固有頻率及單相短路重合閘和誤并列時(shí)軸系最大剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5和表6。表7給出了在VWO工況下、單相短路重合閘和誤并列時(shí)的軸系中各軸承的扭矩情況。

表5 軸系扭振固有頻率計(jì)算結(jié)果Tab.5 Shafting torsion vibration inherent frequency calculation Hz

表6 軸系扭振晌應(yīng)各軸承處扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Shafting torsion vibration responding bearing torsion shear stress calculation N/mm2

表7 軸系扭振響應(yīng)各軸承處扭矩Tab.7 Shafting torsion vibration responding bearing torques N·mm

表8 轉(zhuǎn)子許用剪應(yīng)力Tab.8 Rotor allowable shear stress

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，軸系扭振固有頻率f要滿足：f≤45 Hz；55 Hz≤f≤93 Hz；f≥108 Hz；從表5中可以看出，故障工況的剪切應(yīng)力小于轉(zhuǎn)子許用剪應(yīng)力。

從表6和表8中看出，軸系扭振頻率滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的避開率，故障工況的剪切應(yīng)力的最大剪應(yīng)力也滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

軸系各階臨界轉(zhuǎn)速分布滿足設(shè)計(jì)要求，從單個(gè)和軸系的彈性支承臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和分析結(jié)果來看，軸系各階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值均避開工作轉(zhuǎn)速的15%，同時(shí)也避開暖機(jī)轉(zhuǎn)速。

軸系不平衡響應(yīng)峰值較小，從軸系不平衡響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可知，軸系各軸頸處的最大不平衡響應(yīng)峰－峰值小于50 μm,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

軸系的扭振特性是安全的，軸系扭振頻率避開工頻和倍頻的范圍，滿足設(shè)計(jì)要求；有關(guān)發(fā)電機(jī)非正常運(yùn)行工況下，各截面的最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，小于許用應(yīng)力。

軸系的穩(wěn)定性好，軸系的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速大于額定工作轉(zhuǎn)速的125%，且額定工作轉(zhuǎn)速下的對數(shù)衰減率大于0.15，具有足夠的穩(wěn)定裕度，確保了機(jī)組軸系具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

鄒縣機(jī)組軸系動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)成功驗(yàn)證了長軸系、雙支撐汽輪發(fā)電機(jī)組的安全可靠，軸系動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究的一系列技術(shù)成果可應(yīng)用推廣到國內(nèi)超大容量的超臨界火電機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造上，而且可以推廣應(yīng)用在更大容量、更長軸系的大于1000 MW容量等級的汽輪發(fā)電機(jī)組上，為我國電力裝備制造的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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