郝潤田

(大唐彬長發(fā)電有限責(zé)任公司， 陜西咸陽 712000)

?

國產(chǎn)600 MW超臨界汽輪機變工況下振動研究

郝潤田

(大唐彬長發(fā)電有限責(zé)任公司， 陜西咸陽 712000)

摘要：以某國產(chǎn)600 MW超臨界空冷汽輪機組為例，分析了汽輪機沖轉(zhuǎn)、變負荷、滑參數(shù)停機等幾種典型變工況下的振動變化，并提出了振動控制的要點。

關(guān)鍵詞：超臨界； 汽輪機； 振動； 變工況

汽輪發(fā)電機組是發(fā)電廠的重要組成部分，對轉(zhuǎn)動機械來說，微小的振動是不可避免的，振動幅度不超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的屬于正常振動[1-2]；但強烈的振動會加劇系統(tǒng)動靜摩擦，形成惡性循環(huán)，加快設(shè)備損壞。引發(fā)振動增大的原因有很多，安裝設(shè)計不規(guī)范或不合理、滑銷系統(tǒng)卡澀、轉(zhuǎn)子或汽缸膨脹不均、動靜間隙過小、汽水激振、發(fā)電機局部過熱等均會引起不同程度的振動，其中汽流激振、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子熱變形、軸承間隙不合適和摩擦振動等是目前引起汽輪機組異常振動的主要原因[3]。因此研究汽輪機變工況下振動的變化對于加快機組啟動和機組的安全運行都具有十分重要的意義。

筆者針對國產(chǎn)600 MW超臨界空冷汽輪機在機組沖轉(zhuǎn)、滑參數(shù)停機、變負荷等幾個典型變工況過程中的各軸承振動變化進行對比分析，觀察其軸承振動情況，提出了相應(yīng)過程中振動控制的要點。

1機組概況

某汽輪機組型號為TC4F-26(24.2 MPa/566 ℃/ 566 ℃)，型式為超臨界、單軸、一次中間再熱、高中壓合缸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式。設(shè)計額定功率為630 MW。汽輪機總級數(shù)為38級，高壓轉(zhuǎn)子為8級，其中第一級為調(diào)節(jié)級，中壓轉(zhuǎn)子為6級，低壓轉(zhuǎn)子為2×2×6級。汽輪機高中壓缸為合缸結(jié)構(gòu)，兩個低壓缸均為雙流反向布置并采用落地軸承座。高、中壓缸均采用通孔螺栓連接方式，無法蘭螺栓加熱裝置。

汽輪發(fā)電機組軸系中除1、2號軸承采用可傾瓦式軸承，其余均采用橢圓形軸承。推力軸承位于高中壓缸和低壓A缸之間的2號軸承箱內(nèi)，采用傾斜平面式雙推力盤結(jié)構(gòu)。高中壓缸的膨脹死點位于2號軸承座，低壓A缸、低壓B缸的膨脹死點分別位于各自的中心附近。死點處的橫銷限制汽缸的軸向位移；同

時，在前軸承箱及兩個低壓缸的縱向中心線前后設(shè)有縱銷，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹而限制其橫向跑偏。監(jiān)視振動的儀表和監(jiān)視系統(tǒng)主要包括框架、電源、系統(tǒng)監(jiān)視器和其他監(jiān)視器及配套傳感器[4]。

2變工況下振動變化分析

筆者研究變工況下機組振動的影響，主要針對汽流變化、熱力原因造成的動靜碰摩等因素對機組振動的影響。機組設(shè)計正常啟動方式為中壓缸啟動。中壓缸啟動時按沖轉(zhuǎn)時的中壓缸進汽口汽缸內(nèi)壁金屬溫度可分為：

(1) 極冷態(tài)： 缸溫<150 ℃。

(2) 冷態(tài)： 缸溫≤305 ℃。

(3) 溫態(tài)： 305 ℃<缸溫≤420 ℃。

(4) 熱態(tài)： 420 ℃<缸溫≤490 ℃。

(5) 極熱態(tài)： 缸溫>490 ℃。

2.1 汽輪機沖轉(zhuǎn)

不同工況下，選取參數(shù)不一，推薦沖轉(zhuǎn)參數(shù)見表1。

表1　汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)

注：1)點火到滿負荷；2)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min。

整個沖轉(zhuǎn)過程中，主參數(shù)應(yīng)保持穩(wěn)定。汽輪機采用中壓缸自動啟動方式的過程為：首先開啟1、2號中聯(lián)門，以100 r/min的升速率，將轉(zhuǎn)速升至200 r/min，進行摩擦檢查；摩擦檢查結(jié)束后進行中速暖機，1～4號高調(diào)門開啟，以100 r/min的升速率將轉(zhuǎn)速升至400 r/min，由DEH鎖住并保持3 min；然后1、2號中聯(lián)門開啟，沖轉(zhuǎn)至1 500 r/min，然后進行中速暖機4 h，若是溫態(tài)、熱態(tài)或極熱態(tài)則可不用進行中速暖機；待中速暖機結(jié)束后，1～4號高調(diào)門關(guān)閉， 1、2號中聯(lián)門逐漸開大，以100 r/min的升速率，升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速(1 722～1 849 r/min)時，升速率自動加至300 r/min。不同工況下，該機組沖轉(zhuǎn)升速過程中各軸承振動的變化不同，其曲線見圖1～圖5。

由機組沖轉(zhuǎn)過程中的振動曲線可見：

(1) 汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，機組各軸振動集中出現(xiàn)過兩次較大波動，第一次是在沖轉(zhuǎn)初期，轉(zhuǎn)速在20～1 000 r/min，第二次是在汽輪機轉(zhuǎn)速經(jīng)過軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)期間，轉(zhuǎn)速為1 500～2 000 r/min，此后各軸瓦振動變化均趨于穩(wěn)定。

(2) 隨著缸溫的增加，軸系振動會逐漸減少，即冷態(tài)(極冷態(tài))啟動過程中軸系振動最大，熱態(tài)(溫態(tài)、極熱態(tài))啟動過程中軸系振動最小。

(3) 各軸瓦振動變化趨勢不一，其中，3X、3Y、4X、5X、5Y、6X、6Y、8Y向振動在經(jīng)過軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)后都呈上升趨勢，其余軸瓦振動方向均呈下降趨勢。3～6號軸承所處部位運行工況類似，從而軸承振動情況應(yīng)類似，而4Y方向振動與其余方向振動不一致，應(yīng)與該處軸承本身特性(如安裝設(shè)計、滑銷系統(tǒng)等)相關(guān)，8號軸振類似。2、3、6、7號軸承振動略高于汽輪機其他軸承，特別是7號，其中2、7號軸振經(jīng)過1 500 r/min中速暖機后，有所好轉(zhuǎn)。這4個軸承之間采用聯(lián)軸器連接，軸承振動有一定的相似性，但是6Y向振動明顯低于其余向振動，應(yīng)與其本身特性(如安裝設(shè)計、滑銷系統(tǒng)等)有關(guān)。

(4) 2X、2Y向軸振曲線在冷態(tài)(極冷態(tài))和熱態(tài)(溫態(tài)、極熱態(tài))工況時有明顯差別，在機組沖轉(zhuǎn)初期振動較大，而隨著沖轉(zhuǎn)過程的繼續(xù)，振動逐漸好轉(zhuǎn)。分析原因應(yīng)為冷態(tài)時缸溫與再熱汽溫偏差較大，導(dǎo)致動靜部分膨脹不一，極有可能造成短時動靜碰摩，加之機組中壓缸啟動初期，2號軸承受軸向推力最大，從而影響到軸承振動。3Y、4Y、5X、8X向軸振在冷態(tài)工況時變化曲線與其他也有區(qū)別，但是從原則上來講，極冷態(tài)與冷態(tài)工況下振動情況區(qū)別不大，故而應(yīng)視為個別現(xiàn)象，無可比性。其余各軸承變化相對平穩(wěn)且分明。

(5) 經(jīng)過軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時，各軸振變化方向不一，其中2Y、3X、7X向振動發(fā)生了平衡惡化，而一般能造成轉(zhuǎn)子平衡惡化的原因有：①轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲；②轉(zhuǎn)子上存在活動部件[5]。

從上述圖中難以得知具體原因，繼續(xù)加負荷觀察(見圖6)。由圖6可見：當(dāng)負荷加至接近300 MW后，各軸振動才有所好轉(zhuǎn)，特別是2Y、3X、7X向等處，可見轉(zhuǎn)子平衡惡化的原因應(yīng)為局部發(fā)生熱彎曲導(dǎo)致，隨著負荷的增加，轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)。

2.2 滑參數(shù)停機

為使檢修提前開工，縮短檢修工期，常常采取滑參數(shù)方式停機的方式，全開主汽門及調(diào)門，逐漸減少燃料量，保證蒸汽溫度、壓力平穩(wěn)下降以降低汽缸溫度，又常稱之為深度滑停。但有時僅為調(diào)峰，并無必要的檢修工作，停機時間不長，因深度滑停時，汽輪機末級葉片工作環(huán)境惡劣，危險性較高，故常采用非深度滑停，即只滑壓不滑溫的方式。圖7為該機組深度滑停過程中各振動變化曲線，圖8為該機組非深度滑停過程中各振動變化曲線。

由圖7可見：機組振動在負荷250 MW(鍋爐干濕轉(zhuǎn)態(tài)負荷區(qū)域)左右時，機組振動發(fā)生了明顯的波動。而由圖8可見：機組振動在350 MW左右時發(fā)生了明顯的變化。究其原因主要為：深度滑停過程中，主再熱汽溫度與壓力匹配，蒸汽溫度下降幅度較大，過熱度較低，但汽缸

溫度也隨之下降，三者能夠達到匹配要求，故機組振動僅在轉(zhuǎn)態(tài)時(鍋爐轉(zhuǎn)態(tài)時，汽溫將產(chǎn)生較大的波動，對機組脹差及振動有一定的影響)發(fā)生了較大波動。而觀察非深度滑停，由于并非刻意降溫，汽溫過熱度較高，導(dǎo)致汽缸與轉(zhuǎn)子膨脹不匹配等，進一步導(dǎo)致機組振動在未轉(zhuǎn)態(tài)前就已發(fā)生大幅波動。另外，同樣在經(jīng)過軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時，各瓦振動發(fā)生了劇烈變化。

2.3 變負荷過程

負荷變動時，蒸汽流量不斷變化，葉片受不均衡的氣體來流沖擊發(fā)生汽流激振，從而使得機組振動發(fā)生明顯變化。正常運行中加減負荷時，機組振動變化曲線見圖9、圖10。

汽流激振有兩個主要特征：一是應(yīng)該出現(xiàn)大量的低頻分量；二是振動的增大受運行參數(shù)(如負荷)的影響明顯，且增大應(yīng)該呈突發(fā)性[6]。由圖7、圖8可見：負荷在300～600 MW變化過程中，機組振動變化情況相對平穩(wěn)，但是隨著負荷的變化，當(dāng)?shù)竭_某一特定負荷(550 MW和610 MW左右)時，機組振動發(fā)生了相對明顯的波動，而離開這一負荷，振動便趨于平穩(wěn)。

3應(yīng)對措施

通過觀察分析，可得出機組振動發(fā)生大幅變化的工況主要為：沖轉(zhuǎn)時汽輪機運行方式轉(zhuǎn)變期

間、臨界轉(zhuǎn)速期間、鍋爐轉(zhuǎn)態(tài)期間、發(fā)生汽流激振的特定負荷期間。而針對不同工況下的振動變化應(yīng)采取不同的應(yīng)對措施：

(1) 中壓缸啟動時，需要中壓缸與汽溫的偏差控制在合理范圍，特別是再熱汽溫的調(diào)整。從以往的經(jīng)驗來看，再熱汽溫往往偏高，實際沖轉(zhuǎn)參數(shù)往往比設(shè)計值高40～50 K，實際運行中轉(zhuǎn)子膨脹較快，而汽缸膨脹較慢，再熱汽溫過高將加劇轉(zhuǎn)子的膨脹，極有可能導(dǎo)致動靜摩擦，從而影響轉(zhuǎn)子振動。因此，控制機組沖轉(zhuǎn)初期振動的主要措施在于：首先，啟動前應(yīng)充分暖缸和暖閥；其次，維持合理的再熱汽溫，盡可能減少高中壓缸的冷熱偏差。而再熱汽溫的調(diào)整主要在于對蒸汽流量的控制，因啟動初期，燃燒較弱，鍋爐蒸汽流量偏小，應(yīng)控制燃料量的增加幅度，同時控制給水流量不應(yīng)過大，適合在750～800 t/h(額定2 084 t/h，小于600.2 t/h發(fā)生MFT)。另外，還應(yīng)適當(dāng)?shù)赝度朐贌崞鳒p溫水，但應(yīng)注意減溫站后蒸汽過熱度應(yīng)不小于50 K，以防蒸汽帶水。

(2) 鍋爐加負荷轉(zhuǎn)態(tài)期間，一方面應(yīng)盡量控制汽溫上升(下降)速度，減少蒸汽對汽輪機的沖擊，另一方面應(yīng)控制汽溫汽壓波動情況，避免反復(fù)轉(zhuǎn)態(tài)，盡量一次性通過。

(3) 面對特定負荷下機組振動容易超限的問題，如若必要，可向調(diào)度申請，盡量避開這一負荷，同時在加減負荷過程中應(yīng)注意控制負荷升降速率。

(4) 滑參數(shù)停機過程中，汽溫的變化對機組振動的影響較大，因此汽溫的下降速率應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計曲線控制，同時保證每個下滑階段留有充分的時間，以控制缸溫與汽溫的偏差。

4結(jié)語

該機組無論在哪種工況下運行時，某幾處軸承的振動均高(如3X、7X向)，而且對機組工況變化較為敏感。對于此種現(xiàn)象，尚無法明確具體原因，還需進一步取證觀察和分析，應(yīng)在運行中加強監(jiān)視，特別是變工況下，對比其他各軸瓦(軸承或軸瓦)振動情況，結(jié)合軸瓦處潤滑油溫及金屬溫度，綜合判斷是否發(fā)生異常，如有明顯的平衡惡化趨勢，應(yīng)立即停止相關(guān)操作或降低負荷升降率；若相關(guān)參數(shù)已超限，則保護應(yīng)動作，否則應(yīng)手動打閘。

參考文獻：

[1] 楊志強. 汽輪機異常振動的原因與排除[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(16):99.

[2] 趙珣. 汽輪機振動大的原因分析及解決方法[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(16)：173-174.

[3] 李華. 火電廠汽輪機異常振動原因及處理措施[J]. 科技風(fēng),2010(13):250-253.

[4] 王玉平. 汽輪機異常振動的分析和治理[J]. 科學(xué)之友,2011(8):19-20.

[5] 牟法海,石瑞平,李鐵軍,等. 600 MW汽輪發(fā)電機組不穩(wěn)定振動的原因分析及處理[J]. 汽輪機技術(shù),2010,52(5):78-79.

[6] 陳祥府. 發(fā)電廠汽輪機異常振動的分析及排除[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(3):156.

Study on Vibration Behavior of a Domestic 600 MW Supercritical Steam Turbine in Variable Modes of Operation

Hao Runtian

(Datang Binchang Power Generation Co., Ltd., Xianyang 712000, Shaanxi Province, China)

Abstract：Taking a domestic 600 MW supercritical air-cooling steam turbine as an object of study, vibration behavior of the steam turbine was analyzed in variable modes of operation, such as in run-up period, variable load operation and shutdown of sliding parameters, for which essential concerns were mentioned for control of the turbine vibration.

Keywords：supercritical unit; steam turbine; vibration; variable modes of operation

中圖分類號：TK268.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0131-04

作者簡介：郝潤田(1982—)，男，工程師，主要從事電廠熱力系統(tǒng)運行、配煤摻燒燃料管理方面的研究。E-mail: runtianhao1982@163.com

收稿日期：2015-09-16