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(jī)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(mén)開(kāi)度保持一致，當(dāng)外負(fù)荷變化時(shí)，通過(guò)改變閥門(mén)(以下簡(jiǎn)稱閥)開(kāi)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(jī)組啟動(dòng)暖機(jī)階段。噴嘴調(diào)節(jié)又稱部分進(jìn)汽，當(dāng)外負(fù)荷變化時(shí)，各調(diào)節(jié)閥循序逐個(gè)開(kāi)啟或關(guān)閉，在部分負(fù)荷下，幾個(gè)調(diào)節(jié)閥中只有1個(gè)或2個(gè)調(diào)節(jié)閥未全開(kāi)。在相同的部分負(fù)荷下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)進(jìn)汽節(jié)流損失較小，機(jī)組的內(nèi)效率較高[1-3]。

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

1 機(jī)組概況

某600 MW超臨界機(jī)組采用哈爾濱汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的單軸、三缸、四排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)。高中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)。主蒸汽調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱主汽閥)與調(diào)節(jié)閥為聯(lián)合閥結(jié)構(gòu)，機(jī)組設(shè)計(jì)2個(gè)聯(lián)合閥分別布置在機(jī)組兩側(cè)，每個(gè)聯(lián)合閥由1個(gè)水平布置的主汽閥和2個(gè)垂直布置的調(diào)節(jié)閥組成。來(lái)自調(diào)節(jié)閥的蒸汽通過(guò)4個(gè)導(dǎo)汽管進(jìn)入高中壓缸中部，然后進(jìn)入4個(gè)噴嘴室。主汽閥為油動(dòng)機(jī)控制水平放置的“柱塞”型閥，由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速快速關(guān)閉。該機(jī)組共有4個(gè)調(diào)節(jié)閥(CV1，CV2，CV3，CV4)控制高壓缸的蒸汽流量。表1為該機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)。原配汽方式下，從調(diào)端看轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，如圖1所示。

表1 機(jī)組設(shè)計(jì)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(dòng)

機(jī)組在一次大修后，在高負(fù)荷(550～600 MW)運(yùn)行時(shí)，#1和#2軸瓦頻繁出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)幅值又開(kāi)始慢慢回落，但滿負(fù)荷下機(jī)組無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)取機(jī)組運(yùn)行歷史趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷為550 MW時(shí)，#2軸瓦發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)，x方向振動(dòng)幅值由正常時(shí)的75 μm最大增加至137 μm，同時(shí)#2軸承金屬溫度由89.1 ℃降至87.4 ℃，持續(xù)十幾分鐘后，振動(dòng)幅值又開(kāi)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(dòng)幅值的變化有一定的延遲[4]。該汽輪機(jī)高壓缸原進(jìn)汽方案的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥控制順序?yàn)橄韧瑫r(shí)開(kāi)啟CV1和CV4，根據(jù)重疊度設(shè)定函數(shù)，開(kāi)啟CV2，最后開(kāi)啟CV3。若將原配汽方式切換為全周進(jìn)汽調(diào)節(jié)，機(jī)組在額定壓力時(shí)可以順利達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)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(guò)渡調(diào)節(jié)手段，長(zhǎng)期運(yùn)行是十分不經(jīng)濟(jì)的。

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

(1)葉頂間隙激振力。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與靜止部分的位置不同心時(shí)，會(huì)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(lì)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)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(huì)引發(fā)密封流體激振力，轉(zhuǎn)子上的力可分解成一個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)子中心的徑向力和一個(gè)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的強(qiáng)烈振動(dòng)。

(3)靜態(tài)汽流力。部分進(jìn)汽引起時(shí)，汽流作用在轉(zhuǎn)子上的力稱為靜態(tài)汽流力，在汽輪機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)過(guò)程中，高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)的不同的進(jìn)汽方式會(huì)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(shí)，會(huì)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(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。

造成以上激振力的情況有2種：機(jī)組大修沒(méi)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(jī)組配汽方式不合理，蒸汽從噴嘴噴出后推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)。如圖1所示，原配汽方式下，CV2開(kāi)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(dòng)，軸承偏心率變小，容易失穩(wěn)。

查閱機(jī)組大修相關(guān)技術(shù)文件，主要技術(shù)指標(biāo)均驗(yàn)收合格。建議下個(gè)周期大修時(shí)，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(guò)大，將葉頂汽封更換成能夠消除低頻激勵(lì)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(dòng)。但因電廠發(fā)電任務(wù)重，停機(jī)檢修會(huì)造成一定經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。為了兼顧機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與安全性，與廠方溝通決定通過(guò)改變配汽方式來(lái)消除故障，同時(shí)為尋求最優(yōu)閥序控制方式，進(jìn)行了配汽特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

3 配汽特性試驗(yàn)研究

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

表2 350 MW和400 MW負(fù)荷下配汽方式調(diào)整試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)機(jī)組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的CV1—CV4的開(kāi)度為100%，19%，100%，0%；400 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為18.22 MPa時(shí)機(jī)組熱耗最低，對(duì)應(yīng)CV1—CV4的開(kāi)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(shí)機(jī)組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的CV1—CV4的開(kāi)度為100%，24%，100%，0%；500 MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為21.90 MPa時(shí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對(duì)應(yīng)CV1—CV4的開(kāi)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(shí)機(jī)組熱耗最低、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，對(duì)應(yīng)CV1—CV4的開(kāi)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(shí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，對(duì)應(yīng)CV1—CV4的開(kāi)度為100%，100%，100%和14%。

根據(jù)表2—4的最優(yōu)方案，對(duì)機(jī)組配汽方式進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后機(jī)組負(fù)荷與各調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(kāi)度，CV4保持關(guān)閉，CV2的開(kāi)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(kāi)度，CV2開(kāi)度從30%至全開(kāi)，同時(shí)CV4開(kāi)度從0%增至20%。機(jī)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(kāi)度，此時(shí)主蒸汽壓力變小，導(dǎo)致循環(huán)效率降低；若通過(guò)減小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)增加主蒸汽壓力、提高機(jī)組循環(huán)效率，又會(huì)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(guò)上述配汽方式調(diào)整試驗(yàn)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(kāi)度的最佳工作點(diǎn)，使機(jī)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(kāi)度關(guān)系Fig.2 Relationship between load and valve opening after adjusting steam distribution

表5為試驗(yàn)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(dòng)幅值?？梢钥闯雠淦绞秸{(diào)整后，機(jī)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(duì)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(dòng)壓潤(rùn)滑原理，此時(shí)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(duì)600 MW超臨界機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子頻繁發(fā)生的自激振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，探討了故障產(chǎn)生機(jī)制。該類(lèi)型機(jī)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(kāi)度下對(duì)機(jī)組進(jìn)行配汽特性試驗(yàn)研究，獲得各負(fù)荷下最佳工作主蒸汽壓力點(diǎn)和最優(yōu)閥序控制方式，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)同類(lèi)型機(jī)組有借鑒意義。