鄒縣電廠1000 MW超超臨界機組軸系動力學(xué)試驗

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

鄒縣機組高、中、低壓轉(zhuǎn)子全部采用整鍛實心轉(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。鄒縣機組軸系長，轉(zhuǎn)子質(zhì)量達209.3 t，向發(fā)電機傳遞的力矩大，機組過大的自重和超長的軸系對機組穩(wěn)定性必然產(chǎn)生很大影響。為確保機組可靠性和保障供電安全，必須對鄒縣機組的軸系動力學(xué)進行試驗研究，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

鄒縣機組軸系由汽輪機高壓轉(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

鄒縣機組調(diào)試期間，進行了機組升降速試驗、超速試驗、空負荷試驗等，試驗表明：在3000 r/min及滿負荷運行工況下的軸系振動值均在驗標規(guī)定的優(yōu)良標準范圍內(nèi)。試生產(chǎn)期間，進行了半負荷變化潤滑油溫試驗。從試驗和運行記錄分析可以看出，機組軸系振動穩(wěn)定，且在驗標規(guī)定的優(yōu)良標準范圍內(nèi)，可以長期安全穩(wěn)定運行。

2.1 轉(zhuǎn)速變化與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

2.1.1 首次啟動升速試驗

鄒縣機組于2006年11月12日16:37首次掛閘啟動，采用默認的高壓缸啟動方式，升速率為100 r·min-2。機組200 r/min時進入摩檢正常；升速至700 r/min暖機30 min，機組軸承溫度、軸振、瓦振、膨脹、各缸脹差、軸向位移等各參數(shù)均正常；暖機結(jié)束，機組以100 r/min2的升速率升速至1500 r/min，繼續(xù)暖機120 min，暖機期間各參數(shù)均正常，暖機結(jié)束,機組繼續(xù)以100 r/min2的升速率升速，目標轉(zhuǎn)速3000 r/min。11月12日19:13機組首次達到3000 r/min。從機組啟動過程的波德圖和機組升降速度、定速時各軸承的振動情況可以看出各軸承的振動隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯，即轉(zhuǎn)速的波動不影響軸系的穩(wěn)定性。機組首次定速時各項主要參數(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℃。機組啟動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時的波德圖。

2.1.2 機組50%甩負荷試驗與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

鄒縣機組于2007年1月9日22:07進行50%甩負荷試驗，試驗前參數(shù)：發(fā)電機有功功率502 MW，汽機轉(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)電機電壓26.7 kV，發(fā)電機電流10410 A，勵磁電壓193 V，勵磁電流2531 A。解除機組爐跳機保護和電跳機保護，解除電泵聯(lián)鎖，啟動主機交流潤滑油泵TOP運行，手動跳爐F磨煤機、A磨煤機，鍋爐手動MFT，強制通風(fēng)5 min，退出電除塵。甩負荷后各參數(shù)的最大值為：汽機轉(zhuǎn)速3125 r/min，主蒸汽壓力13.1 MPa，汽輪機調(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℃，各軸承振動最大值48.07 μm，發(fā)電機電壓、發(fā)電機電流、勵磁電壓、勵磁電流、發(fā)電機有功功率均為0。機組50%甩負荷試驗動作正常。

2.1.3 機組100%甩負荷試驗與軸系穩(wěn)定性關(guān)系

鄒縣機組進行100%甩負荷試驗。試驗前參數(shù)：發(fā)電機有功功率1002 MW，汽機轉(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。汽機調(diào)節(jié)級壓力19.08 MPa，發(fā)電機電壓26.7 kV，發(fā)電機電流21400 A，勵磁電壓316 V，勵磁電流3953 A。解除機組爐跳機保護和電跳機保護，解除電泵聯(lián)鎖，啟動主機交流潤滑油泵TOP運行，手動跳爐F磨煤機、A磨煤機，鍋爐手動MFT，手動開啟4只PCV閥（鍋爐壓力控制閥），合機組甩負荷試驗臨時三相刀閘（一路跳5063，一路跳滅磁開關(guān)，一路啟動錄波），檢查發(fā)變組出口5063斷路器，發(fā)電機滅磁開關(guān)跳閘正常，檢查爐BCD磨煤機跳閘，A、B一次風(fēng)機跳閘，A、B汽泵跳閘。加速繼電器ACC和功率負荷不平衡繼電器PLU動作正常，機組高、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通風(fēng)閥，該閥與凝汽器連接以維持真空）開啟。汽輪機轉(zhuǎn)速3032 r/min時中調(diào)門開始開啟，汽輪機手動打閘，汽輪機轉(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，鍋爐強制通風(fēng)5 min，退出電除塵。甩負荷后各參數(shù)的最大值為：汽機轉(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℃，各軸承振動最大值82.65 μm，發(fā)電機電壓26.79 kV，定子電流21748 A，勵磁電壓316 V，勵磁電流3966 A，無功129 Mvar，機組100%甩負荷試驗動作正常。

2.1.4 機組首次定速后的試驗

鄒縣機組在啟動后進行了汽門嚴密性試驗、發(fā)電機解列、帶負荷試運等，在這些過程中汽輪機軸系運行正常，各軸承的振動均達到了在驗標規(guī)定的優(yōu)良標準范圍內(nèi)。

汽輪發(fā)電機組于2006年11月16日13:57首次并網(wǎng)，帶初負荷20 MW。并網(wǎng)后機組各主要參數(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℃、中壓進汽入口外壁溫276℃、中壓進汽管內(nèi)壁溫395℃、轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽溫度349℃、發(fā)電機定子進水壓力0.36 MPa、發(fā)電機定子進水溫度44℃、發(fā)電機定子進水流量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、前箱軸承進油壓力0.18 MPa、潤滑油進油溫度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 機組首次并網(wǎng)后的操作

機組首次并網(wǎng)后的操作步驟如下：

（1）鄒縣機組首次并網(wǎng)啟動過程中，低加隨機啟動。機組在負荷20 MW時，進行初負荷暖機，檢查定子冷卻水、密封油系統(tǒng)運行正常，投運氫冷器、氫氣去濕裝置。

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

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

（4）初始負荷暖機過程中，由汽機旁路控制主汽壓力。

（5）啟動第2臺循環(huán)水泵運行，檢查第3臺循環(huán)水泵備用良好。

（6）20 MW暖機約58 min后，以5 MW/min速率升負荷至50 MW暖機50 min。

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

3 試驗結(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部位的振動對不平衡力的敏感程度，按設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量大小和分布，計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－峰值計算結(jié)果如表4。由表4可知，各軸頸的振動響應(yīng)值均滿足設(shè)計規(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)計算值Tab.4 Unbalance response calculation at rotor neck μm

3.2 軸系穩(wěn)定性計算

根據(jù)軸系動力學(xué)的特性要求，對軸系的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速進行了計算,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 軸系扭振特性計算

電氣故障和電網(wǎng)干擾會引起軸系發(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)計汽輪發(fā)電機組軸系時須進行扭轉(zhuǎn)振動特性計算。

汽輪發(fā)電機組軸系扭振固有頻率及單相短路重合閘和誤并列時軸系最大剪切應(yīng)力計算結(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的軸系中各軸承的扭矩情況。

表5 軸系扭振固有頻率計算結(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)計規(guī)范要求。

軸系各階臨界轉(zhuǎn)速分布滿足設(shè)計要求，從單個和軸系的彈性支承臨界轉(zhuǎn)速計算和分析結(jié)果來看，軸系各階臨界轉(zhuǎn)速計算值均避開工作轉(zhuǎn)速的15%，同時也避開暖機轉(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)計要求；有關(guān)發(fā)電機非正常運行工況下，各截面的最大應(yīng)力均滿足設(shè)計規(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，確保了機組軸系具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

鄒縣機組軸系動力學(xué)試驗成功驗證了長軸系、雙支撐汽輪發(fā)電機組的安全可靠，軸系動力學(xué)試驗研究的一系列技術(shù)成果可應(yīng)用推廣到國內(nèi)超大容量的超臨界火電機組汽輪發(fā)電機組的設(shè)計制造上，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)電機組上，為我國電力裝備制造的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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