國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界汽輪機(jī)變工況下振動(dòng)研究

郝潤(rùn)田

(大唐彬長(zhǎng)發(fā)電有限責(zé)任公司， 陜西咸陽(yáng) 712000)

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國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界汽輪機(jī)變工況下振動(dòng)研究

郝潤(rùn)田

(大唐彬長(zhǎng)發(fā)電有限責(zé)任公司， 陜西咸陽(yáng) 712000)

摘要：以某國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界空冷汽輪機(jī)組為例，分析了汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、變負(fù)荷、滑參數(shù)停機(jī)等幾種典型變工況下的振動(dòng)變化，并提出了振動(dòng)控制的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超臨界； 汽輪機(jī)； 振動(dòng)； 變工況

汽輪發(fā)電機(jī)組是發(fā)電廠的重要組成部分，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械來(lái)說(shuō)，微小的振動(dòng)是不可避免的，振動(dòng)幅度不超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的屬于正常振動(dòng)[1-2]；但強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)加劇系統(tǒng)動(dòng)靜摩擦，形成惡性循環(huán)，加快設(shè)備損壞。引發(fā)振動(dòng)增大的原因有很多，安裝設(shè)計(jì)不規(guī)范或不合理、滑銷(xiāo)系統(tǒng)卡澀、轉(zhuǎn)子或汽缸膨脹不均、動(dòng)靜間隙過(guò)小、汽水激振、發(fā)電機(jī)局部過(guò)熱等均會(huì)引起不同程度的振動(dòng)，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(dòng)等是目前引起汽輪機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因[3]。因此研究汽輪機(jī)變工況下振動(dòng)的變化對(duì)于加快機(jī)組啟動(dòng)和機(jī)組的安全運(yùn)行都具有十分重要的意義。

筆者針對(duì)國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界空冷汽輪機(jī)在機(jī)組沖轉(zhuǎn)、滑參數(shù)停機(jī)、變負(fù)荷等幾個(gè)典型變工況過(guò)程中的各軸承振動(dòng)變化進(jìn)行對(duì)比分析，觀察其軸承振動(dòng)情況，提出了相應(yīng)過(guò)程中振動(dòng)控制的要點(diǎn)。

1機(jī)組概況

某汽輪機(jī)組型號(hào)為T(mén)C4F-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(jì)額定功率為630 MW。汽輪機(jī)總級(jí)數(shù)為38級(jí)，高壓轉(zhuǎn)子為8級(jí)，其中第一級(jí)為調(diào)節(jié)級(jí)，中壓轉(zhuǎn)子為6級(jí)，低壓轉(zhuǎn)子為2×2×6級(jí)。汽輪機(jī)高中壓缸為合缸結(jié)構(gòu)，兩個(gè)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(wú)法蘭螺栓加熱裝置。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中除1、2號(hào)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(hào)軸承箱內(nèi)，采用傾斜平面式雙推力盤(pán)結(jié)構(gòu)。高中壓缸的膨脹死點(diǎn)位于2號(hào)軸承座，低壓A缸、低壓B缸的膨脹死點(diǎn)分別位于各自的中心附近。死點(diǎn)處的橫銷(xiāo)限制汽缸的軸向位移；同

時(shí)，在前軸承箱及兩個(gè)低壓缸的縱向中心線(xiàn)前后設(shè)有縱銷(xiāo)，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(dòng)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(dòng)變化分析

筆者研究變工況下機(jī)組振動(dòng)的影響，主要針對(duì)汽流變化、熱力原因造成的動(dòng)靜碰摩等因素對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。機(jī)組設(shè)計(jì)正常啟動(dòng)方式為中壓缸啟動(dòng)。中壓缸啟動(dòng)時(shí)按沖轉(zhuǎn)時(shí)的中壓缸進(jìn)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(jī)沖轉(zhuǎn)

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

表1　汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)

注：1)點(diǎn)火到滿(mǎn)負(fù)荷；2)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min。

整個(gè)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，主參數(shù)應(yīng)保持穩(wěn)定。汽輪機(jī)采用中壓缸自動(dòng)啟動(dòng)方式的過(guò)程為：首先開(kāi)啟1、2號(hào)中聯(lián)門(mén)，以100 r/min的升速率，將轉(zhuǎn)速升至200 r/min，進(jìn)行摩擦檢查；摩擦檢查結(jié)束后進(jìn)行中速暖機(jī)，1～4號(hào)高調(diào)門(mén)開(kāi)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(hào)中聯(lián)門(mén)開(kāi)啟，沖轉(zhuǎn)至1 500 r/min，然后進(jìn)行中速暖機(jī)4 h，若是溫態(tài)、熱態(tài)或極熱態(tài)則可不用進(jìn)行中速暖機(jī)；待中速暖機(jī)結(jié)束后，1～4號(hào)高調(diào)門(mén)關(guān)閉， 1、2號(hào)中聯(lián)門(mén)逐漸開(kāi)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(guò)臨界轉(zhuǎn)速(1 722～1 849 r/min)時(shí)，升速率自動(dòng)加至300 r/min。不同工況下，該機(jī)組沖轉(zhuǎn)升速過(guò)程中各軸承振動(dòng)的變化不同，其曲線(xiàn)見(jiàn)圖1～圖5。

由機(jī)組沖轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)曲線(xiàn)可見(jiàn)：

(1) 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)組各軸振動(dòng)集中出現(xiàn)過(guò)兩次較大波動(dòng)，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(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)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(dòng)變化均趨于穩(wěn)定。

(2) 隨著缸溫的增加，軸系振動(dòng)會(huì)逐漸減少，即冷態(tài)(極冷態(tài))啟動(dòng)過(guò)程中軸系振動(dòng)最大，熱態(tài)(溫態(tài)、極熱態(tài))啟動(dòng)過(guò)程中軸系振動(dòng)最小。

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

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

(5) 經(jīng)過(guò)軸系臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，各軸振變化方向不一，其中2Y、3X、7X向振動(dòng)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(dòng)部件[5]。

從上述圖中難以得知具體原因，繼續(xù)加負(fù)荷觀察(見(jiàn)圖6)。由圖6可見(jiàn)：當(dāng)負(fù)荷加至接近300 MW后，各軸振動(dòng)才有所好轉(zhuǎn)，特別是2Y、3X、7X向等處，可見(jiàn)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(fù)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(jī)

為使檢修提前開(kāi)工，縮短檢修工期，常常采取滑參數(shù)方式停機(jī)的方式，全開(kāi)主汽門(mén)及調(diào)門(mén)，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(chēng)之為深度滑停。但有時(shí)僅為調(diào)峰，并無(wú)必要的檢修工作，停機(jī)時(shí)間不長(zhǎng)，因深度滑停時(shí)，汽輪機(jī)末級(jí)葉片工作環(huán)境惡劣，危險(xiǎn)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(jī)組深度滑停過(guò)程中各振動(dòng)變化曲線(xiàn)，圖8為該機(jī)組非深度滑停過(guò)程中各振動(dòng)變化曲線(xiàn)。

由圖7可見(jiàn)：機(jī)組振動(dòng)在負(fù)荷250 MW(鍋爐干濕轉(zhuǎn)態(tài)負(fù)荷區(qū)域)左右時(shí)，機(jī)組振動(dòng)發(fā)生了明顯的波動(dòng)。而由圖8可見(jiàn)：機(jī)組振動(dòng)在350 MW左右時(shí)發(fā)生了明顯的變化。究其原因主要為：深度滑停過(guò)程中，主再熱汽溫度與壓力匹配，蒸汽溫度下降幅度較大，過(guò)熱度較低，但汽缸

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

2.3 變負(fù)荷過(guò)程

負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，蒸汽流量不斷變化，葉片受不均衡的氣體來(lái)流沖擊發(fā)生汽流激振，從而使得機(jī)組振動(dòng)發(fā)生明顯變化。正常運(yùn)行中加減負(fù)荷時(shí)，機(jī)組振動(dòng)變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖9、圖10。

汽流激振有兩個(gè)主要特征：一是應(yīng)該出現(xiàn)大量的低頻分量；二是振動(dòng)的增大受運(yùn)行參數(shù)(如負(fù)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(jiàn)：負(fù)荷在300～600 MW變化過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)變化情況相對(duì)平穩(wěn)，但是隨著負(fù)荷的變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一特定負(fù)荷(550 MW和610 MW左右)時(shí)，機(jī)組振動(dòng)發(fā)生了相對(duì)明顯的波動(dòng)，而離開(kāi)這一負(fù)荷，振動(dòng)便趨于平穩(wěn)。

3應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)觀察分析，可得出機(jī)組振動(dòng)發(fā)生大幅變化的工況主要為：沖轉(zhuǎn)時(shí)汽輪機(jī)運(yùn)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(fù)荷期間。而針對(duì)不同工況下的振動(dòng)變化應(yīng)采取不同的應(yīng)對(duì)措施：

(1) 中壓缸啟動(dòng)時(shí)，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(yàn)來(lái)看，再熱汽溫往往偏高，實(shí)際沖轉(zhuǎn)參數(shù)往往比設(shè)計(jì)值高40～50 K，實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)子膨脹較快，而汽缸膨脹較慢，再熱汽溫過(guò)高將加劇轉(zhuǎn)子的膨脹，極有可能導(dǎo)致動(dòng)靜摩擦，從而影響轉(zhuǎn)子振動(dòng)。因此，控制機(jī)組沖轉(zhuǎn)初期振動(dòng)的主要措施在于：首先，啟動(dòng)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(duì)蒸汽流量的控制，因啟動(dòng)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(shí)控制給水流量不應(yīng)過(guò)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(guò)熱度應(yīng)不小于50 K，以防蒸汽帶水。

(2) 鍋爐加負(fù)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(duì)汽輪機(jī)的沖擊，另一方面應(yīng)控制汽溫汽壓波動(dòng)情況，避免反復(fù)轉(zhuǎn)態(tài)，盡量一次性通過(guò)。

(3) 面對(duì)特定負(fù)荷下機(jī)組振動(dòng)容易超限的問(wèn)題，如若必要，可向調(diào)度申請(qǐng)，盡量避開(kāi)這一負(fù)荷，同時(shí)在加減負(fù)荷過(guò)程中應(yīng)注意控制負(fù)荷升降速率。

(4) 滑參數(shù)停機(jī)過(guò)程中，汽溫的變化對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響較大，因此汽溫的下降速率應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)曲線(xiàn)控制，同時(shí)保證每個(gè)下滑階段留有充分的時(shí)間，以控制缸溫與汽溫的偏差。

4結(jié)語(yǔ)

該機(jī)組無(wú)論在哪種工況下運(yùn)行時(shí)，某幾處軸承的振動(dòng)均高(如3X、7X向)，而且對(duì)機(jī)組工況變化較為敏感。對(duì)于此種現(xiàn)象，尚無(wú)法明確具體原因，還需進(jìn)一步取證觀察和分析，應(yīng)在運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)視，特別是變工況下，對(duì)比其他各軸瓦(軸承或軸瓦)振動(dòng)情況，結(jié)合軸瓦處潤(rùn)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(shì)，應(yīng)立即停止相關(guān)操作或降低負(fù)荷升降率；若相關(guān)參數(shù)已超限，則保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，否則應(yīng)手動(dòng)打閘。

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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(lèi)號(hào)：TK268.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)02-0131-04

作者簡(jiǎn)介：郝潤(rùn)田(1982—)，男，工程師，主要從事電廠熱力系統(tǒng)運(yùn)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