汽輪機(jī)部分進(jìn)汽故障綜合治理方法的研究

陳 陽(yáng)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102)

大型汽輪機(jī)的配汽方式主要有全周進(jìn)汽和部分進(jìn)汽兩種。與全周進(jìn)汽相比，部分進(jìn)汽方式在提升機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面有顯著優(yōu)勢(shì)。然而大量工程實(shí)踐表明，汽輪機(jī)在全周進(jìn)汽切換至部分進(jìn)汽過(guò)程中或切換完成后，會(huì)出現(xiàn)瓦溫高、振動(dòng)大等問(wèn)題，并易出現(xiàn)汽流激振[1-2]，這嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

本文通過(guò)分析汽輪機(jī)部分進(jìn)汽故障機(jī)理，從調(diào)整調(diào)節(jié)級(jí)汽流力和軸系載荷分配兩個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)歸納出該問(wèn)題現(xiàn)階段3種主要治理方法，為類(lèi)似故障的消除提供參考。

1 部分進(jìn)汽故障機(jī)理分析

某汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽部分示意圖如圖1所示。從調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組流出的高速蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉通道，對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片產(chǎn)生汽流力的作用。

圖1 調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽示意圖

假設(shè)向上及向右方向受力為正，則轉(zhuǎn)子所受汽流力表達(dá)如下式：

式中：Fqx、Fqy分別表示x、y方向的汽流力總和；ax、ay、bx、by、cx、cy、dx、dy為各噴嘴組沿x和y方向的分力。

對(duì)角噴嘴組產(chǎn)生的蒸汽力方向在全周進(jìn)汽運(yùn)行方式下完全相反，如果對(duì)應(yīng)噴嘴組的進(jìn)汽面積相等，那么調(diào)節(jié)級(jí)僅存在轉(zhuǎn)矩，其余汽流力將互相抵消，即Fqx≈0，F(xiàn)qy≈0；在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)處于部分進(jìn)汽狀態(tài)，如果不是采用對(duì)角進(jìn)汽的方式，那么汽流力不能相互抵消，調(diào)節(jié)級(jí)上將產(chǎn)生剩余的汽流力。這個(gè)力的大小與轉(zhuǎn)子自重為同一量級(jí)，力直接作用在該機(jī)組的高壓缸轉(zhuǎn)子上，使其軸承的載荷及軸心位置在很大范圍內(nèi)偏離設(shè)計(jì)條件，軸承載荷的增加降低了最小油膜厚度，減小了進(jìn)油量，提高了油溫和瓦溫。軸承的載荷方向也從垂直向下轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜向下，軸承的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性也隨之變化，這會(huì)引起軸心軌跡和振動(dòng)情況的變化，最終導(dǎo)致故障發(fā)生。整個(gè)過(guò)程的總結(jié)如圖2所示。

圖2 部分進(jìn)汽故障的產(chǎn)生機(jī)理

2 部分進(jìn)汽故障綜合治理方法

2.1 基于調(diào)整閥序的治理方法

為了解決汽輪機(jī)部分進(jìn)汽問(wèn)題，從改變調(diào)節(jié)級(jí)剩余汽流力的角度出發(fā)，研究人員提出了減小或消除配汽力大小的“對(duì)角進(jìn)汽”方案和改變剩余汽流力方向的調(diào)整閥序方案，取得了一定的效果[3-4]。

某廠600 MW機(jī)組閥門(mén)布置如圖3所示[5]。在機(jī)組通流部分改造后，汽輪機(jī)由單閥運(yùn)行切換至多閥運(yùn)行，設(shè)計(jì)閥序?yàn)镚V3+GV4→GV1→GV2。切換過(guò)程中，在某工況下，1號(hào)、2號(hào)瓦溫迅速上升，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到106 ℃，然后下降并維持在90 ℃。同時(shí)，振動(dòng)變化異常，最大振幅達(dá)到108 μm。

圖3 600 MW機(jī)組噴嘴組布置與設(shè)計(jì)閥序

針對(duì)設(shè)計(jì)閥門(mén)開(kāi)啟順序，對(duì)該機(jī)組高壓缸部分軸承的載荷情況進(jìn)行計(jì)算，得到原設(shè)計(jì)閥序下軸承的載荷與載荷角，如圖4所示。由機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2號(hào)軸承軸心水平位移量超過(guò)100 μm，偏離了軸承的穩(wěn)定載荷區(qū)，這將對(duì)軸承油膜的動(dòng)力特性產(chǎn)生較大影響。以上原因最終導(dǎo)致了機(jī)組振動(dòng)過(guò)大和瓦溫過(guò)高的故障。

(a) 原設(shè)計(jì)閥序軸承載荷

(b) 原設(shè)計(jì)閥序軸承載荷角度

針對(duì)該機(jī)組出現(xiàn)的問(wèn)題，將2號(hào)和3號(hào)閥門(mén)選定為對(duì)角進(jìn)汽閥組。在這種方式下，有兩種進(jìn)汽方式，分別為GV2+GV3→GV4→GV1(改進(jìn)方案一)和GV2+GV3→GV1→GV4(改進(jìn)方案二)，這兩種改進(jìn)方案下的軸承載荷情況計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

(a) 修改閥序后的軸承載荷

(b)修改閥序后的軸承載荷角度

圖5 改進(jìn)方案一的軸承載荷情況

(a) 修改閥序后的軸承載荷

(b) 修改閥序后的軸承載荷角度

圖6 改進(jìn)方案二的軸承載荷情況

由圖5、圖6可以看出，對(duì)角進(jìn)汽方式對(duì)減小軸承最大載荷和最大載荷角有積極作用。改進(jìn)方案一中，軸承最大載荷僅為設(shè)計(jì)閥序下載荷的50%，最大載荷角也有了較為明顯的改善。改進(jìn)方案二中，在進(jìn)汽量約為1 850 t/h工況下，軸承載荷僅有約5.5 t，存在轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的隱患。因此，改進(jìn)方案一是較為合理的方案。

實(shí)施方案一后，對(duì)該機(jī)組1號(hào)、2號(hào)軸承振動(dòng)值和瓦溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：調(diào)整閥序后，各運(yùn)行工況下機(jī)組軸振和瓦溫等指標(biāo)均達(dá)到安全值，機(jī)組成功切換至順序閥運(yùn)行。

從減少調(diào)節(jié)級(jí)配汽力的角度入手，通過(guò)采用對(duì)角進(jìn)汽方式，消除了調(diào)節(jié)級(jí)配汽力產(chǎn)生的不良影響。對(duì)角噴嘴組選定以后，第3閥選取不同，調(diào)節(jié)級(jí)配汽力的方向就不同，對(duì)軸承載荷的影響也不同，這在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中需要引起重視。

該抑制方法只需修改機(jī)組的閥門(mén)邏輯控制程序，操作簡(jiǎn)便，是目前治理部分進(jìn)汽故障常用的方法。但是該方法面臨的主要問(wèn)題是對(duì)角開(kāi)啟前2個(gè)閥時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)葉片的熱沖擊頻率大約增加了1倍，因此在實(shí)際運(yùn)行中，要對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片加強(qiáng)監(jiān)護(hù)，以確保機(jī)組安全運(yùn)行[6]。

2.2 基于閥門(mén)管理的治理方法

在機(jī)組由單閥運(yùn)行切換至順序閥運(yùn)行過(guò)程中，還可能出現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷及壓力波動(dòng)劇烈、高調(diào)門(mén)開(kāi)度波動(dòng)較大等故障，其中高調(diào)門(mén)開(kāi)度波動(dòng)過(guò)大可能引起機(jī)組的不穩(wěn)定振動(dòng)。

閥門(mén)卡澀、控制器故障、油動(dòng)機(jī)動(dòng)作、閥門(mén)流量特性不正確等問(wèn)題是造成調(diào)節(jié)閥開(kāi)度波動(dòng)的幾種主要原因。在上述各方面因素中，閥門(mén)特性不正確是汽輪機(jī)機(jī)組普遍存在的問(wèn)題。

某600 MW機(jī)組在順序閥切換試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生異常振動(dòng)[7]，試驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，在切換時(shí)，GV1、GV3的閥門(mén)開(kāi)度存在10%左右的波動(dòng)；從圖7(b)中可以看出，2號(hào)X軸的不穩(wěn)定振動(dòng)與閥門(mén)開(kāi)度波動(dòng)現(xiàn)象幾乎同時(shí)發(fā)生，且該工況下的最大振幅比順序閥下最大振幅大15 μm。在切換閥序過(guò)程中，閥門(mén)晃動(dòng)導(dǎo)致蒸汽流力以連續(xù)突變的方式?jīng)_擊高壓轉(zhuǎn)子，最終引起機(jī)組產(chǎn)生不穩(wěn)定振動(dòng)的現(xiàn)象。

(a) 順序閥切單閥閥位變化

(b) 軸振變化

圖7 某600 MW機(jī)組閥門(mén)切換過(guò)程閥位晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)

上述的600 MW機(jī)組的單個(gè)閥門(mén)的特性曲線(xiàn)如圖8所示，可以看出，單個(gè)閥門(mén)在開(kāi)度70%～100%的范圍內(nèi)，原特性曲線(xiàn)驟然變陡，這容易引起高壓調(diào)門(mén)開(kāi)啟不夠平滑，機(jī)組負(fù)荷參數(shù)不易控制的問(wèn)題，并且可能會(huì)引起EH油系統(tǒng)壓力和EH油管路的抖動(dòng)[8]。因此，需要對(duì)該閥門(mén)特性曲線(xiàn)作優(yōu)化。優(yōu)化的主要內(nèi)容是將70%～100%區(qū)間內(nèi)的流量特性曲線(xiàn)修改得較為平緩，如圖8所示。閥門(mén)特性曲線(xiàn)修正后，機(jī)組在切換時(shí)的不穩(wěn)定故障消失。

圖8 單個(gè)閥門(mén)特性曲線(xiàn)

單個(gè)閥門(mén)特性曲線(xiàn)作優(yōu)化之后，為了使汽輪機(jī)控制指令與蒸汽流量呈線(xiàn)性關(guān)系，優(yōu)化調(diào)節(jié)品質(zhì)，還需要對(duì)各閥門(mén)之間開(kāi)啟的重疊度進(jìn)行優(yōu)化。圖9給出了閥門(mén)重疊度示意圖，圖10為控制指令與蒸汽流量的關(guān)系曲線(xiàn)。汽輪機(jī)各高調(diào)門(mén)依次開(kāi)啟。若重疊度較小，則機(jī)組節(jié)流損失較小，經(jīng)濟(jì)性得到提升，但整體流量曲線(xiàn)呈波形，且存在較明顯的拐點(diǎn)，有可能導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大；若重疊度過(guò)大，則機(jī)組節(jié)流損失也變大，這對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性影響較大。通常認(rèn)為，當(dāng)閥門(mén)前后的壓力比p2/p1為0.95～0.98時(shí)，閥門(mén)就算全開(kāi)。需要比較多種方案后確定重疊度的選取，后一閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻以前一閥門(mén)開(kāi)至p2/p1為0.85～0.90為宜[9-12]。

圖9 閥門(mén)重疊度

圖10 控制指令與蒸汽流量的關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 基于軸系載荷調(diào)整的治理方法

上述治理方法主要出于改善調(diào)節(jié)級(jí)受力情況的目的。根據(jù)該問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，相關(guān)研究從調(diào)整軸系載荷分配的角度出發(fā)，提出了另一種治理方法[13]。

某臺(tái)600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行半年之后投運(yùn)順序閥，機(jī)組噴嘴組布置及閥序設(shè)計(jì)如圖11所示[14]。投運(yùn)之前，為模擬順序閥方式下的各閥門(mén)工作的狀態(tài)，選定在負(fù)荷480 MW時(shí)進(jìn)行閥門(mén)關(guān)閉試驗(yàn)。

圖11 某臺(tái)600 MW機(jī)組噴嘴組布置與閥序設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)閥序?yàn)镚V3+GV4→GV1→GV2，運(yùn)行時(shí)GV2關(guān)閉至9%，1號(hào)軸承溫度已超過(guò)90 ℃，升高了12 ℃，如果繼續(xù)關(guān)小GV2，再關(guān)小GV1，1號(hào)軸承所受載荷會(huì)更大，軸承溫度會(huì)更高。

按照閥序GV1+GV2→GV3→GV4重新試驗(yàn)，在460 MW負(fù)荷時(shí)先關(guān)閉GV4，再逐漸關(guān)閉GV3。當(dāng)GV3開(kāi)度為27%時(shí)，該機(jī)組2號(hào)軸振值由66 μm迅速升高至126 μm，且振幅有增加的趨勢(shì)。兩次閥序試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 兩次閥序試驗(yàn)結(jié)果匯總

這兩次閥門(mén)切換試驗(yàn)都沒(méi)有成功。原設(shè)計(jì)閥序下，采用“上缸進(jìn)汽”使得轉(zhuǎn)子受到向下的配汽力，造成1號(hào)軸承載荷過(guò)大，引起瓦溫升高。修改后的閥序方案使得2號(hào)軸承載荷變小，該處軸瓦與轉(zhuǎn)子的間隙變大，油膜厚度隨之增大，剛度降低，在相同汽流力的作用下，高壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性變差。

經(jīng)分析，降低1號(hào)軸承載荷對(duì)降低其瓦溫有利，增加2號(hào)軸承載荷對(duì)降低其振幅有利。綜合考慮，決定調(diào)整高、中壓轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵參數(shù)Δt和Δl的值，以適當(dāng)減小1號(hào)軸承載荷，同時(shí)通過(guò)抬升2號(hào)軸承標(biāo)高，增加2號(hào)軸承的載荷，使得機(jī)組軸系載荷重新分配。調(diào)整示意圖如圖12所示，調(diào)整數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖12 高、中壓轉(zhuǎn)子對(duì)輪中心偏差

表2 調(diào)整參數(shù)表

該機(jī)組大修完成后，在機(jī)組負(fù)荷為480 MW時(shí)，按閥序GV1+GV2→GV3→GV4重新進(jìn)行閥序切換試驗(yàn)。結(jié)果表明，在切換順序閥后，機(jī)組振動(dòng)及瓦溫指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)分析汽輪機(jī)部分進(jìn)汽故障的機(jī)理，研究了該類(lèi)故障當(dāng)前主要采用的3種綜合治理方法，并得出如下結(jié)論：

1)汽輪機(jī)部分進(jìn)汽故障產(chǎn)生的主要原因是在切換閥序時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子存在大小相當(dāng)于轉(zhuǎn)子自重的剩余汽流力，軸承的載荷及軸心位置在該力的影響下將嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)條件，最終引發(fā)瓦溫高、振動(dòng)大等問(wèn)題，并引起汽流激振。

2)從調(diào)整配汽力的角度，研究人員提出調(diào)整閥序及優(yōu)化閥門(mén)曲線(xiàn)的治理方法。該類(lèi)方法只需要修改機(jī)組的閥門(mén)邏輯控制程序，是目前治理部分進(jìn)汽故障常用的方法。但采用該類(lèi)方法需要加強(qiáng)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉片的監(jiān)測(cè)與維護(hù)。

3)從調(diào)整軸系載荷分配的角度看，調(diào)整高中壓轉(zhuǎn)子對(duì)中參數(shù)或調(diào)節(jié)級(jí)側(cè)軸承標(biāo)高是另一有效的治理辦法。采用該類(lèi)辦法應(yīng)根據(jù)軸承載荷狀況而定，調(diào)整值應(yīng)嚴(yán)格限定在允許范圍內(nèi)，根據(jù)處理效果再作精細(xì)調(diào)整。