機(jī)組升級改造中的軸系設(shè)計方案分析

郎 欣

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

為了落實《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》，挖掘出既有煤電機(jī)組的節(jié)能潛力，國家能源局提出了利用成熟技術(shù)，對亞臨界煤電機(jī)組實施系統(tǒng)性改造，降低能耗的目標(biāo)，以達(dá)到同類機(jī)組先進(jìn)水平[1]。目前國內(nèi)已經(jīng)完成了多臺300 MW等級和600 MW等級的改造項目，軸承座位置不變，整個軸系標(biāo)高變化不大。岱海汽輪機(jī)改造項目是由上海汽輪機(jī)廠設(shè)計生產(chǎn)制造的首臺將主、再熱進(jìn)汽溫度由亞臨界參數(shù)提升到超超臨界參數(shù)的機(jī)組項目，也是首臺由“濕冷”改造為“空冷”的大容量機(jī)組項目。設(shè)計人員將先進(jìn)的整體通流葉片技術(shù)(Advanced Integral Blade Technology, AIBT)[2]運(yùn)用到亞臨界600 MW改造機(jī)組中，實現(xiàn)了跨代改造，降低煤耗。

由于該改造項目通流結(jié)構(gòu)的大范圍改動，軸承間跨距變長，兩個低壓轉(zhuǎn)子軸承間跨距由原來的5 740 mm改為6 000 mm，而發(fā)電機(jī)安裝情況沒有改變，原有軸系找中方案無法滿足要求。低壓轉(zhuǎn)子跨距的增加，以及機(jī)組設(shè)計時將亞臨界機(jī)組特點與超超臨界機(jī)組特點[3]的全面融合，給軸系分析帶來巨大的挑戰(zhàn)。本文對比了多種軸系找中方案，得到既能滿足軸系設(shè)計要求，又能滿足改造機(jī)組現(xiàn)場調(diào)整標(biāo)高要求的方案，保證機(jī)組改造后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 軸系找中方案介紹

此次改造是在機(jī)組使用多年后對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行替換升級，在制定改造方案時需要掌握原有機(jī)組的軸系找中情況，改造前的軸系靜態(tài)數(shù)據(jù)如表1所示，機(jī)組改造前后的跨距和靜撓度數(shù)據(jù)如表2所示。在汽輪機(jī)改造方案中，設(shè)計人員優(yōu)化了轉(zhuǎn)子通流設(shè)計，使高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子軸承間跨距與改造前相同，而兩個低壓轉(zhuǎn)子軸承間跨距由原來的5 740 mm改為6 000 mm，發(fā)電機(jī)安裝標(biāo)高只允許微調(diào)。機(jī)組改造后，軸系總長不變(受轉(zhuǎn)子熱脹影響略有差別)，依然采用雙軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸承采用四瓦可傾結(jié)構(gòu)，軸承直徑不變，軸承寬度略有變化。

表1 機(jī)組改造前軸系靜態(tài)數(shù)據(jù)

表2 機(jī)組改造前后跨距和靜撓度對比

在改造方案中，低壓轉(zhuǎn)子軸承間跨距增加，需要將原先座缸式軸承座改為落地式軸承座。汽缸形式和通流設(shè)計采用超超臨界機(jī)組設(shè)計風(fēng)格，而軸承卻沒有采用袋式軸承，而是采用可傾瓦軸承，并且也沒有采用單支撐結(jié)構(gòu)，而是在原有機(jī)組的軸系大框架下，更換了低壓軸承座、多根轉(zhuǎn)子和汽缸。改造對于軸系的固有頻率有些影響，而對于機(jī)組的軸系找中影響很大，特別是安裝標(biāo)高的調(diào)整，需要在多方案之間進(jìn)行比較。

1.1 超超臨界機(jī)組特點的計算模型

機(jī)組改造方案中，轉(zhuǎn)子和汽缸設(shè)計都采用超超臨界機(jī)組設(shè)計風(fēng)格，因此首先采用超超臨界機(jī)組特點的軸系分析方案，作為方案1。計算模型以聯(lián)軸器處張口錯位為零為依據(jù)，將各根轉(zhuǎn)子連接成軸系。圖1為方案1計算軸系模型示意圖，該方案以低壓轉(zhuǎn)子LP1的兩個軸承為零位，將多根轉(zhuǎn)子連接成軸系，由于該方案改用落地式軸承座，低壓軸承標(biāo)高不需要冷態(tài)抬高，由此得到了理想狀態(tài)下各個軸承處的標(biāo)高值。

圖1 方案1計算軸系模型示意圖(下方數(shù)值表示標(biāo)高量，單位mm)

計算的理想標(biāo)高數(shù)據(jù)如表3所示，與改造前原始安裝標(biāo)高相比較，1號瓦軸承需要抬高約4 mm，發(fā)電機(jī)側(cè)勵磁機(jī)軸承至少需要調(diào)整8 mm。由于主油泵的關(guān)系，1號軸承抬高量有限，而發(fā)電機(jī)側(cè)盡量不做調(diào)整，因此，如果改造后采用聯(lián)軸器“零碰零”安裝，標(biāo)高改動太大，無法滿足現(xiàn)場安裝的要求。

1.2 亞臨界機(jī)組特點的計算模型

機(jī)組改造時雖然采用了超超臨界機(jī)組的設(shè)計特點，但依然沿用主油泵放置在汽輪機(jī)機(jī)頭的傳統(tǒng)配置，汽輪機(jī)軸承都采用可傾瓦形式，軸系采用雙支撐結(jié)構(gòu)，與原有亞臨界機(jī)組特點相近，因此，可以根據(jù)亞臨界機(jī)組特點進(jìn)行軸系找中方案設(shè)計，作為方案2。計算模型以轉(zhuǎn)子軸承處彎矩為零為依據(jù)，將各根轉(zhuǎn)子連接成軸系。方案2同樣以低壓轉(zhuǎn)子LP1的兩個軸承為零位，計算軸系模型示意圖如圖2所示。理想狀態(tài)下各個軸承處的標(biāo)高值如表4所示。

表3 方案1理想標(biāo)高與原始標(biāo)高值對比

表4 方案2理想標(biāo)高與原始標(biāo)高值對比

圖2 方案2計算軸系模型示意圖

方案2計算得到的理想安裝數(shù)據(jù)與改造前的安裝標(biāo)高相比，汽輪機(jī)側(cè)的標(biāo)高變化量都在1 mm以內(nèi)，調(diào)整最大處為低壓轉(zhuǎn)子LP2的發(fā)電機(jī)側(cè)軸承8號瓦，調(diào)整量為0.89 mm，滿足現(xiàn)場安裝時調(diào)整的要求。而發(fā)電機(jī)側(cè)3個軸承標(biāo)高調(diào)整量都比較大，9號瓦需要調(diào)整1.44 mm，10號瓦需要調(diào)整3.43 mm，11號瓦需要調(diào)整3.92 mm。本次改造對發(fā)電機(jī)并沒有大的改動，因此無法滿足約4 mm的標(biāo)高調(diào)整量。但是與方案1計算得到的理想安裝標(biāo)高相比，方案2計算得到的理想標(biāo)高值需要調(diào)整的量由最高的8 mm減小到 4 mm，與改造前的安裝標(biāo)高更接近。方案2理想計算軸承比壓(壓強(qiáng))與原始數(shù)據(jù)如表5所示，各軸承比壓在合理范圍內(nèi)。分析認(rèn)為，在方案2計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，能夠得到比較合理的方案。

表5 方案2理想計算軸承比壓與原始數(shù)據(jù)對比

1.3 軸系找中優(yōu)化方案

為了優(yōu)化方案2，參考改造前發(fā)電機(jī)機(jī)組的安裝數(shù)據(jù)，采用改造前發(fā)電機(jī)機(jī)組的安裝標(biāo)高，僅調(diào)整理想計算結(jié)果中聯(lián)軸器處張口的錯位值，從而影響各個軸承的載荷分布，以滿足改造機(jī)組軸系找中的要求。該方案稱為方案3

在理論模型中，方案3對零位參考點的右側(cè)，即低壓LP2轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整到改造前的標(biāo)高值，即7號瓦標(biāo)高由0.87 mm調(diào)整為4.85 mm，8號瓦標(biāo)高由4.19 mm調(diào)整為3.15 mm，發(fā)電機(jī)9號瓦標(biāo)高從6.29 mm調(diào)整為4.85 mm，10號瓦標(biāo)高從22.60 mm調(diào)整為19.17 mm，11號瓦標(biāo)高從28.63 mm調(diào)整為24.71 mm。調(diào)整后得到新的聯(lián)軸器張口錯位值，不同方案對比結(jié)果如表6和表7所示。

表6 方案2和方案3的張口錯位值對比

表7 原始狀態(tài)、方案2和方案3的比壓對比

與方案2相比，低壓LP2轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子標(biāo)高調(diào)整到改造前的數(shù)值后，6號瓦比壓變小，7號瓦比壓變大，8號瓦比壓變小，9號瓦比壓變大，但變化幅度較小，在可調(diào)整的范圍內(nèi)。6-7號聯(lián)軸器處雖然標(biāo)高調(diào)整量不大，但是張口值調(diào)整量最大，導(dǎo)致該處載荷分布變化最明顯，調(diào)整后的軸系安裝數(shù)據(jù)能夠滿足現(xiàn)場軸系找中的要求。

綜合以上分析，在亞臨界機(jī)組改造為超超臨界機(jī)組的過程中，軸系分析方法可以采用亞臨界機(jī)組特點的計算模型，在得到理想標(biāo)高后對各別軸承標(biāo)高做局部調(diào)整，以滿足改造后軸系數(shù)據(jù)設(shè)計要求，即采用方案3。

2 軸系臨界轉(zhuǎn)速考核

在方案3的軸系找中方案下，計算汽輪機(jī)軸系各跨轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果如表8和圖3所示。阻尼臨界轉(zhuǎn)速能夠滿足設(shè)計要求：當(dāng)機(jī)組額定功率超過50 MW時，要求在額定轉(zhuǎn)速下軸系各階臨界轉(zhuǎn)速下的對數(shù)衰減率大于0.065。該方案下臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果對數(shù)衰減率均大于0.065，各階臨界轉(zhuǎn)速都能避開工作轉(zhuǎn)速的±10%范圍，且避開量較大，能滿足考核標(biāo)準(zhǔn)，說明該機(jī)組具有良好的穩(wěn)定性。

表8 軸系各軸承處臨界轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果

(a) 低壓轉(zhuǎn)子LP1一階臨界轉(zhuǎn)速

(b) 低壓轉(zhuǎn)子LP2一階臨界轉(zhuǎn)速

(c)中壓轉(zhuǎn)子IP一階臨界轉(zhuǎn)速

(d) 高壓轉(zhuǎn)子HP一階臨界轉(zhuǎn)速

3 結(jié) 論

本文介紹了亞臨界機(jī)組改造為超超臨界機(jī)組的升級改造項目中，將軸系兩個低壓轉(zhuǎn)子軸承間跨距由原來5 740 mm改為6 000 mm后的軸系找中分析情況，對比了3種軸系找中方案，分析認(rèn)為，軸系分析方法可以采用亞臨界機(jī)組特點的計算模型，在得到理想標(biāo)高后對個別軸承標(biāo)高做局部調(diào)整，以滿足改造后軸系數(shù)據(jù)設(shè)計要求。其他軸系數(shù)據(jù)均能滿足考核標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組投運(yùn)后振動和瓦溫都能滿足設(shè)計要求。本文研究得到的軸系找中方案也可以應(yīng)用到其他改造機(jī)組中，在現(xiàn)場標(biāo)高調(diào)整范圍有限的情況下，保證機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。