防止汽輪機(jī)軸系振動(dòng)失穩(wěn)的高調(diào)閥組進(jìn)汽模式切換組合方法研究

李珍興,谷軍生,姚 坤,萬 杰

(1.河北國華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

當(dāng)前，大規(guī)模風(fēng)電、光伏的并網(wǎng)需要火電機(jī)組具備更寬、更快、更精確的調(diào)節(jié)能力[1-2]。為了提高汽輪機(jī)高低負(fù)荷工況的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組并網(wǎng)后且會(huì)由單閥模式切換至順序閥模式。因此，不少研究人員針對順序閥的安全高效投運(yùn)問題，從機(jī)理分析、建模仿真及試驗(yàn)測試等多個(gè)方面開展了大量的探索工作，主要包括兩個(gè)主要方面：一方面，為了滿足電網(wǎng)日趨嚴(yán)格的AGC考核標(biāo)準(zhǔn)，對調(diào)節(jié)閥組實(shí)際流量特性辨識(shí)及進(jìn)汽線性控制優(yōu)化方法進(jìn)行研究[3-4]；另一方面，通過改變調(diào)節(jié)閥組的進(jìn)汽順序抑制部分負(fù)荷工況下的配汽不平衡汽流力[5]、提高汽輪機(jī)中低負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性[6]。然而，汽輪機(jī)通流改造改變了缸體內(nèi)部蒸汽的流動(dòng)特性，極易產(chǎn)生威脅機(jī)組運(yùn)行安全的汽流激振問題[7]；并且，轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性受多因素影響而異常復(fù)雜[8]。所以，通流改造后出現(xiàn)的汽流激振問題難以通過單一的進(jìn)汽順序優(yōu)化就能解決，往往需要結(jié)合硬件改造的方法才能解決[9]。也有一些學(xué)者提出利用雙對角進(jìn)汽解決汽輪機(jī)復(fù)雜軸系失穩(wěn)問題，雖然相對單閥方式減小了一部分節(jié)流損失，但從長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度來講還具有一定的局限性[10-11]。此外，現(xiàn)有汽輪機(jī)DEH閥門管理中的順序閥邏輯只可以設(shè)置一組噴嘴配汽規(guī)律參數(shù)，僅能夠?qū)崿F(xiàn)單閥與順序閥之間的切換[12]；對于設(shè)置兩套順序閥規(guī)律參數(shù)并可進(jìn)行切換應(yīng)用的研究，還未見實(shí)際公開權(quán)威文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

針對2臺(tái)600 MW汽輪機(jī)由于通流改造后出現(xiàn)汽流激振，致使順序閥方式下的轉(zhuǎn)子運(yùn)行出現(xiàn)振動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象的問題，在兼顧長期部分負(fù)荷運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文提出了一種高調(diào)閥組噴嘴局部進(jìn)汽模式切換組合的方法，結(jié)合測試試驗(yàn)設(shè)計(jì)了融合加大重疊度與雙對角的噴嘴組合進(jìn)汽規(guī)律及DEH切換邏輯方案；這既避免了直接利用雙對角進(jìn)汽方案帶來的長期能耗損失，又避免了直接停機(jī)對硬件進(jìn)行檢修調(diào)整，具有一定的實(shí)際工程價(jià)值。

1 故障汽輪機(jī)的噴嘴組布置及配汽規(guī)律

通流改造后出現(xiàn)汽流激振的2臺(tái)機(jī)組分別配備了相同的亞臨界600 MW汽輪機(jī)，圖1為其高調(diào)門噴嘴布置圖，圖2為其對應(yīng)的順序閥規(guī)律曲線。

圖1 機(jī)組閥門噴嘴布置圖

圖2 原順序閥規(guī)律

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

根據(jù)順序閥方式下配汽不平衡汽流力的作用機(jī)制，四調(diào)門汽輪機(jī)常用的“2→1→1”的噴嘴配汽設(shè)計(jì)原則包括以下四組

(1) GV1+GV4→GV3→GV2；

(2) GV1+GV4→GV2→GV3；

(3) GV2+GV3→GV4→GV1；

(4) GV2+GV3→GV1→GV4。

如圖3所示，為#2機(jī)組的四種進(jìn)汽規(guī)律測試試驗(yàn)結(jié)果。與先開GV2和GV3相比，機(jī)組先開GV1和GV4會(huì)產(chǎn)生更大的軸承振動(dòng)。其中，#2軸承振動(dòng)峰值接近160 um，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，放棄方案(1)和方案(2)。對比方案(3)和方案(4)，方案(4)軸振水平相對較小，且綜合考慮軸瓦溫度，方案(4)為四種方案中的最優(yōu)解。

圖3 #2機(jī)組閥組開關(guān)試驗(yàn)測試過程

對于四調(diào)門機(jī)組，傳統(tǒng)順序閥進(jìn)汽模式多采用上述“2→1→1”的設(shè)計(jì)原則，在機(jī)組軸振過高、影響安全運(yùn)行時(shí)則選擇切換至單閥運(yùn)行。實(shí)際上，在二者之間還有一種效率相對單閥運(yùn)行方式更優(yōu)的配汽運(yùn)行方式，即“2→2”的雙對角進(jìn)汽模式，已有實(shí)際機(jī)組進(jìn)行了應(yīng)用并取得了良好的應(yīng)用效果。然而，從長期低負(fù)荷運(yùn)行的角度來看，這種配汽方式的節(jié)流損失仍要高于傳統(tǒng)的“2→1→1”配汽模式。因此，為了兼顧機(jī)組長期運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了2種不同的進(jìn)汽模式。如圖4所示，方案一為常規(guī)對角進(jìn)汽模式GV2+GV3→GV1→GV4，通過加大重疊度來維持長期低負(fù)荷的安全高效性；在機(jī)組出現(xiàn)軸振超限的極端工況時(shí)，采用方案二的雙對角進(jìn)汽模式GV2+GV3→GV1+GV4。并且，參考單閥與

圖4 #2機(jī)組兩種順序閥規(guī)律設(shè)計(jì)方案

圖5 #2機(jī)組優(yōu)化后運(yùn)行狀態(tài)(方案一)

圖6 #2機(jī)組優(yōu)化后運(yùn)行狀態(tài)(方案二)

順序閥之間的切換方式，設(shè)計(jì)了兩種順序閥規(guī)律之間的切換邏輯。在軸振過大時(shí)切換為雙對角模式保障機(jī)組安全，有效應(yīng)對機(jī)組由于冬夏季背壓變化，使得汽流激振點(diǎn)出現(xiàn)偏移的問題。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證兩套規(guī)律的有效性，對設(shè)計(jì)的2種進(jìn)汽策略分別進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5和圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果可以看出：方案一和方案二都可以有效緩解汽流激振導(dǎo)致的軸振過大的問題，尤其雙對角進(jìn)汽的效果更好。

另一臺(tái)機(jī)組的測試結(jié)果如圖7和圖8所示，也取得了同樣優(yōu)化效果；尤其是極端工況時(shí)，雙對角進(jìn)汽模式對振動(dòng)失穩(wěn)有很好的抑制作用。該方法對另一電廠的2臺(tái)同類型600 MW機(jī)組通流改造后出現(xiàn)的汽流激振問題，也具有良好的治理效果。

圖7 #1機(jī)組開關(guān)試驗(yàn)測試過程

圖8 #1機(jī)組優(yōu)化后運(yùn)行狀態(tài)(雙對角進(jìn)汽)

4 結(jié)論及展望

本文針對2臺(tái)亞臨界600 MW汽輪機(jī)通流改造后在順序閥模式下出現(xiàn)汽流激振并導(dǎo)致軸承振動(dòng)超標(biāo)的問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了一種高調(diào)閥組進(jìn)汽模式切換組合方法，結(jié)論如下：

(1)對四組常規(guī)“2→1→1”順序閥方式進(jìn)行開關(guān)測試試驗(yàn)，得到機(jī)組的最佳噴嘴配汽方案；

(2)設(shè)計(jì)了雙對角“2→2”進(jìn)汽方案，可以有效緩解機(jī)組由于汽流激振引起的軸振過大的問題；可以有效應(yīng)對機(jī)組由于冬夏季背壓變化，使得汽流激振點(diǎn)出現(xiàn)偏移的問題；

(3)參考機(jī)組常規(guī)單閥-順序閥切換邏輯，設(shè)計(jì)了兩種順序閥規(guī)律的DEH改造方案，滿足夏季經(jīng)常切換的需求，兼顧了長期運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性；

實(shí)際多臺(tái)機(jī)組應(yīng)用測試效果顯示，該方法對通流改造引起的汽流激振問題具有良好的治理效果，具有一定實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。