段巖峰++蔡鼎++任國(guó)瑞++劉金龍

摘 要：汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥在進(jìn)行單閥/順序閥模式切換過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動(dòng)異常增大的問題。通過對(duì)實(shí)際機(jī)組異常過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)閥門切換時(shí)振動(dòng)異常與閥位晃動(dòng)存在相關(guān)性。在實(shí)際機(jī)組上開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過優(yōu)化閥門流量特性減小調(diào)節(jié)過程閥位晃動(dòng)，可以消除了這一異常問題。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 單閥控制 順序閥控制 模式切換 軸系振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK268 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（a）-0069-03

Experimental Research on the Abnormal Turbine Shaft Vibration Caused by Control Mode Switching of Governing Valves

DUAN Yanfeng1 CAI Ding2 REN Guorui2 LIU Jinlong3

（1.State Nuclear Hua Qing （Beijing） Nuclear Power Technology R & D Co.，Ltd.，Beijing 100190， China；2.College of Energy Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin Heilongjiang 150001， China；3.Harbin Institute of Technology Rentong science development Co.，Ltd，Harbin Heilongjiang，150001，China）

Abstract：Abnormal vibration may appear on steam turbine HP rotor-bearing system when control mode switches between throttle control and nozzle control. The data of a power plant unit is analyzed and the correlation between the abnormal vibration and the oscillation of governing valve position is found.The inference is demonstrated by a verification test on the unit， where the abnormal problem is eliminated by optimizing valve flow characteristic to reduce the valve oscillation.

Key words：Steam Turbine Throttle Control Nozzle Control Mode Switching Rotor-Bearing System Vibration

出于經(jīng)濟(jì)性考慮，汽輪機(jī)通常啟動(dòng)至額定功率穩(wěn)定運(yùn)行后，需切換為順序閥控制模式。此時(shí)，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)閥門的節(jié)流損失相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)性顯著提高。然而，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，許多機(jī)組在閥門切換時(shí)存在轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)振動(dòng)異常增大的問題，嚴(yán)重時(shí)引起振動(dòng)超限甚至碰摩等故障[1-3]。由于順序閥存在局部進(jìn)汽，使得軸系會(huì)受到徑向汽流力的作用，因此在順序閥工況下（局部進(jìn)汽），軸系的軸振幅值與單閥工況（全周進(jìn)汽）相比會(huì)發(fā)生一定變化，這是由于在順序閥工況下轉(zhuǎn)子受徑向汽流力影響使得軸承載荷發(fā)生變化，進(jìn)而影響軸系動(dòng)力學(xué)特性及振動(dòng)狀態(tài)[4-5]。

在維持機(jī)組功率不變的情況下，高壓調(diào)節(jié)閥在單閥和順序閥兩種狀態(tài)間的進(jìn)行切換，簡(jiǎn)稱為切換工況。切換工況也存在局部進(jìn)汽，通常持續(xù)3～4 min，其引起的徑向汽流力應(yīng)大于單閥工況而小于順序閥工況，因此如果切換過程平穩(wěn)，徑向氣流力相應(yīng)平穩(wěn)變化，對(duì)應(yīng)軸振幅值應(yīng)介于單閥和順序閥工況之間。然而實(shí)際中很多閥門切換工況下軸振會(huì)異常增大，既高于單閥工況，也高于順序閥工況，且這一現(xiàn)象比較普遍。由于切換過程較短，此類問題較少得到關(guān)注，但嚴(yán)重情況下會(huì)使得機(jī)組無法順利投運(yùn)順序閥、甚至引起故障，影響機(jī)組正常運(yùn)行。

1 振動(dòng)異常現(xiàn)象描述

下面通過在某600MW機(jī)組上開展閥門切換實(shí)驗(yàn)，來復(fù)現(xiàn)并分析高壓調(diào)節(jié)閥門切換過程中振動(dòng)異常問題。該600MW機(jī)組的順序閥方案為GV1+GV3-GV2-GV4（閥門布置方案參見圖1），即升功率過程先同時(shí)開啟高壓調(diào)節(jié)閥GV1和GV3，再依次開啟GV2和GV4。因?yàn)閷儆趯?duì)角進(jìn)汽（同時(shí)開啟的GV1和GV3處于對(duì)角位置），所以徑向氣流力比順序進(jìn)汽已大大減小，順序閥工況下#1和#2軸承左右軸振僅略高于單閥工況，因此切換過程中軸振異常增大的問題顯現(xiàn)出來，尤其是#2瓦左軸振，達(dá)到了機(jī)組振動(dòng)報(bào)警值，如圖2所示。

2 問題分析

通過對(duì)切換工況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無論單閥切換順序閥過程，還是順序閥切換單閥過程，都存在GV1和GV3閥位劇烈晃動(dòng)的階段，而且與軸振異常增大出現(xiàn)在相同時(shí)刻，說明閥位晃動(dòng)與異常問題之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，如圖3所示。

閥位晃動(dòng)時(shí)其開度介于30%和40%之間，尚未達(dá)到全開，此時(shí)閥位變化應(yīng)該對(duì)主蒸汽流量有較大影響。汽輪機(jī)的主蒸汽流量與調(diào)節(jié)級(jí)壓力有著強(qiáng)相關(guān)性，對(duì)圖3所示切換過程的調(diào)節(jié)級(jí)壓力進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)在閥位晃動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)壓力也在劇烈波動(dòng)，波動(dòng)量高達(dá)10%～15%，說明主蒸汽流量也在大幅波動(dòng)，如圖4所示。

主蒸汽流量的大幅波動(dòng)必然引起徑向汽流力突變，使得轉(zhuǎn)子受力相應(yīng)發(fā)生突變，對(duì)轉(zhuǎn)子形成了瞬態(tài)沖擊。綜合以上分析可知，當(dāng)閥門切換工況發(fā)生閥位晃動(dòng)時(shí)，主蒸汽流量隨之大幅波動(dòng)，徑向汽流力發(fā)生突變，軸系因此受到反復(fù)沖擊，導(dǎo)致軸振值增大。endprint

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，在前述600MW機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期望通過減小切換過程閥位晃動(dòng)來消除軸振異常。閥位晃動(dòng)的原因通常在于機(jī)組DEH系統(tǒng)中設(shè)定的閥門流量特性與實(shí)際特性不匹配，導(dǎo)致實(shí)際調(diào)節(jié)中偏差過大，在流量信號(hào)反饋?zhàn)饔孟乱鹫{(diào)節(jié)指令振蕩[6]。對(duì)該機(jī)組進(jìn)行閥門流量特性優(yōu)化，并開展閥門切換實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動(dòng)現(xiàn)象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結(jié)果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調(diào)節(jié)閥閥位晃動(dòng)，根本原因在于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性不準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥模式切換時(shí)軸系振動(dòng)異常增大的直接原因?yàn)閺较蚱髁ν蛔儧_擊。汽流力突變是由于切換時(shí)閥位晃動(dòng)引起主蒸汽流量波動(dòng)所致，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性，達(dá)到與實(shí)際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動(dòng)問題，進(jìn)而解決振動(dòng)異常。由于閥門流量特性不準(zhǔn)確的問題普遍存在于汽輪發(fā)電機(jī)組中，所以此類異常問題比較常見。這對(duì)國(guó)內(nèi)許多機(jī)組的優(yōu)化改造具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] P.Lampart，M.Szymaniak，A.Karda.Unsteady Forces Acting on Rotor Blades of a Large Power Steam Turbin.e Control Stage at Different Levels of Partial Admission[J].Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery，2003，114：5-17.

[2] 向麗暉，龐亞寧.機(jī)組進(jìn)汽方式對(duì)軸振瓦溫的影響[J].華北電力技術(shù)，2007（2）：4

8-51.

[3] 葛慶，彭喜忠.600MW機(jī)組不同進(jìn)汽方式汽流對(duì)軸系的干擾研究[J].熱力透平，2008，37（1）：35-38.

[4] 于達(dá)仁，劉占生，李強(qiáng)，等.汽輪機(jī)配汽設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].動(dòng)力工程，2007，27（1）：1-5.

[5] Daren Yu，Yanfeng Duan，Jinfu Liu，Zhansheng Liu，Qinghua Hu.Experimental Study on Fault Caused by Partial Arc Steam Forces and Its Economic Solution[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132（6）.

[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2006（3）：80-83.endprint

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，在前述600MW機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期望通過減小切換過程閥位晃動(dòng)來消除軸振異常。閥位晃動(dòng)的原因通常在于機(jī)組DEH系統(tǒng)中設(shè)定的閥門流量特性與實(shí)際特性不匹配，導(dǎo)致實(shí)際調(diào)節(jié)中偏差過大，在流量信號(hào)反饋?zhàn)饔孟乱鹫{(diào)節(jié)指令振蕩[6]。對(duì)該機(jī)組進(jìn)行閥門流量特性優(yōu)化，并開展閥門切換實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動(dòng)現(xiàn)象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結(jié)果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調(diào)節(jié)閥閥位晃動(dòng)，根本原因在于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性不準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥模式切換時(shí)軸系振動(dòng)異常增大的直接原因?yàn)閺较蚱髁ν蛔儧_擊。汽流力突變是由于切換時(shí)閥位晃動(dòng)引起主蒸汽流量波動(dòng)所致，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性，達(dá)到與實(shí)際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動(dòng)問題，進(jìn)而解決振動(dòng)異常。由于閥門流量特性不準(zhǔn)確的問題普遍存在于汽輪發(fā)電機(jī)組中，所以此類異常問題比較常見。這對(duì)國(guó)內(nèi)許多機(jī)組的優(yōu)化改造具有一定的借鑒意義。

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[4] 于達(dá)仁，劉占生，李強(qiáng)，等.汽輪機(jī)配汽設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].動(dòng)力工程，2007，27（1）：1-5.

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[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2006（3）：80-83.endprint

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，在前述600MW機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，期望通過減小切換過程閥位晃動(dòng)來消除軸振異常。閥位晃動(dòng)的原因通常在于機(jī)組DEH系統(tǒng)中設(shè)定的閥門流量特性與實(shí)際特性不匹配，導(dǎo)致實(shí)際調(diào)節(jié)中偏差過大，在流量信號(hào)反饋?zhàn)饔孟乱鹫{(diào)節(jié)指令振蕩[6]。對(duì)該機(jī)組進(jìn)行閥門流量特性優(yōu)化，并開展閥門切換實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動(dòng)現(xiàn)象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結(jié)果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調(diào)節(jié)閥閥位晃動(dòng)，根本原因在于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性不準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥模式切換時(shí)軸系振動(dòng)異常增大的直接原因?yàn)閺较蚱髁ν蛔儧_擊。汽流力突變是由于切換時(shí)閥位晃動(dòng)引起主蒸汽流量波動(dòng)所致，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門流量特性，達(dá)到與實(shí)際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動(dòng)問題，進(jìn)而解決振動(dòng)異常。由于閥門流量特性不準(zhǔn)確的問題普遍存在于汽輪發(fā)電機(jī)組中，所以此類異常問題比較常見。這對(duì)國(guó)內(nèi)許多機(jī)組的優(yōu)化改造具有一定的借鑒意義。

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[5] Daren Yu，Yanfeng Duan，Jinfu Liu，Zhansheng Liu，Qinghua Hu.Experimental Study on Fault Caused by Partial Arc Steam Forces and Its Economic Solution[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132（6）.

[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2006（3）：80-83.endprint