陳丹，高進，文圓圓，董衛(wèi)紅，李溶江

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

660 MW超超臨界二次再熱汽輪發(fā)電機組軸系振動特性分析

陳丹，高進，文圓圓，董衛(wèi)紅，李溶江

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

二次再熱汽輪發(fā)電機組是實現(xiàn)現(xiàn)階段火力發(fā)電向高效清潔發(fā)電轉變的有效手段，為保證機組運行安全性，對機組振動特性進行了分析計算。建立軸系的連續(xù)質量模型，采用傳遞矩陣法進行計算。結果表明軸系的振動特性合格，軸系不會因為共振而破壞，在兩相短路工況下的轉子強度是合格的。

二次再熱，彎曲振動，不平衡響應，扭轉振動

Abstract：Double reheat steam turbine generator is an effective way to improve thermal efficiency and reduce the pollution.To ensure the safety of the generator,the vibration characteristics has been analyzed and calculated.The transfer matrix method is used to calculate the continuous model of the system.The results show that the shafting vibration characteristics are qualified,and the shafting will not damage by the resonance.The strength of the rotor is qualified under the condition of two-phase short circuit.

Key words：double reheat,bending vibration,unbalance response,torsional vibration

0 引言

由于國內(nèi)煤炭資源豐富、價格相對低廉，我國成為了世界煤炭生產(chǎn)和消費的第一大國。以煤炭為主的能源結構支撐了我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，也導致了生態(tài)環(huán)境面臨霧霾等多重污染的挑戰(zhàn)，承受著國際上碳減排的壓力。

在未來很長一段時期內(nèi)，煤炭在我國一次能源消費中仍將占主導地位。到2020年，電力耗煤占煤炭消耗的比重將提高到60%以上。作為高耗煤產(chǎn)業(yè)，火電行業(yè)有必要通過加快發(fā)展高效燃煤發(fā)電和升級改造、實施燃煤鍋爐提升工程，以實現(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用[1]。

在這種形勢下，大容量、高參數(shù)、低熱耗的二次再熱火電技術符合國家低碳環(huán)保、節(jié)能減排的要求，是實現(xiàn)清潔高效燃煤發(fā)電的切實可行的有效手段，是大型燃煤機組發(fā)展的方向[2]。

660 MW超超臨界二次再熱新建工程在現(xiàn)有的材料體系下，提高蒸汽參數(shù)采用二次再熱，主汽壓力提高至31 MPa，一次、二次再熱溫度提高至620℃。

為保證機組能夠長期平穩(wěn)地安全運行，在軸系設計階段就要進行機組軸系的振動特性分析。

軸系振動特性的主要內(nèi)容是軸系彎曲振動和扭轉振動，兩者分別為機組轉速在臨界轉速附近時對轉子彎曲固有特性的激發(fā)而引發(fā)的共振，以及蒸汽作用在汽輪機轉子上的主動力矩與發(fā)電機制動力矩之間的平衡在受到擾動時誘發(fā)的軸系扭轉振動。

而二次再熱機組由于其特殊性，不僅需要關注軸系彎曲振動和扭轉振動特性，還需要考慮在蒸汽參數(shù)的提高為機組帶來熱效率提高的同時，也極大地增加了機組發(fā)生汽流激振的概率。汽流激振將使軸系穩(wěn)定性降低，嚴重時甚至會產(chǎn)生極大的低頻振動，誘發(fā)轉子失穩(wěn)，影響機組出力。

因此，軸系振動特性分析需要對軸系彎曲振動的臨界轉速、質量不平衡響應、軸系穩(wěn)定性、扭振固有頻率和響應及其剪切應力進行計算。

本文采用傳遞矩陣法來計算軸系振動特性。傳遞矩陣法運用某一傳遞矩陣來決定單元兩端截面的狀態(tài)，在進行軸系分析時只需對低階次的矩陣進行連續(xù)的矩陣乘法運算，在求解時也只需計算低階次的傳遞矩陣和行列式值，具有計算效率高的優(yōu)點。

1 軸系彎曲振動分析

軸承油膜的剛度及阻尼特性，對軸系的臨界轉速和不平衡響應有較大的影響，對軸系的穩(wěn)定性起著決定性的作用。合理地簡化軸承參數(shù)能夠更準確地計算出軸系振動特性[3]。本文采用八參數(shù)模型等效各支持軸承。

1.1 軸系無阻尼臨界轉速的計算

汽輪發(fā)電機組軸系總長47．843 m，由超高壓轉子、高中壓轉子、A低壓轉子、B低壓轉子和發(fā)電機轉子組成。各轉子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。

軸系由10個軸承支撐，各轉子均采用雙支撐。其中超高壓轉子、高中壓轉子采用可傾瓦軸承支撐，A、B低壓轉子和發(fā)電機轉子采用橢圓軸承支撐。在超高壓轉子后端布置有推力軸承。軸系簡圖見圖1。

圖1 軸系簡圖

將軸系模化為263個軸段，其中超高壓轉子45段，高中壓轉子56段，A低壓轉子58段，B低壓轉子58段，發(fā)電機轉子46段，軸系計算模型見圖2。

圖2 軸系計算模型

計算得到軸系各階無阻尼臨界轉速見表1。軸系各階臨界轉速避開了工作轉速（3 000 r/min）的-10%～+15%，且計算結果與現(xiàn)場實測值重合度較高，可見本文所用的軸系?；椒俺绦蚴强煽康?，軸系設計是合理的。

表1 軸系各階臨界轉速單位：r/min

1.2 軸系不平衡響應計算

根據(jù)GB/T 9239在各轉子上施加一階和二階不平衡量，計算出各軸承處不平衡響應的峰值見表2?？梢姼鬏S承處響應峰值均小于50 μm，滿足《“85”大機組軸系振動設計導則》中對不平衡響應的要求。

表2 各軸承處振動響應峰值

1.3 軸系穩(wěn)定性計算

汽輪發(fā)電機組的軸系穩(wěn)定性直接關系到機組的安全可靠性。一般情況下系統(tǒng)對于蒸汽激勵的穩(wěn)定性裕度由高壓型轉子臨界轉速大于0．5 N來保證，但是二次再熱機組蒸汽參數(shù)提高，導致超高壓缸進汽密度增大、流速提高，且超高壓轉子質量小，使得轉子在巨大汽流切向力的作用下容易發(fā)生汽流激振，從而降低軸系穩(wěn)定性。

為消除機組汽流激振，需要優(yōu)化機組結構，減小汽流激振力并加大系統(tǒng)阻尼。采取的主要措施有：

（1）提高超高壓轉子剛度、臨界轉速，降低其強迫擾動系數(shù)。

（2）超高壓、高中壓轉子采用穩(wěn)定性好的可傾瓦軸承以增大系統(tǒng)阻尼。

（3）適當增大汽封間隙，采用防旋汽封，使汽流在流入汽封時圓周上均勻流動。

（4）充分考慮各軸承在運行狀態(tài)下的標高變化量，合理地設計軸系安裝曲線，以保證運行狀態(tài)下軸系的旋轉中心與幾何中心一致。

盡管通過一系列改進措施減小汽流激振力，在計算軸系穩(wěn)定性時，仍然需要同時考慮軸承和汽流激振力對軸系的影響，保證機組有足夠的安全裕度。

本文根據(jù)API684對軸系穩(wěn)定性進行校核，用對數(shù)衰減率作為判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標。在考慮汽流激振的情況下，保證工作轉速下軸系對數(shù)衰減率δ>0．1，則認為系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

軸系對數(shù)衰減率計算結果見表3，對數(shù)衰減率最小為0．15，滿足規(guī)范要求。

表3 軸系對數(shù)衰減率

2 軸系扭振振動分析

2.1 軸系扭振固有頻率的計算

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴大，電力系統(tǒng)結構變得日益復雜，呈現(xiàn)出電力負荷多樣化、輸電網(wǎng)絡復雜化的特征。汽輪發(fā)電機組單機容量也隨之不斷增大，軸系長度加長，軸系抗扭安全系數(shù)降低，導致機電系統(tǒng)在受到較嚴重的機電擾動時，引起同步發(fā)電機的電磁力矩偏離穩(wěn)定值，并使汽輪機驅動轉矩與發(fā)電機制動轉矩之間失去平衡，激起軸系的扭轉振動，從而在機組軸系的某些截面處產(chǎn)生過大的交變扭應力，影響軸系安全，最終導致軸系的疲勞損壞甚至沖擊性破壞。

由于客觀上無法消除和避免各種電力系統(tǒng)的機電擾動及汽輪發(fā)電機組的非正常運行方式，為了避免軸系扭振的發(fā)生，需要在設計階段就進行詳細的扭振計算，對機組扭振特性進行校核，保證汽輪發(fā)電機組扭振固有頻率的避開率[4-5]。

建立連續(xù)質量等效模型，保證簡化后的軸段扭轉剛度、轉動慣量和長度不變，采用Ricccati傳遞矩陣法進行軸系扭振頻率與振型的計算。軸系扭振固有頻率見表4。

表4 軸系扭振固有頻率

由表4可知，軸系的扭振固有頻率對于工頻及倍頻的避開率均大于±10%，滿足ISO 22266及西屋公司關于扭振固有頻率避開率的要求，軸系設計是合理的。

2.2 電氣故障時的軸系扭振響應及強度分析

機組在發(fā)生兩相短路或者三相短路時，短路應力有可能導致轉子破壞，因此必須計算短路工況下轉子薄弱部位的剪應力。

兩相短路時各軸承對應軸頸處剪應力見表5，兩相短路時各聯(lián)軸器螺栓應力見表6?？梢?，兩相短路時軸頸強度、聯(lián)軸器螺栓強度均合格。

表5 兩相短路時軸頸剪應力

表6 兩相短路時聯(lián)軸器螺栓應力

3 機組投運振動情況

消除汽流激振不僅需要在設計上優(yōu)化結構，還需要從安裝和維修這兩個方面著手，在機組安裝、檢修時應嚴格控制軸系揚度的汽封間隙，保證額定工況下各軸承穩(wěn)定性良好，防止汽封間隙偏差過大。

現(xiàn)場實測的軸系振動特性是機組從設計制造到安裝各階段影響因素作用在軸系上的最終結果，是考核機組振動品質的依據(jù)。

機組已于2015年6月正式投入生產(chǎn)，帶滿負荷時的振動數(shù)據(jù)見圖3。

由圖3可以看出，電機后軸頸Y方向振動值為64.52 μm，其余各軸頸在X方向和Y方向的振動值均小于50 μm。電機后軸承座振動值為33.71 μm，其余各軸承座振動值均小于20 μm。機組實際運行狀況良好，各軸承瓦溫均小于90℃，振動表現(xiàn)良好。

圖3 機組帶滿負荷時實測振動數(shù)據(jù)

4 結論

本文針對660 MW超超臨界二次再熱機組軸系動力學特性進行了分析，經(jīng)與機組現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，表明本文分析方法可靠，滿足高參數(shù)機組軸系安全性的設計要求。

[1]申宇,謝君.火力發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排策略淺析[J].能源與節(jié)能,2012,(6):49-50.

[2]余炎,劉曉瀾,范世望.二次再熱汽輪機關鍵技術分析及探討[J].熱力透平,2013,42(2):69-72.

[3]胡建濤.600 MW汽輪發(fā)電機組轉子軸系振動特性研究[D].華北電力大學,2013.

[4]孫和泰.大型汽輪發(fā)電機組的軸系扭振探討:大型發(fā)電機組振動和轉子動力學學術會議論文集[C].2003:168-171.

[5]盧明.汽輪發(fā)電機組軸系扭振及其抑制措施[J].華東科技（學術版）,2012,(3):20.

Shafting Vibration Characteristic Analysis of 660 MW Ultra supercritical Steam Turbine Unit with Double Reheat Cycle

Chen Dan， Gao Jin， Wen Yuanyuan， Dong Weihong， Li Rongjiang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK62

A

1674-9987（2017）03-0006-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.002

陳丹 （1986-），女，碩士，工程師，畢業(yè)于四川大學制造科學與技術學院機械設計及理論專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機設計工作。