陳丹，高進(jìn)，文圓圓，董衛(wèi)紅，李溶江

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

660 MW超超臨界二次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)特性分析

陳丹，高進(jìn)，文圓圓，董衛(wèi)紅，李溶江

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

二次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段火力發(fā)電向高效清潔發(fā)電轉(zhuǎn)變的有效手段，為保證機(jī)組運(yùn)行安全性，對(duì)機(jī)組振動(dòng)特性進(jìn)行了分析計(jì)算。建立軸系的連續(xù)質(zhì)量模型，采用傳遞矩陣法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明軸系的振動(dòng)特性合格，軸系不會(huì)因?yàn)楣舱穸茐?，在兩相短路工況下的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度是合格的。

二次再熱，彎曲振動(dòng)，不平衡響應(yīng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

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(guó)內(nèi)煤炭資源豐富、價(jià)格相對(duì)低廉，我國(guó)成為了世界煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國(guó)。以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)支撐了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，也導(dǎo)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(guó)際上碳減排的壓力。

在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中仍將占主導(dǎo)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(guò)加快發(fā)展高效燃煤發(fā)電和升級(jí)改造、實(shí)施燃煤鍋爐提升工程，以實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用[1]。

在這種形勢(shì)下，大容量、高參數(shù)、低熱耗的二次再熱火電技術(shù)符合國(guó)家低碳環(huán)保、節(jié)能減排的要求，是實(shí)現(xiàn)清潔高效燃煤發(fā)電的切實(shí)可行的有效手段，是大型燃煤機(jī)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(jī)組能夠長(zhǎng)期平穩(wěn)地安全運(yùn)行，在軸系設(shè)計(jì)階段就要進(jìn)行機(jī)組軸系的振動(dòng)特性分析。

軸系振動(dòng)特性的主要內(nèi)容是軸系彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，兩者分別為機(jī)組轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子上的主動(dòng)力矩與發(fā)電機(jī)制動(dòng)力矩之間的平衡在受到擾動(dòng)時(shí)誘發(fā)的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

而二次再熱機(jī)組由于其特殊性，不僅需要關(guān)注軸系彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，還需要考慮在蒸汽參數(shù)的提高為機(jī)組帶來(lái)熱效率提高的同時(shí)，也極大地增加了機(jī)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(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生極大的低頻振動(dòng)，誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，影響機(jī)組出力。

因此，軸系振動(dòng)特性分析需要對(duì)軸系彎曲振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速、質(zhì)量不平衡響應(yīng)、軸系穩(wěn)定性、扭振固有頻率和響應(yīng)及其剪切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

本文采用傳遞矩陣法來(lái)計(jì)算軸系振動(dòng)特性。傳遞矩陣法運(yùn)用某一傳遞矩陣來(lái)決定單元兩端截面的狀態(tài)，在進(jìn)行軸系分析時(shí)只需對(duì)低階次的矩陣進(jìn)行連續(xù)的矩陣乘法運(yùn)算，在求解時(shí)也只需計(jì)算低階次的傳遞矩陣和行列式值，具有計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 軸系彎曲振動(dòng)分析

軸承油膜的剛度及阻尼特性，對(duì)軸系的臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)有較大的影響，對(duì)軸系的穩(wěn)定性起著決定性的作用。合理地簡(jiǎn)化軸承參數(shù)能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出軸系振動(dòng)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(wú)阻尼臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

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

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

圖1 軸系簡(jiǎn)圖

將軸系?；癁?63個(gè)軸段，其中超高壓轉(zhuǎn)子45段，高中壓轉(zhuǎn)子56段，A低壓轉(zhuǎn)子58段，B低壓轉(zhuǎn)子58段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子46段，軸系計(jì)算模型見圖2。

圖2 軸系計(jì)算模型

計(jì)算得到軸系各階無(wú)阻尼臨界轉(zhuǎn)速見表1。軸系各階臨界轉(zhuǎn)速避開了工作轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）的-10%～+15%，且計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值重合度較高，可見本文所用的軸系?；椒俺绦蚴强煽康模S系設(shè)計(jì)是合理的。

表1 軸系各階臨界轉(zhuǎn)速單位：r/min

1.2 軸系不平衡響應(yīng)計(jì)算

根據(jù)GB/T 9239在各轉(zhuǎn)子上施加一階和二階不平衡量，計(jì)算出各軸承處不平衡響應(yīng)的峰值見表2?？梢姼鬏S承處響應(yīng)峰值均小于50 μm，滿足《“85”大機(jī)組軸系振動(dòng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中對(duì)不平衡響應(yīng)的要求。

表2 各軸承處振動(dòng)響應(yīng)峰值

1.3 軸系穩(wěn)定性計(jì)算

汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全可靠性。一般情況下系統(tǒng)對(duì)于蒸汽激勵(lì)的穩(wěn)定性裕度由高壓型轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速大于0．5 N來(lái)保證，但是二次再熱機(jī)組蒸汽參數(shù)提高，導(dǎo)致超高壓缸進(jìn)汽密度增大、流速提高，且超高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量小，使得轉(zhuǎn)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(jī)組汽流激振，需要優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)子剛度、臨界轉(zhuǎn)速，降低其強(qiáng)迫擾動(dòng)系數(shù)。

（2）超高壓、高中壓轉(zhuǎn)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(dāng)增大汽封間隙，采用防旋汽封，使汽流在流入汽封時(shí)圓周上均勻流動(dòng)。

（4）充分考慮各軸承在運(yùn)行狀態(tài)下的標(biāo)高變化量，合理地設(shè)計(jì)軸系安裝曲線，以保證運(yùn)行狀態(tài)下軸系的旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心一致。

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

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

軸系對(duì)數(shù)衰減率計(jì)算結(jié)果見表3，對(duì)數(shù)衰減率最小為0．15，滿足規(guī)范要求。

表3 軸系對(duì)數(shù)衰減率

2 軸系扭振振動(dòng)分析

2.1 軸系扭振固有頻率的計(jì)算

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得日益復(fù)雜，呈現(xiàn)出電力負(fù)荷多樣化、輸電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化的特征。汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量也隨之不斷增大，軸系長(zhǎng)度加長(zhǎng)，軸系抗扭安全系數(shù)降低，導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)在受到較嚴(yán)重的機(jī)電擾動(dòng)時(shí)，引起同步發(fā)電機(jī)的電磁力矩偏離穩(wěn)定值，并使汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間失去平衡，激起軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而在機(jī)組軸系的某些截面處產(chǎn)生過(guò)大的交變扭應(yīng)力，影響軸系安全，最終導(dǎo)致軸系的疲勞損壞甚至沖擊性破壞。

由于客觀上無(wú)法消除和避免各種電力系統(tǒng)的機(jī)電擾動(dòng)及汽輪發(fā)電機(jī)組的非正常運(yùn)行方式，為了避免軸系扭振的發(fā)生，需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行詳細(xì)的扭振計(jì)算，對(duì)機(jī)組扭振特性進(jìn)行校核，保證汽輪發(fā)電機(jī)組扭振固有頻率的避開率[4-5]。

建立連續(xù)質(zhì)量等效模型，保證簡(jiǎn)化后的軸段扭轉(zhuǎn)剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和長(zhǎng)度不變，采用Ricccati傳遞矩陣法進(jìn)行軸系扭振頻率與振型的計(jì)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(duì)于工頻及倍頻的避開率均大于±10%，滿足ISO 22266及西屋公司關(guān)于扭振固有頻率避開率的要求，軸系設(shè)計(jì)是合理的。

2.2 電氣故障時(shí)的軸系扭振響應(yīng)及強(qiáng)度分析

機(jī)組在發(fā)生兩相短路或者三相短路時(shí)，短路應(yīng)力有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子破壞，因此必須計(jì)算短路工況下轉(zhuǎn)子薄弱部位的剪應(yīng)力。

兩相短路時(shí)各軸承對(duì)應(yīng)軸頸處剪應(yīng)力見表5，兩相短路時(shí)各聯(lián)軸器螺栓應(yīng)力見表6?？梢姡瑑上喽搪窌r(shí)軸頸強(qiáng)度、聯(lián)軸器螺栓強(qiáng)度均合格。

表5 兩相短路時(shí)軸頸剪應(yīng)力

表6 兩相短路時(shí)聯(lián)軸器螺栓應(yīng)力

3 機(jī)組投運(yùn)振動(dòng)情況

消除汽流激振不僅需要在設(shè)計(jì)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，還需要從安裝和維修這兩個(gè)方面著手，在機(jī)組安裝、檢修時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制軸系揚(yáng)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(guò)大。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的軸系振動(dòng)特性是機(jī)組從設(shè)計(jì)制造到安裝各階段影響因素作用在軸系上的最終結(jié)果，是考核機(jī)組振動(dòng)品質(zhì)的依據(jù)。

機(jī)組已于2015年6月正式投入生產(chǎn)，帶滿負(fù)荷時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)見圖3。

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

圖3 機(jī)組帶滿負(fù)荷時(shí)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文針對(duì)660 MW超超臨界二次再熱機(jī)組軸系動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，經(jīng)與機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明本文分析方法可靠，滿足高參數(shù)機(jī)組軸系安全性的設(shè)計(jì)要求。

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[4]孫和泰.大型汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系扭振探討:大型發(fā)電機(jī)組振動(dòng)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2003:168-171.

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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(xué)制造科學(xué)與技術(shù)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。