丁陽(yáng)俊，印旭洋，顧正皓，吳瑞康，張 寶

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.浙江國(guó)華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

0 引言

隨著節(jié)能減排項(xiàng)目的深入推廣，汽輪機(jī)的通流改造已廣泛應(yīng)用于600 MW級(jí)機(jī)組中，通流改造過(guò)程中，汽輪機(jī)軸系、汽封間隙等重新進(jìn)行了調(diào)整，會(huì)在一定程度上影響汽輪機(jī)的配汽特性。由于電網(wǎng)總裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的大容量機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行，機(jī)組大部分時(shí)間不能滿負(fù)荷運(yùn)行，很多機(jī)組都進(jìn)行了配汽方式優(yōu)化改造。而通流改造后，機(jī)組原來(lái)的配汽方式優(yōu)化方案已經(jīng)不適用于新的運(yùn)行條件，導(dǎo)致順序閥不能正常投運(yùn)，或者機(jī)組在順序閥配汽方式下運(yùn)行時(shí)，安全穩(wěn)定性降低，甚至發(fā)生軸承損壞或者振動(dòng)大導(dǎo)致的停機(jī)[1-4]。如果機(jī)組長(zhǎng)期在單閥方式下運(yùn)行，效率較低，嚴(yán)重影響機(jī)組通流改造的效益，致使改造成本無(wú)法收回，且機(jī)組節(jié)能減排目標(biāo)無(wú)法完成[5-6]。因此，需要對(duì)機(jī)組通流改造后的順序閥投運(yùn)方式進(jìn)行研究，雖然在實(shí)施的過(guò)程中遇到一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)合理的試驗(yàn)和細(xì)致的分析，這些問(wèn)題均得到了相應(yīng)的處理。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介及順序閥投運(yùn)情況

某發(fā)電廠4臺(tái)機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，改造前型號(hào)為N600-16.7/538/538，經(jīng)上海汽輪機(jī)廠采用先進(jìn)的AIBT（其核心是變反動(dòng)度彎扭葉片的設(shè)計(jì)理念）通流技術(shù)進(jìn)行增容提效改造[7]，改造后型號(hào)為N630-16.7/538/538。機(jī)組汽輪機(jī)汽門包括2只高壓主汽門（TV1和TV2），4只高壓調(diào)門（GV1-GV4），2只中壓主汽門（RSV1和RSV2）和2只中壓調(diào)門（IV1-IV2）。設(shè)計(jì)配汽方式有單閥方式與順序閥方式，原設(shè)計(jì)順序閥配汽方式的閥序?yàn)镚V3/GV4-GV1-GV2，各汽門布置相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 高壓調(diào)節(jié)汽門布置與開(kāi)啟順序

在率先完成通流改造的4號(hào)機(jī)組順序閥投運(yùn)時(shí)出現(xiàn)軸承溫度高和振動(dòng)大的問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)組一直只能采用單閥配汽方式運(yùn)行。按照制造廠說(shuō)明，600 MW亞臨界機(jī)組通流改造完成3～6個(gè)月后，配汽方式可由單閥配汽切換為順序閥配汽。經(jīng)調(diào)研獲悉，同類型機(jī)組通流改造后尚無(wú)投入順序閥方式運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)，如果機(jī)組通流改造后不能投入順序閥運(yùn)行，將會(huì)影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 振動(dòng)大和瓦溫高原因分析

2.1 配汽方式對(duì)軸系的影響

在正常情況下，汽輪機(jī)葉片的受力與沖動(dòng)該部分葉片的蒸汽流量成正比，而蒸汽流量與高壓調(diào)門閥位正相關(guān)，閥位越大葉片受力越大。假設(shè)向下及向右方向受力為正，受力分析及熱電偶布置見(jiàn)圖2，方向?yàn)橛善啓C(jī)側(cè)向發(fā)電機(jī)側(cè)看。

轉(zhuǎn)子所受汽流力分析如下：

式中：Fqx為轉(zhuǎn)子水平方向受的合力；Fqy為轉(zhuǎn)子豎直方向受的合力；ax，bx，cx，dx分別為高壓缸進(jìn)汽口1，2，3，4所對(duì)應(yīng)的葉片水平方向受的力；ay，by，cy，dy分別為高壓缸進(jìn)汽口 1，2，3，4所對(duì)應(yīng)的葉片豎直方向受的力。

按制造廠提供的順序閥閥序GV3/GV4-GV1-GV2分析，當(dāng)GV3與GV4處于全開(kāi)狀態(tài)，GV1有一定的開(kāi)度，GV2處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，機(jī)組高壓缸所受的汽流力Fqx＞0，F(xiàn)qy＜0。此時(shí)的配汽方式對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力向右向上，故1號(hào)、2號(hào)軸承載荷減少，瓦溫也下降。而對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，由于產(chǎn)生了一個(gè)上抬的力，轉(zhuǎn)子與軸瓦的間隙增大，油膜厚度變大，油膜剛度減小，軸系的穩(wěn)定性變差，但由于1號(hào)、2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于橢圓瓦軸承，正好在一定程度上彌補(bǔ)軸承載荷的變化對(duì)軸承穩(wěn)定性的影響[8-10]。

2.2 汽流激振力對(duì)軸系的影響

汽輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的汽流激振現(xiàn)象不可避免，汽流激振會(huì)使軸系穩(wěn)定性降低，從而誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，增加軸系穩(wěn)定性的關(guān)鍵是避免共振，這種共振的起因是汽輪機(jī)局部渦流與主流蒸汽旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏離軸心，造成軸承的過(guò)載和虛載，從而引起振動(dòng)。汽流激振力呈非線性變化，渦動(dòng)速度、自轉(zhuǎn)速度、渦動(dòng)半徑、壓比以及交互作用對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性均有一定的影響，所以計(jì)算汽流激振力下轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性需要考慮很多因素[11]。

改造前，汽輪機(jī)不允許對(duì)角進(jìn)汽，動(dòng)葉葉頂汽封為2級(jí)，如圖3所示。改造后，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉激振力考核，汽輪機(jī)允許采用對(duì)角進(jìn)汽的方式。在此前提下，為了提高調(diào)節(jié)級(jí)效率的每一個(gè)細(xì)節(jié)，將動(dòng)葉葉頂汽封增加到5級(jí)，如圖4所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，認(rèn)為雖然增加了動(dòng)葉葉頂阻尼，但對(duì)角進(jìn)汽可緩解不平衡激振力。改造后的實(shí)際情況表明：汽流激振力的計(jì)算存在許多不確定性，增加動(dòng)葉葉頂汽封的設(shè)計(jì)并沒(méi)有避開(kāi)葉頂汽封渦流與主流的共振點(diǎn)。

圖4 通流改造后調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉頂部汽封齒結(jié)構(gòu)

2.3 振動(dòng)報(bào)警值偏保守

振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11348.2-2012中規(guī)定了汽輪發(fā)電機(jī)組各區(qū)域轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)位移的界限值，如表1所示[12]。

區(qū)域B的定義為：振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組通常認(rèn)為是合格的，可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

區(qū)域C的定義為：振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組，對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行而言，通常認(rèn)為是不合格的。一般來(lái)說(shuō)，在有合適機(jī)會(huì)采取補(bǔ)救措施之前，機(jī)組在這種狀態(tài)下可以運(yùn)行有限的一段時(shí)間。

該機(jī)組振動(dòng)報(bào)警值為125μm，觀察順序閥投運(yùn)時(shí)2號(hào)軸承的振動(dòng)變化曲線如圖5所示，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)并非突然增大，而是逐步變大，有一個(gè)變化過(guò)程，對(duì)于國(guó)內(nèi)并網(wǎng)機(jī)組（額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min）而言，此報(bào)警值明顯偏保守。

表1 各區(qū)域轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)位移界限

圖5 2+1+1閥序試驗(yàn)過(guò)程中2號(hào)軸承振動(dòng)變化趨勢(shì)

3 處理措施

在確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，與制造廠和業(yè)主共同研討，確定針對(duì)順序閥投運(yùn)過(guò)程中振動(dòng)大和瓦溫高的處理措施。

3.1 在線處理措施

為使機(jī)組能盡快投入順序閥運(yùn)行，重點(diǎn)是對(duì)機(jī)組配汽曲線進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整高壓調(diào)門的流量線性特性及重疊度。為了確保配汽方式改變前后，汽輪機(jī)軸承金屬溫度與振動(dòng)變化幅度小、順序閥方式運(yùn)行時(shí)閥門晃動(dòng)小、切換時(shí)參數(shù)波動(dòng)量小、順序閥方式運(yùn)行時(shí)機(jī)組協(xié)調(diào)工作正常，依次對(duì)機(jī)組進(jìn)行高壓調(diào)門關(guān)閉試驗(yàn)、負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)和配汽方式切換試驗(yàn)[13]，其中，負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)和配汽方式切換試驗(yàn)按2+2方式和2+1+1方式（按不同重疊度）分別進(jìn)行。

高壓調(diào)門關(guān)閉試驗(yàn)分為2步：

（1）第1步為單個(gè)閥門關(guān)閉試驗(yàn)，負(fù)荷470 MW工況時(shí)，按順序依次單獨(dú)關(guān)閉GV1，GV2，GV3及GV4，觀察三閥全開(kāi)、單閥關(guān)閉時(shí)1號(hào)、2號(hào)軸承振動(dòng)及瓦溫情況。從試驗(yàn)情況來(lái)看，關(guān)閉GV1至3%時(shí)，2號(hào)軸承X方向振動(dòng)超過(guò)130μm，關(guān)閉GV2和GV3至5%～9%時(shí)，1號(hào)、2號(hào)軸承振動(dòng)均超過(guò)了報(bào)警值125μm，且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，1號(hào)軸承溫度最高到92℃，因此未能全關(guān)。GV4在關(guān)閉過(guò)程中，振動(dòng)未超限，最大值約為100μm。因此在后續(xù)的兩閥關(guān)閉試驗(yàn)中，以先關(guān)GV4為基礎(chǔ)，進(jìn)行GV2/GV3-GV1-GV4（對(duì)角進(jìn)汽方式）和GV1/GV2-GV3-GV4（下進(jìn)汽方式）的試驗(yàn)。

（2）第2步為2個(gè)閥門關(guān)閉試驗(yàn)，在關(guān)閉GV4的基礎(chǔ)上，分別關(guān)閉GV1和GV3。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)角進(jìn)汽GV2/GV3-GV1-GV4方式時(shí)瓦溫和振動(dòng)均較好，下進(jìn)汽GV1/GV2-GV3-GV4方式時(shí)振動(dòng)較大，GV3未能全部關(guān)閉。高壓調(diào)門關(guān)閉試驗(yàn)結(jié)果可以基本確定4號(hào)機(jī)順序閥閥序?yàn)镚V2/GV3-GV1-GV4。

之后進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是2+2閥序（GV2/GV3-GV1/GV4）還是2+1+1閥序（GV2/GV3-GV1-GV4），當(dāng)GV4開(kāi)度在5%～9%時(shí)，2號(hào)軸承振動(dòng)均會(huì)超過(guò)報(bào)警值125μm，其中2+2閥序試驗(yàn)時(shí)最大值到130μm，2+1+1閥序試驗(yàn)時(shí)最大值到140μm，相對(duì)于原閥序GV3/GV4-GV1-GV2在閥點(diǎn)處2號(hào)軸承振動(dòng)的最大值240μm，都有明顯改善。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化后的流量特性曲線，如圖6所示[14-15]，經(jīng)過(guò)研究決定，將2號(hào)軸振報(bào)警值設(shè)置為150μm，并且在運(yùn)行規(guī)程中增設(shè)振動(dòng)超過(guò)165μm時(shí)切回單閥運(yùn)行方式的邏輯，跳機(jī)值仍為原設(shè)定值250μm，并增設(shè)延時(shí)5 s。

3.2 停機(jī)檢修處理措施

由于通流改造時(shí)，對(duì)汽封結(jié)構(gòu)的改造沒(méi)有避開(kāi)葉頂汽封渦流與主流的共振點(diǎn)，結(jié)合改造前的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，建議停機(jī)檢修時(shí)將5級(jí)汽封恢復(fù)為 2級(jí)，汽封間隙由 0.9～1.0 mm改為 1.4～1.5 mm，以增加動(dòng)葉進(jìn)口葉頂部的腔室容積，從而緩解汽流激振現(xiàn)象。同時(shí)，有機(jī)會(huì)時(shí)可以嘗試在2號(hào)軸瓦下加墊50μm，抬高軸瓦標(biāo)高，適當(dāng)減小軸瓦的寬度（如減小3 mm），以提高軸瓦的比壓，提高軸瓦的穩(wěn)定性。

該廠已經(jīng)在另一通流改造后的同類型機(jī)組上選擇性實(shí)施了上述停機(jī)檢修時(shí)的處理措施，順序閥投運(yùn)效果將會(huì)在機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行3～6個(gè)月后進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖6 優(yōu)化后的流量特性曲線

4 結(jié)論

目前該機(jī)組已經(jīng)采用在線處理措施，順序閥配汽方式投運(yùn)順利，1號(hào)、2號(hào)軸承溫度均未達(dá)到報(bào)警值，2號(hào)軸承振動(dòng)有短時(shí)超過(guò)150μm報(bào)警值的情況，但都未達(dá)到需撤出順序閥的定值（165μm）。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況看，采用新的流量特性曲線后，順序閥投運(yùn)時(shí)主汽壓力和負(fù)荷波動(dòng)明顯減小，該機(jī)組投運(yùn)順序閥安全可控。

根據(jù)性能試驗(yàn)單位對(duì)單閥、順序閥方式不同負(fù)荷工況下該機(jī)組發(fā)電煤耗的試驗(yàn)分析，機(jī)組全年按65%負(fù)荷率（409.5 MW）計(jì)，計(jì)算得到順序閥比單閥方式可降低發(fā)電煤耗6.20 g/kWh，全年投運(yùn)順序閥可節(jié)約標(biāo)煤約22 240.7 t，按2017年全年平均標(biāo)煤價(jià)759元/t計(jì)，合1 688.1萬(wàn)元。