劉 杰,范志雄,丁兆田,丁書(shū)東

(中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

某煤化工企業(yè)熱電動(dòng)力中心由4臺(tái)465 t/h高壓煤粉鍋爐和3臺(tái)50 MW抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組組成，其中3臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組按照熱電聯(lián)產(chǎn)、以熱定電的原則配置，除發(fā)電外還承擔(dān)著向整個(gè)工廠供熱和供熱平衡調(diào)節(jié)的關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

汽輪發(fā)電機(jī)組自2018年11月3日開(kāi)始試車(chē)，期間1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組相繼暴露出2號(hào)軸承振動(dòng)大且不穩(wěn)定、汽輪機(jī)負(fù)脹差超報(bào)警值等共性技術(shù)難題，經(jīng)多次調(diào)整試車(chē)均未能解決，嚴(yán)重制約了汽輪發(fā)電機(jī)組(以下稱(chēng)“發(fā)電機(jī)組”)乃至全廠的試車(chē)進(jìn)度。

1 試車(chē)問(wèn)題概況

1.1 2號(hào)軸承振動(dòng)情況介紹

1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組試車(chē)過(guò)程中，2號(hào)軸承振動(dòng)均表征為在1 000 r/min低速暖機(jī)時(shí)即振動(dòng)值偏高，且隨轉(zhuǎn)速上升而同步增大的狀況，不能滿(mǎn)足安全平穩(wěn)運(yùn)行的基本要求。軸承振動(dòng)情況見(jiàn)表2。

表2 1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組試車(chē)過(guò)程中2號(hào)軸承振動(dòng)情況

注：表中A、B是指機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)振通道，分別對(duì)應(yīng)于軸承振動(dòng)的x、y向振值。

鑒于2號(hào)軸承振動(dòng)大，1號(hào)發(fā)電機(jī)組降低轉(zhuǎn)速后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)汽輪機(jī)膨脹和滑銷(xiāo)系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)量檢查。現(xiàn)場(chǎng)僅在靠A通道側(cè)測(cè)得后汽缸座架出現(xiàn)0.10 mm間隙，超出設(shè)計(jì)≯0.05 mm的要求。針對(duì)此情況，隨后采取了降低凝汽器彈簧高度、熱態(tài)緊固后汽缸座架螺栓等措施，但效果不佳， 2號(hào)軸承振動(dòng)值仍偏高且大幅波動(dòng)，機(jī)組無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行(見(jiàn)圖1，圖中上面曲線為A通道振值，下面曲線為B通道振值)。2號(hào)發(fā)電機(jī)組情況與1號(hào)發(fā)電機(jī)組一致，也無(wú)法平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 1號(hào)發(fā)電機(jī)組初步調(diào)整后2號(hào)軸承振動(dòng)情況

1.2 汽輪機(jī)負(fù)脹差超報(bào)警值

1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組在多次試車(chē)中均出現(xiàn)負(fù)脹差超報(bào)警值問(wèn)題，且隨負(fù)荷增大呈繼續(xù)增大的趨勢(shì)，經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍無(wú)法解決。負(fù)脹差超報(bào)警值情況見(jiàn)表3。負(fù)脹差過(guò)大即表明機(jī)組動(dòng)、靜部分間隙減小，易造成動(dòng)靜碰摩，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

注：以上情況均為非滿(mǎn)負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下的負(fù)脹差情況，2號(hào)發(fā)電機(jī)組改造前共試車(chē)2次。

2 原因分析

本發(fā)電機(jī)組工作過(guò)程中，蒸汽在汽輪機(jī)中做完功后，自后汽缸(低壓缸)經(jīng)排汽接管向下進(jìn)入凝汽器冷凝。凝汽器位于后汽缸下方，安裝于彈簧底座上。凝汽器南側(cè)與4根循環(huán)水管連接，2進(jìn)2出垂直安裝，每根管道上均安裝雙波金屬膨脹節(jié)，管道垂直段與地下水平段連接彎頭處采用剛性支撐固定。汽輪機(jī)及凝汽器布置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 汽輪機(jī)及凝汽器布置結(jié)構(gòu)示意

2號(hào)軸承為座缸安裝，安裝位置在后汽缸缸體上，受后汽缸的影響較大，故重點(diǎn)對(duì)后汽缸對(duì)2號(hào)軸承的影響進(jìn)行分析。

結(jié)合1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)組試運(yùn)時(shí)2號(hào)軸承振動(dòng)上升最快、振值最大，且1 000 r/min時(shí)均在A通道側(cè)后汽缸座架測(cè)得間隙由啟動(dòng)前的0.05 mm以下上升至0.10 mm以上的情況，初步判斷后汽缸處受到異常應(yīng)力作用導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生位移，故在2號(hào)軸承振動(dòng)問(wèn)題上重點(diǎn)對(duì)后汽缸和凝汽器的受力狀況及整體剛度進(jìn)行測(cè)算分析。凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

對(duì)于汽輪機(jī)負(fù)脹差超報(bào)警值問(wèn)題，根據(jù)脹差計(jì)算式有

脹差=轉(zhuǎn)子膨脹-汽缸膨脹

(1)

由式(1)可知，負(fù)脹差超報(bào)警值直接原因?yàn)槠啓C(jī)汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹，即汽缸產(chǎn)生了額外的熱膨脹。針對(duì)該問(wèn)題，重點(diǎn)分析汽缸產(chǎn)生額外熱膨脹的根源。

2.1 額外盲板力作用

2.1.1 盲板力的作用原理及計(jì)算

膨脹節(jié)作為一種彈性元件，由于其材料在彈性模量、膨脹系數(shù)等方面與管道不同，當(dāng)管道內(nèi)壓較大時(shí)，由內(nèi)壓引起的應(yīng)力和因管道熱膨脹使筒體軸向產(chǎn)生伸縮位移而引起的應(yīng)力會(huì)使膨脹節(jié)破壞。尤其前者，會(huì)造成管道在橫截面改變處產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)壓推力，通常稱(chēng)為盲板力【1】。

凝汽器4根循環(huán)水管道均安裝了管道膨脹節(jié)，且循環(huán)水進(jìn)入凝汽器水室后由于折流形成彎頭效應(yīng)，而出水管道與凝汽器連接處本就帶有彎頭。由于膨脹節(jié)和彎頭同時(shí)存在，且進(jìn)、出水水壓均高出同類(lèi)電廠機(jī)組循環(huán)水壓0.15～0.20 MPa，故4根水管膨脹節(jié)處均產(chǎn)生向上的額外盲板力，作用于凝汽器上并經(jīng)排汽接管傳遞到后汽缸，而向下的額外盲板力則被處于地下的管道彎頭處的剛性支撐吸收(見(jiàn)圖3)。

額外盲板力計(jì)算如下：

F1=A水管×P進(jìn)水×10-4=23.25 t

(2)

式中：F1——進(jìn)水管額外盲板力，t；

A水管——循環(huán)水管截面積，mm2；

P進(jìn)水——循環(huán)水進(jìn)水管壓力，MPa。

F2=A水管×P出水×10-4=13.29 t

(3)

式中：F2——出水管額外盲板力，t；

P出水——循環(huán)水出水管壓力，MPa。

Fm=2×(F1+F2)=73.08 t

(4)

式中：Fm——循環(huán)水管道對(duì)凝汽器總的額外盲板力載荷，t。

即4根循環(huán)水管道產(chǎn)生總的73.08 t的額外盲板力作用于凝汽器和后汽缸上。

2.1.2 原始設(shè)計(jì)受力分析

按照設(shè)計(jì)，后汽缸座板及凝汽器的載荷分配如下：

Fg=G汽+0.5×(G凝運(yùn)-G凝)

=68.600 + 0.5×(114.000-71.581)

=89.80 t

(5)

式中：Fg——后汽缸座板設(shè)計(jì)承受載荷，t；

G汽——汽輪機(jī)本體部分載荷，t；

G凝運(yùn)——凝汽器運(yùn)行質(zhì)量，t；

G凝——凝汽器凈質(zhì)量，t。

Ft=G凝+0.5×(G凝運(yùn)-G凝)

=71.581+0.5×(114.000-71.581)

=92.78 t

(6)

式中：Ft——凝汽器彈簧座設(shè)計(jì)承受載荷，t。

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受力分析

按照設(shè)計(jì)，凝汽器不應(yīng)承受額外盲板力。但由于額外盲板力Fm的存在，凝汽器及后汽缸座板的受力與原設(shè)計(jì)存在較大偏差，實(shí)際載荷分布如圖4所示。

即實(shí)際受力情況計(jì)算如下：

Fgs=Fg-Fm=89.80-73.08

=16.72 t

(7)

式中：Fgs——后汽缸座板實(shí)際承受載荷，t。

Fts=Ft-Fm=92.78-73.08

=19.70 t

(8)

式中：Fts——凝汽器彈簧座實(shí)際承受載荷，t。

圖4 后汽缸座板及凝汽器實(shí)際受力分析示意

由以上計(jì)算得到的汽輪機(jī)組后汽缸座板和凝汽器彈簧座原設(shè)計(jì)與實(shí)際受力對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 后汽缸座板和凝汽器彈簧座設(shè)計(jì) 與實(shí)際受力對(duì)比 單位：t

由此可見(jiàn)，因額外盲板力的作用，造成后汽缸與座板間接觸剛度嚴(yán)重下降，導(dǎo)致剛性支撐系統(tǒng)向柔性支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)化【2】，這是造成座缸安裝的2號(hào)軸承振動(dòng)大的一個(gè)主要原因。

2.2 排汽接管及后汽缸下缸體整體剛度不足

汽輪機(jī)汽封投用后，抽真空至-60 kPa，即凝汽器內(nèi)絕對(duì)壓力為40 kPa，排汽接管截面積為72 800 cm2，則：

F浮=(1-0.4)×72 800

=43 680 kg≈44 t

(9)

式中：F浮——凝汽器受到的真空浮力，t。

由于抽真空狀態(tài)時(shí)后汽缸內(nèi)同樣為負(fù)壓，后汽缸受到向下的真空力，上、下受力互相抵消，因此，汽輪機(jī)不應(yīng)受到真空力的影響。

辛迪·舍曼以自己為模特，這種獨(dú)特性令其在媒體與文化評(píng)論中占得一席之地。相反的，斯各格蘭德并沒(méi)有此類(lèi)以作品尋求辨識(shí)度的想法。這位藝術(shù)家否認(rèn)她的作品反映著某個(gè)特定的意圖。盡管如此，許多觀眾還是感受到了《放射性的貓》與《原子的爭(zhēng)論》(the debates on the atom)之間的關(guān)聯(lián)，將《綠房子》解讀為對(duì)全球溫室效應(yīng)問(wèn)題的暗示，并將《也許是嬰兒》(Maybe Babies)視作對(duì)人流這一社會(huì)問(wèn)題的評(píng)論。

但在實(shí)際試運(yùn)過(guò)程中測(cè)量發(fā)現(xiàn)，抽真空后，在后汽缸座板間隙無(wú)變化的情況下，凝汽器彈簧座彈簧伸長(zhǎng)12～14 mm，且排汽接管部位有明顯異響。同時(shí)，試運(yùn)過(guò)程中2號(hào)軸承振動(dòng)亦表征為對(duì)真空度呈正相關(guān)。

由此可見(jiàn)，排汽接管及后汽缸下缸體的整體剛度不足，約44 t的真空浮力造成排汽接管及后缸下缸體出現(xiàn)變形，并使后汽缸與座板間接觸剛度進(jìn)一步下降，從而引起2號(hào)軸承振動(dòng)高。

2.3 高壓端軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

由于汽輪機(jī)組正常運(yùn)行中，化工裝置返回的凝結(jié)水溫度已有110 ℃左右，無(wú)需再經(jīng)低壓加熱器加熱，故本汽輪機(jī)未設(shè)置低壓加熱器，該機(jī)型原有的后3級(jí)(三、四、五級(jí))抽汽管道出廠前進(jìn)行了封堵處理，而原本隨后3級(jí)抽汽管道引走的高壓端軸封1～3檔漏汽，因抽汽管道封堵而倒入汽輪機(jī)汽缸。高壓端軸封1～3檔漏汽參數(shù)見(jiàn)表6，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流程見(jiàn)圖5。

表6 汽輪機(jī)高壓端軸封漏汽設(shè)計(jì)參數(shù)

由此可見(jiàn)，高壓端軸封1～3檔高溫漏汽未被引走，而是進(jìn)入了汽輪機(jī)汽缸。推測(cè)該不合理的設(shè)計(jì)使得汽缸局部過(guò)度受熱變形，熱不平衡導(dǎo)致了動(dòng)不平衡，進(jìn)而造成座缸安裝的2號(hào)軸承位置發(fā)生變化，引發(fā)高振動(dòng)。

同時(shí)，高壓端軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理也使得汽缸缸體產(chǎn)生了額外熱膨脹，由此引發(fā)的缸體和轉(zhuǎn)子的熱不平衡是負(fù)脹差超報(bào)警值的根本原因。

3 對(duì)策和處理方案

鑒于以上原因?qū)е掳l(fā)電機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行的情況， 經(jīng)由業(yè)主、 EPC單位、 制造廠商和調(diào)試單位聯(lián)合攻關(guān)組共同研究， 制定了處理方案， 先后對(duì)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組采取消除額外盲板力、 增加排汽接管剛度等措施， 并對(duì)汽輪機(jī)高壓端軸封系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造， 同時(shí)還優(yōu)化了試車(chē)的操作方法。

圖5 汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)

3.1 機(jī)組應(yīng)力消除

由于額外盲板力載荷是異常巨大的，必須依靠一個(gè)特定結(jié)構(gòu)或固定支架來(lái)抵消【1】。因此，在管道內(nèi)壓無(wú)法調(diào)整的情況下，將膨脹節(jié)進(jìn)行了外限位，使額外盲板力被限制而不再作用于汽輪機(jī)上。

同時(shí)，將每根循環(huán)水管道垂直段與水平段連接彎頭處的剛性支撐改為軟支撐，用以補(bǔ)償膨脹節(jié)被外限位后管道在水流方向的熱膨脹和隨凝汽器在不同工況下的軸向位移。具體實(shí)施步驟為：

3.1.1 消除額外盲板力

在膨脹節(jié)自由狀態(tài)下，將每組膨脹節(jié)進(jìn)行外限位(見(jiàn)圖6)。此結(jié)構(gòu)可使額外盲板力被同等大小的拉桿力抵消，不再作用于凝汽器及后汽缸。

3.1.2 軟支撐改造

膨脹節(jié)外限位后，破開(kāi)地坪挖出4根埋地的循環(huán)水管道彎頭，并將原有的剛性支撐改為軟支撐。

3.1.3 消除排汽接管應(yīng)力

為配合額外盲板力消除，將包括排汽接管在內(nèi)的與凝汽器相連的所有管道全部割開(kāi)(解開(kāi))，消除應(yīng)力。在完成額外盲板力消除和循環(huán)水管道軟支撐改造后，對(duì)凝汽器重新進(jìn)行調(diào)平找正，之后將除排汽接管外的其余管道重新連接。最后，給凝汽器通循環(huán)水，模擬運(yùn)行工況，并在此工況下將排汽接管與后汽缸無(wú)應(yīng)力焊接。焊接完成后，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整凝汽器并重新進(jìn)行機(jī)組對(duì)中。

圖6 循環(huán)水管道膨脹節(jié)拉桿安裝示意

3.2 增加排汽接管剛度

在排汽接管與后汽缸未焊接時(shí)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，將排汽接管與凝汽器接口部位的共計(jì)60件加強(qiáng)筋板全部進(jìn)行打磨滿(mǎn)焊處理，增加排汽接管和后汽缸下缸體的整體剛度。

3.3 高壓端軸封系統(tǒng)改造

針對(duì)高壓端軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理造成機(jī)組熱不平衡的問(wèn)題，采取將高壓端1檔和3檔軸封漏汽引至汽輪機(jī)本體疏水膨脹箱、將2檔軸封漏汽引至凝汽器自帶的開(kāi)工減溫減壓器的方法進(jìn)行改造(見(jiàn)圖7)。

圖7 汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)改造(紅色線為改造新增部分)

3.4 優(yōu)化發(fā)電機(jī)組操作

優(yōu)化試車(chē)過(guò)程中的操作方法，將汽輪機(jī)進(jìn)汽由單閥控制改為順序模式，降低蒸汽節(jié)流損耗，增加蒸汽做功，降低蒸汽對(duì)安裝2號(hào)軸承的下汽缸的過(guò)度加熱引發(fā)的熱不平衡。

4 處理效果

經(jīng)過(guò)以上改造和操作優(yōu)化后， 3臺(tái)發(fā)電機(jī)組再次試運(yùn)時(shí)，2號(hào)軸承振動(dòng)值均符合要求，汽輪機(jī)負(fù)脹差超報(bào)警值問(wèn)題未再出現(xiàn)，機(jī)組順利通過(guò)(72+24)h考核試驗(yàn)，各工況下均運(yùn)行平穩(wěn)。良好的改造效果也證實(shí)了接觸剛度問(wèn)題的分析和熱不平衡導(dǎo)致動(dòng)不平衡的推測(cè)的正確性。圖8為1號(hào)發(fā)電機(jī)組試運(yùn)期間2號(hào)軸承的振動(dòng)情況(圖中上面曲線為A通道振值，下面曲線為B通道振值)。

圖8 1號(hào)發(fā)電機(jī)組試運(yùn)期間2號(hào)軸承的振動(dòng)情況

在此基礎(chǔ)之上，經(jīng)長(zhǎng)周期運(yùn)行驗(yàn)證，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的2號(hào)軸承振動(dòng)均能處于平穩(wěn)狀態(tài)且振值處于較低水平，各臺(tái)發(fā)電機(jī)組脹差情況均能穩(wěn)定處于合理范圍之內(nèi)。

表7為3臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)情況。由表7可見(jiàn)，影響接觸剛度和熱平衡的問(wèn)題均已得到以根本性解決。

表7 3臺(tái)發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行部分參數(shù)

注：以上數(shù)據(jù)取自2019年10月2日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。表中A、B是指機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)振通道，分別對(duì)應(yīng)于軸承振動(dòng)的x、y向振值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析和處理，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論，希望能夠?yàn)槌槟焦岚l(fā)電機(jī)組接觸剛度和熱平衡問(wèn)題的處理提供參考：

1) 設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮額外盲板力對(duì)汽輪機(jī)接觸剛度的影響；

2) 排汽接管和后汽缸下缸體的整體剛度在真空浮力作用下，將影響到汽輪機(jī)的接觸剛度，應(yīng)予以充分考慮；

3) 汽輪機(jī)整體熱平衡狀況將綜合影響到發(fā)電機(jī)組振動(dòng)和脹差，應(yīng)從汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化等多方面綜合考慮解決。