汽輪機調(diào)節(jié)級配汽剩余汽流力故障的研究

汽輪機調(diào)節(jié)級配汽剩余汽流力故障的研究

0配汽剩余汽流力檢測雙鴨山前蘇聯(lián)210mw汽輪站在峰運行中。當系統(tǒng)負載減少時，2號軸的振興異常，瓦溫上升（最大100），使系統(tǒng)安全生產(chǎn)。為了解決這一問題,召開了多次由廠內(nèi)外專家參加的故障診斷會,進行了多種嘗試,諸如轉(zhuǎn)子平衡、減輕2號軸承承載負荷,但都未能奏效。而后,根據(jù)實際運行經(jīng)驗,在降負荷時采用降參數(shù)運行,2號軸承軸振和瓦溫較正常的降負荷運行有所降低,從而使得故障程度得以緩解;但降參數(shù)大大降低了機組的經(jīng)濟性,因此,需要從根本上解決問題。通過對現(xiàn)場大量的實驗數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)故障的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)閥門的動作緊密相關。后與哈工大共同研究,進一步分析得知,噴嘴配汽時,調(diào)節(jié)級處于部分進汽狀態(tài),而且進汽是非對稱性的。因此,存在配汽剩余汽流力,調(diào)節(jié)閥門的動作會使調(diào)節(jié)級的配汽剩余汽流力發(fā)生變化,從而斷定故障的根本原因是調(diào)節(jié)級的進汽不對稱性所產(chǎn)生的配汽剩余汽流力。通過設計實驗使機組分別運行于單閥和對角進汽狀態(tài),使機組在整個負荷變化區(qū)段配汽剩余汽流力保持在一個較小的水平,機組故障不再出現(xiàn),從而進一步證實了配汽剩余汽流力對機組軸系的影響作用。配汽剩余汽流力在機組運行中,特別是調(diào)峰運行中普遍存在,然而配汽剩余汽流力對機組軸系所產(chǎn)生的影響在工程實踐中還是一個未曾研究過的問題,本文通過對故障產(chǎn)生機理的分析和寶貴實驗數(shù)據(jù)的整理,將使人們對這一故障有一個比較全面的認識,對于今后解決同類故障和指導汽輪機配汽設計將具有很高的實際參考價值。1調(diào)節(jié)級汽流力汽輪機調(diào)節(jié)級分為若干個噴嘴組,當蒸汽流過噴嘴組時,將產(chǎn)生汽流力推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖1是該機組的噴嘴布置和周向汽流力示意圖。全周進汽時,對角的2個噴嘴組所產(chǎn)生的汽流力方向相反,若噴嘴組面積相等,調(diào)節(jié)級汽流力除產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩外,將完全相互抵消,不存在剩余汽流力;但在部分進汽時,沒有流過蒸汽的噴嘴組不存在汽流力,若進汽是非對角的,則汽流力不能相互完全抵消,調(diào)節(jié)級將會產(chǎn)生剩余汽流力。由此可見,噴嘴配汽時,調(diào)節(jié)級的非對稱進汽是產(chǎn)生配汽剩余汽流力的根本原因。2剩余汽流力的影響機組的原順序進汽方式為1→2→3→4號閥順序進汽,在部分負荷時,調(diào)節(jié)級將產(chǎn)生剩余汽流力。經(jīng)計算,此配汽剩余汽流力隨負荷的變化關系如圖2所示,力的方向如圖1中所示?？梢娫谪摵勺兓^程中,垂直剩余汽流力變化不大,而水平剩余汽流力變化卻很大。當機組處于中間負荷170MW左右,這時1、2號閥門基本全開,其他閥門不開或開度很小,水平剩余汽流力達到最大,接近5×9.806kN,與高壓轉(zhuǎn)子的重力相當,如此大的水平附加汽流力作用在高壓轉(zhuǎn)子上必將使軸心產(chǎn)生較明顯的水平偏移。圖3是該機組在負荷變化過程中的2號軸承移與水平剩余汽流力的關系。從圖3中可以看出,隨剩余汽流力的增大,軸心偏移也增大,而且規(guī)律很明顯,表明了配汽剩余汽流力直接導致了轉(zhuǎn)子的軸心偏移。配汽剩余汽流力由于產(chǎn)生于調(diào)節(jié)級,所以只會對靠近調(diào)節(jié)級的各瓦的軸心偏移產(chǎn)生影響,2號軸承緊靠調(diào)節(jié)級,影響最為嚴重,而對遠離調(diào)節(jié)級的各瓦軸心位置幾乎不會產(chǎn)生影響。故下面僅以2號軸承為例,討論配汽剩余汽流力作用下的軸心偏移對軸系的影響。3軸向位移對軸的系統(tǒng)的影響3.1轉(zhuǎn)子自重力對軸承工作狀態(tài)的影響轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中處于一定偏心率下工作,所產(chǎn)生的動壓油膜有一定的承載能力和剛度。載荷方向是影響軸承靜態(tài)與動態(tài)特性的主要因素,當載荷方向逆軸旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過一定角度時,軸承的承載能力和穩(wěn)定區(qū)比將顯著減小。機組工作在額定負荷時,轉(zhuǎn)子承載基本為自重力,載荷方向垂直向下,此時,軸承正好工作在設計工況下,軸承工作狀態(tài)最佳;降負荷運行時,作用在調(diào)節(jié)級上的剩余汽流力與轉(zhuǎn)子自重力的合力恰好使載荷方向產(chǎn)生這個方向的轉(zhuǎn)動,而且這個力的大小也增大了很多,使軸承承載能力和穩(wěn)定區(qū)比減小,惡化軸承的工作狀況。軸承載荷的變化會使軸承各方向的動態(tài)油膜剛度發(fā)生變化,最大油膜剛度方向的變化可以看作是載荷方向的變化,而軸心軌跡的短軸方向就是軸承油膜剛度最大的方向,所以轉(zhuǎn)子軸心軌跡可以作為軸承工作狀態(tài)的表征。圖4是該機組在額定負荷和最大軸心偏移時的軸心軌跡,相對于額定負荷時軸承工作的最佳工況,軸心產(chǎn)生最大偏移時,軸心軌跡方向向著惡化軸承工作的方向轉(zhuǎn)過了接近25°,也就是說軸承的載荷方向轉(zhuǎn)過了接近25°,極大地惡化了軸承的工作。3.2軸振大小的控制軸振是表征汽輪機工作狀態(tài)的非常重要的物理量,軸振過大可能導致汽輪機葉片碰傷或折斷,軸承和汽封損壞,甚至使軸斷裂造成重大事故。因此,必須嚴格控制軸振大小。配汽剩余汽流力使高壓轉(zhuǎn)子軸心發(fā)生的偏移,產(chǎn)生軸系不對中,軸振幅值增大。圖5是該機組軸心偏移與軸振的變化關系,其中軸心偏移是以滿負荷時軸心位置為基準的,可看出軸心偏移增大,軸振幅值也增加,并且二者的對應關系極好,表明了配汽剩余汽流力作用下的軸心偏移會直接導致軸振幅值增大。3.3軸和軸瓦相互作用軸瓦的振動主要是軸通過油膜作用在軸承上的交變力激起的,軸振的增加必將引起相應瓦振的增大,使軸和軸瓦之間產(chǎn)生強烈的相互作用,對軸瓦產(chǎn)生破壞性影響。圖6是該機組在軸心發(fā)生偏移時瓦振的變化,對比圖5的軸心偏移的變化,可看出軸心偏移的增大能引起軸振的增大,相應的瓦振也隨著增大,對應關系也相當好,配汽剩余汽流力作用下的軸心偏移也導致了瓦振的增大。3.4轉(zhuǎn)子和軸承巴氏合金燒蝕,軸瓦溫度隨軸承安全壓的變化對于高速軸承,軸承產(chǎn)生的摩擦熱量主要靠潤滑油帶走,軸心偏移使軸瓦進口油楔減小,軸承供油減少甚至不足,軸承工作所產(chǎn)生的熱量不能及時被帶走,致使軸瓦溫度升高。圖7是該機組在軸心發(fā)生偏移時對應瓦溫的變化,對比圖5的軸心偏移的變化,同樣可看出軸心偏移的增大,對應軸瓦溫度明顯升高。嚴重的軸心偏移也可能使轉(zhuǎn)子和軸承發(fā)生碰磨,即使不發(fā)生碰磨,此時,轉(zhuǎn)子和軸承之間間隙很小,油膜剛度很大,轉(zhuǎn)子的不平衡交變激振力通過油膜作用于軸承巴氏合金上,很容易使其發(fā)生疲勞而破壞,引起軸承巴氏合金燒蝕,一旦軸承巴氏合金發(fā)生燒蝕,軸瓦溫度會急劇升高,軸承間隙也會迅速減小。因此,嚴重的軸心偏移引起的轉(zhuǎn)子不對中易使軸承發(fā)生燒瓦事故。4現(xiàn)場試驗和驗證4.1配汽剩余汽流力故障時電廠根據(jù)實際運行經(jīng)驗,在降負荷時采用降參數(shù)運行,使故障得到緩解。這是因為降參數(shù)運行時,3號閥門的開度可以大些,且運行參數(shù)較低,從配汽剩余汽流力的產(chǎn)生機理可知,配汽剩余汽流力會較正常降負荷運行時小,所以,機組的軸心位置的偏移在負荷變化過程中也會減小,因此可以使故障得到緩解。4.2配汽剩余汽流力無對角進汽為進一步驗證故障確是由于配汽剩余汽流力所引起,設計使機組分別運行于單閥和對角進汽狀態(tài),其中單閥是4個閥門同步開啟的狀態(tài)。從配汽剩余汽流力的產(chǎn)生機理可知,兩種運行狀態(tài)都會減小甚至消除變負荷時的剩余汽流力,圖8是采用幾乎同時開啟2、4號閥,再順序開啟3號和1號閥時的配汽剩余汽流力隨機組負荷的變化關系,之所以沒有采取完全的對角進汽,是因為同時考慮了機組的經(jīng)濟性,但與改前相比,剩余汽流力也已降低到了一個很小的水平。圖9是單閥和原設計兩種狀態(tài)2號軸承軸振的比較,可以看出,單閥運行時,由于幾乎不存在剩余汽流力,軸振明顯低于順序閥。圖10是對角進汽時的瓦溫隨負荷的變化關系,可以看出,2瓦溫度在整個負荷變