某電廠超臨界660MW機(jī)組在調(diào)門從單閥切換為順序閥運(yùn)行的過程中，1、2號軸瓦溫度急劇升高，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。順序閥運(yùn)行方式下，非對稱進(jìn)汽產(chǎn)生的不平衡汽流力是導(dǎo)致軸系故障的原因。通過調(diào)門不同組合方式的試驗(yàn)研究，得到了安全可靠的調(diào)門運(yùn)行方式，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，機(jī)組由單閥切換為順序閥后，經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

　　汽輪機(jī)閥門組的工作方式有2種：節(jié)流(單閥)調(diào)節(jié)和噴嘴(順序閥)調(diào)節(jié)。不同的配汽方式對機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。節(jié)流調(diào)節(jié)是全周進(jìn)汽，轉(zhuǎn)子和汽缸周向受熱均勻，因此熱應(yīng)力較小，可以適應(yīng)負(fù)荷的快速變化以及機(jī)組的快速啟動。節(jié)流調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是在低負(fù)荷時(shí)，每個(gè)閥均部分開啟而產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，使機(jī)組的熱效率低很多。在噴嘴調(diào)節(jié)方式下，所有的調(diào)節(jié)閥順序開啟，節(jié)流損失小，因此機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的效率高。

　　噴嘴調(diào)節(jié)是汽輪機(jī)普遍采用的調(diào)節(jié)方式，但由于噴嘴調(diào)節(jié)在任何功率下，有些進(jìn)汽弧段是關(guān)閉或部分開啟的，破壞了汽輪機(jī)進(jìn)汽的周向均勻布置，在啟動以及負(fù)荷大范圍變動時(shí)易引起靜子部件各部分受熱不均，造成極大的熱應(yīng)力。噴嘴配汽如果設(shè)計(jì)不合理，調(diào)節(jié)級在部分進(jìn)汽時(shí)就會產(chǎn)生較大的配汽不平衡汽流力，給機(jī)組的運(yùn)行帶來不利影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年，國內(nèi)一些亞臨界和超臨界600MW以上容量等級的機(jī)組，在試生產(chǎn)期結(jié)束以后，在單閥切順序閥運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)了一系列由于噴嘴配汽設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的軸系故障問題。這些故障的存在，導(dǎo)致機(jī)組無法進(jìn)行正常的調(diào)門運(yùn)行方式切換，只能采用節(jié)流調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失大，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1、調(diào)門運(yùn)行方式切換過程中的問題

　　1.1、調(diào)門結(jié)構(gòu)和參數(shù)

　　某電廠的660MW機(jī)組是國產(chǎn)第1臺超臨界、單軸、三缸(高中壓合缸)、四排汽、一次中間再熱凝汽式660MW機(jī)組，機(jī)組型號為N660-24.2/566/566，調(diào)門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，調(diào)門結(jié)構(gòu)與布置如圖1所示。

表1 調(diào)門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 閥門配置和開啟順序(原設(shè)計(jì))

　　1.2、調(diào)門運(yùn)行方式切換過程中的問題

　　制造廠設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式為GV3+GV4→GV1→GV2調(diào)門依次開啟，但在進(jìn)行機(jī)組投產(chǎn)后性能試驗(yàn)時(shí)，在調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式切換的過程中，出現(xiàn)瓦溫異常升高的問題。

　　在540MW負(fù)荷下，機(jī)組進(jìn)行從單閥到順序閥的自動切換，切換后，軸向位移由0升至0.22mm、1號軸承瓦溫度由71.65℃升至112.57℃(跳機(jī)時(shí)的瓦溫度為113℃)、2號軸承瓦溫度由82.13℃升至110.83℃。機(jī)組調(diào)門的運(yùn)行方式切換回單閥運(yùn)行，1、2號瓦溫恢復(fù)正常。

2、配汽不平衡汽流力的產(chǎn)生機(jī)理

　　蒸汽在調(diào)節(jié)級中流動時(shí)，對調(diào)節(jié)級動葉片產(chǎn)生汽流力的作用，這個(gè)汽流力可分解為沿圓周方向的切向力、沿半徑方向的切向力和沿轉(zhuǎn)軸方向的軸向力。其中切向汽流力在葉輪上產(chǎn)生力偶而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)通過轉(zhuǎn)軸中心的力;軸向汽流力使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向位移，并且對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)調(diào)節(jié)級均勻進(jìn)汽時(shí)，切向汽流力所產(chǎn)生的通過轉(zhuǎn)軸中心的力和軸向汽流力對轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)力矩均勻地分布于整個(gè)圓周，能夠自平衡，不對外表現(xiàn)力的作用。但當(dāng)調(diào)節(jié)級部分進(jìn)汽時(shí)，各種力不能夠自平衡，表現(xiàn)出調(diào)節(jié)級配汽不平衡汽流力的作用，在機(jī)組的各軸承處產(chǎn)生附加載荷。

　　作用在一個(gè)動葉片上的切向汽流力Fui和軸向汽流力Fzi分別為：

　　式中：C為通過動葉片的蒸汽流量，kg/h;Ab為動葉片的軸向面積，m2;C1u為在動葉片進(jìn)口蒸汽的絕對切向流速，m/s;C2u為動葉片出口蒸汽的絕對切向流速，m/s;C1z為在動葉片進(jìn)口蒸汽的絕對軸向流速，m/s;C2z為在動葉片出口蒸汽的絕對軸向流速，m/s。

　　可以看出，要計(jì)算Fui和Fzi，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)級變工況的熱力計(jì)算，求得相關(guān)參數(shù)。計(jì)算得到Fui和Fzi后，切向汽流力Fui所產(chǎn)生的通過轉(zhuǎn)軸中心的力就是Fui，軸向汽流力Fzi對轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)力矩Mzi可由Fui和Fzi與到轉(zhuǎn)軸中心線的距離乘積求得。

　　配汽不平衡汽流力產(chǎn)生于調(diào)節(jié)級，對高壓轉(zhuǎn)子有明顯的影響，尤其是在支撐高壓轉(zhuǎn)子的1、2號軸承上產(chǎn)生附加載荷，導(dǎo)致亞臨界和超臨界600MW以上容量的機(jī)組，閥門運(yùn)行方式切換過程中的軸系故障，多發(fā)生在1、2號軸承上。

　　由于水平不平衡汽流力的作用，使軸心位置發(fā)生移動，軸在軸承中的側(cè)隙發(fā)生了很大變化，軸心偏移使軸瓦進(jìn)口油楔面積大大減小，如圖2所示，軸承供油量不足，軸承工作所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)被帶走，必然致使軸瓦溫度升高。嚴(yán)重的軸心偏移也可能使轉(zhuǎn)子和軸承發(fā)生碰磨，而且轉(zhuǎn)子和軸承之間間隙的減小，導(dǎo)致油膜剛度加大，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)生疲勞破壞，引起軸承巴氏合金燒蝕。另外，軸承進(jìn)出口油楔大小發(fā)生變化，必然引起軸承靜動特性發(fā)生明顯變化，從而進(jìn)一步引發(fā)振動、穩(wěn)定性等一系列軸系故障的發(fā)生。隨著機(jī)組參數(shù)的升高，配汽不平衡汽流力的增長幅度大大超過轉(zhuǎn)子自重的增長幅度，由于配汽不平衡汽流力的急劇增長，在高參數(shù)機(jī)組上，瓦溫和振動會明顯增加，配汽導(dǎo)致的軸系故障更加嚴(yán)重。

圖2 不平衡汽流力作用下軸承的工作狀態(tài)

3、調(diào)門配汽方式優(yōu)化試驗(yàn)

　　按照制造廠原設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式，在閥門運(yùn)行方式自動切換過程中，出現(xiàn)瓦溫快速升高的現(xiàn)象已嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，因此在調(diào)門單閥方式運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，即逐個(gè)閥門關(guān)閉試驗(yàn)。

　　3.1、閥門關(guān)閉試驗(yàn)

　　閥門關(guān)閉試驗(yàn)就是有選擇地緩慢關(guān)閉處于單閥方式運(yùn)行下的汽輪機(jī)的一兩個(gè)汽門，通過觀察這一過程中汽輪機(jī)軸承金屬溫度的變化來確定軸承受力的變化;通過觀察汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動的變化來估算激振力與不平衡力給轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性帶來的影響;通過觀察每個(gè)汽門關(guān)閉時(shí)負(fù)荷的變化來檢驗(yàn)4個(gè)高壓調(diào)門的特性是否一致，最后綜合以上監(jiān)測數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，合理判斷，確定出能夠滿足汽輪機(jī)安全運(yùn)行的順序閥方式的閥序。

　　3.1.1、單個(gè)調(diào)門關(guān)閉的試驗(yàn)

　　采用單個(gè)調(diào)門關(guān)閉，其他調(diào)門單閥運(yùn)行的試驗(yàn)方式，將機(jī)組高壓調(diào)門逐個(gè)關(guān)閉，進(jìn)行調(diào)門組合方式試驗(yàn)，摸清調(diào)門進(jìn)汽方式對軸系的影響。試驗(yàn)步驟如下：機(jī)組單閥方式運(yùn)行，維持負(fù)荷在480MW左右，每次試驗(yàn)1只高壓調(diào)門，試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制主蒸汽壓力為額定壓力24.2MPa，保持凝汽器真空、軸承潤滑油進(jìn)油溫度及機(jī)組運(yùn)行方式不變。通過手動改變試驗(yàn)高壓調(diào)門閥位，使其閥位從0至100%變化，每個(gè)試驗(yàn)閥位點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行0.5h以上，全面記錄機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，嚴(yán)密觀察在不同的閥序下，各軸承振動、瓦溫、高壓缸上下缸溫差、推力瓦溫、脹差等參數(shù)變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著每只高壓調(diào)門閥位的變化，負(fù)荷在480MW上下變化不大，機(jī)組運(yùn)行正常，所有安全參數(shù)均未超標(biāo)。

表2 單個(gè)調(diào)門關(guān)閉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　表2為單閥關(guān)閉試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表2可知：(1)關(guān)閉任一調(diào)門，軸系振動變化不明顯;(2)由于對稱布置的原因，GV1與GV4、GV2與GV3閥開度對軸瓦溫度的影響呈現(xiàn)相反的作用。單獨(dú)關(guān)閉GV1閥、GV3閥，汽輪機(jī)1、2號軸承左側(cè)溫度有所上升，但并不超限;單獨(dú)關(guān)閉GV2閥、GV4閥，汽輪機(jī)1號、2號軸承右側(cè)溫度有所上升，但并不超限，這與汽輪機(jī)進(jìn)汽方式對軸系作用力是吻合的;(3)試驗(yàn)過程中3~9號軸承溫度變化不明顯。

　　3.1.2、調(diào)門順序閥運(yùn)行方式試驗(yàn)

表3 模擬原設(shè)計(jì)的調(diào)門順序閥運(yùn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　基于以上試驗(yàn)工況，關(guān)閉GV2閥后，繼續(xù)關(guān)閉GV1閥，GV3、GV4閥單閥運(yùn)行，模擬制造廠原設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。此試驗(yàn)工況模擬了機(jī)組單閥切至順序閥后的情形，在GV2閥關(guān)閉后，逐漸關(guān)小GV1閥時(shí)，1、2號軸承右側(cè)溫度升高很快，原因是高壓缸上部進(jìn)汽時(shí)，下部進(jìn)汽量減少，配汽不平衡汽流力對轉(zhuǎn)子向下的作用力增加，推動轉(zhuǎn)子向右下方移動，導(dǎo)致右側(cè)軸承油膜變薄，冷卻、潤滑效果下降，右側(cè)軸承溫度急劇上升。

　　隨著GV1閥逐漸開大，下部進(jìn)汽量增加，會使轉(zhuǎn)子向上的推動力增加，右側(cè)軸承溫度逐漸降低，但由于GV2閥不進(jìn)汽，轉(zhuǎn)子仍然偏向右側(cè)，右側(cè)軸承溫度偏高，隨著GV2閥的逐漸開啟，機(jī)組恢復(fù)單閥運(yùn)行，轉(zhuǎn)子的受力恢復(fù)平衡，右側(cè)軸承溫度恢復(fù)正常。

　　3.2、調(diào)門運(yùn)行方式優(yōu)化試驗(yàn)

　　將閥門開啟方式改變，先開GV1、GV2閥，后開GV3、GV4閥以調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，始終保證轉(zhuǎn)子向上的作用力充足，即調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行方式改為：GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟，按這種方式切換后，機(jī)組瓦溫不再異常升高，機(jī)組能夠正常運(yùn)行。

　　更改熱工控制程序，將調(diào)門的開啟順序改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟，機(jī)組實(shí)現(xiàn)了單閥向順序閥的自動切換。順序閥運(yùn)行方式下，機(jī)組各工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 調(diào)門順序閥運(yùn)行方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　從表4可以看出，機(jī)組調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行方式由單閥改為GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟的順序閥運(yùn)行方式后，機(jī)組1、2號瓦溫和振動、機(jī)組的軸向位移正常，機(jī)組能夠安全運(yùn)行。

　　在其他機(jī)組配汽方式優(yōu)化改造結(jié)果中，存在對角進(jìn)汽的方式。機(jī)組采用對角進(jìn)汽方式，在圓周上非連續(xù)進(jìn)汽，此配汽將引起調(diào)節(jié)級動葉片所受的激振力頻率發(fā)生變化，動葉片受到的動應(yīng)力也會發(fā)生變化，從葉片安全角度考慮，GV1+GV2→GV3→GV4的進(jìn)汽方式優(yōu)于對角進(jìn)汽，因此目前山東電網(wǎng)投產(chǎn)的6臺超臨界660MW機(jī)組都采用此種進(jìn)汽方式。

4、不同調(diào)門運(yùn)行方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

　　由于在制造廠設(shè)計(jì)的順序閥運(yùn)行方式下，軸系存在故障，機(jī)組投產(chǎn)后一直單閥運(yùn)行，熱耗率高、經(jīng)濟(jì)性差。調(diào)門運(yùn)行方式優(yōu)化后，成功地實(shí)現(xiàn)了從單閥到順序閥的改變，機(jī)組能夠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較了機(jī)組單閥運(yùn)行和順序閥運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，如表5所示。

表5 不同調(diào)門運(yùn)行方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

　　由表5可以看出，機(jī)組順序閥運(yùn)行方式下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于單閥運(yùn)行的指標(biāo)，尤其是400MW、500MW低負(fù)荷工況，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別較大。400MW順序閥工況，熱耗率低162kJ/(kW•h)，高壓缸效率高9.125%;500MW順序閥工況，熱耗率低93.89kJ/(kW•h)，高壓缸效率高5.578%。順序閥運(yùn)行方式，機(jī)組熱耗率低，高壓缸效率高。考慮機(jī)組目前的平均負(fù)荷率，白天負(fù)荷為500～550MW，晚上負(fù)荷為350～400MW，都處于調(diào)門單閥與順序閥運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別比較大的區(qū)域，機(jī)組由單閥運(yùn)行改為順序閥運(yùn)行后，節(jié)能效果顯著。

5、結(jié)語

　　(1)調(diào)節(jié)級的非對稱進(jìn)汽產(chǎn)生了配汽不平衡汽流力，而配汽不平衡汽流力是超臨界660MW汽輪機(jī)組產(chǎn)生軸系故障，無法投入噴嘴調(diào)節(jié)的根本原因。

　　(2)通過調(diào)門配汽方式優(yōu)化試驗(yàn)，得到GV1+GV2→GV3→GV4調(diào)門依次開啟的順序閥進(jìn)汽方式，成功實(shí)現(xiàn)了超臨界660MW機(jī)組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在80%以下負(fù)荷，機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高幅度較大，具有明顯的節(jié)能效果。