高調閥模式切換引發軸系振動異常的實驗研究

段巖峰++蔡鼎++任國瑞++劉金龍

摘 要：汽輪機高壓調節閥在進行單閥/順序閥模式切換過程中，經常會出現高壓轉子-軸承系統振動異常增大的問題。通過對實際機組異常過程的相關數據進行分析，發現高壓調節閥門切換時振動異常與閥位晃動存在相關性。在實際機組上開展驗證實驗，通過優化閥門流量特性減小調節過程閥位晃動，可以消除了這一異常問題。

關鍵詞：汽輪機 單閥控制 順序閥控制 模式切換 軸系振動

中圖分類號：TK268 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0069-03

Experimental Research on the Abnormal Turbine Shaft Vibration Caused by Control Mode Switching of Governing Valves

DUAN Yanfeng1 CAI Ding2 REN Guorui2 LIU Jinlong3

（1.State Nuclear Hua Qing （Beijing） Nuclear Power Technology R & D Co.，Ltd.，Beijing 100190， China；2.College of Energy Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin Heilongjiang 150001， China；3.Harbin Institute of Technology Rentong science development Co.，Ltd，Harbin Heilongjiang，150001，China）

Abstract：Abnormal vibration may appear on steam turbine HP rotor-bearing system when control mode switches between throttle control and nozzle control. The data of a power plant unit is analyzed and the correlation between the abnormal vibration and the oscillation of governing valve position is found.The inference is demonstrated by a verification test on the unit， where the abnormal problem is eliminated by optimizing valve flow characteristic to reduce the valve oscillation.

Key words：Steam Turbine Throttle Control Nozzle Control Mode Switching Rotor-Bearing System Vibration

出于經濟性考慮，汽輪機通常啟動至額定功率穩定運行后，需切換為順序閥控制模式。此時，進行負荷調節時閥門的節流損失相對較小，經濟性顯著提高。然而，在實際生產實踐中，許多機組在閥門切換時存在轉子-軸承系統振動異常增大的問題，嚴重時引起振動超限甚至碰摩等故障[1-3]。由于順序閥存在局部進汽，使得軸系會受到徑向汽流力的作用，因此在順序閥工況下（局部進汽），軸系的軸振幅值與單閥工況（全周進汽）相比會發生一定變化，這是由于在順序閥工況下轉子受徑向汽流力影響使得軸承載荷發生變化，進而影響軸系動力學特性及振動狀態[4-5]。

在維持機組功率不變的情況下，高壓調節閥在單閥和順序閥兩種狀態間的進行切換，簡稱為切換工況。切換工況也存在局部進汽，通常持續3～4 min，其引起的徑向汽流力應大于單閥工況而小于順序閥工況，因此如果切換過程平穩，徑向氣流力相應平穩變化，對應軸振幅值應介于單閥和順序閥工況之間。然而實際中很多閥門切換工況下軸振會異常增大，既高于單閥工況，也高于順序閥工況，且這一現象比較普遍。由于切換過程較短，此類問題較少得到關注，但嚴重情況下會使得機組無法順利投運順序閥、甚至引起故障，影響機組正常運行。

1 振動異常現象描述

下面通過在某600MW機組上開展閥門切換實驗，來復現并分析高壓調節閥門切換過程中振動異常問題。該600MW機組的順序閥方案為GV1+GV3-GV2-GV4（閥門布置方案參見圖1），即升功率過程先同時開啟高壓調節閥GV1和GV3，再依次開啟GV2和GV4。因為屬于對角進汽（同時開啟的GV1和GV3處于對角位置），所以徑向氣流力比順序進汽已大大減小，順序閥工況下#1和#2軸承左右軸振僅略高于單閥工況，因此切換過程中軸振異常增大的問題顯現出來，尤其是#2瓦左軸振，達到了機組振動報警值，如圖2所示。

2 問題分析

通過對切換工況進行分析，發現無論單閥切換順序閥過程，還是順序閥切換單閥過程，都存在GV1和GV3閥位劇烈晃動的階段，而且與軸振異常增大出現在相同時刻，說明閥位晃動與異常問題之間有很強的關聯性，如圖3所示。

閥位晃動時其開度介于30%和40%之間，尚未達到全開，此時閥位變化應該對主蒸汽流量有較大影響。汽輪機的主蒸汽流量與調節級壓力有著強相關性，對圖3所示切換過程的調節級壓力進行考察，發現在閥位晃動時，調節級壓力也在劇烈波動，波動量高達10%～15%，說明主蒸汽流量也在大幅波動，如圖4所示。

主蒸汽流量的大幅波動必然引起徑向汽流力突變，使得轉子受力相應發生突變，對轉子形成了瞬態沖擊。綜合以上分析可知，當閥門切換工況發生閥位晃動時，主蒸汽流量隨之大幅波動，徑向汽流力發生突變，軸系因此受到反復沖擊，導致軸振值增大。endprint

3 實驗驗證

為驗證分析結果的正確性，在前述600MW機組上進行實驗，期望通過減小切換過程閥位晃動來消除軸振異常。閥位晃動的原因通常在于機組DEH系統中設定的閥門流量特性與實際特性不匹配，導致實際調節中偏差過大，在流量信號反饋作用下引起調節指令振蕩[6]。對該機組進行閥門流量特性優化，并開展閥門切換實驗。優化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動現象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調節閥閥位晃動，根本原因在于調節系統中閥門流量特性不準確。

4 結語

汽輪機高壓調節閥模式切換時軸系振動異常增大的直接原因為徑向汽流力突變沖擊。汽流力突變是由于切換時閥位晃動引起主蒸汽流量波動所致，通過優化調節系統中閥門流量特性，達到與實際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動問題，進而解決振動異常。由于閥門流量特性不準確的問題普遍存在于汽輪發電機組中，所以此類異常問題比較常見。這對國內許多機組的優化改造具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] P.Lampart，M.Szymaniak，A.Karda.Unsteady Forces Acting on Rotor Blades of a Large Power Steam Turbin.e Control Stage at Different Levels of Partial Admission[J].Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery，2003，114：5-17.

[2] 向麗暉，龐亞寧.機組進汽方式對軸振瓦溫的影響[J].華北電力技術，2007（2）：4

8-51.

[3] 葛慶，彭喜忠.600MW機組不同進汽方式汽流對軸系的干擾研究[J].熱力透平，2008，37（1）：35-38.

[4] 于達仁，劉占生，李強，等.汽輪機配汽設計的優化[J].動力工程，2007，27（1）：1-5.

[5] Daren Yu，Yanfeng Duan，Jinfu Liu，Zhansheng Liu，Qinghua Hu.Experimental Study on Fault Caused by Partial Arc Steam Forces and Its Economic Solution[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132（6）.

[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統[J].電力科學與工程，2006（3）：80-83.endprint

3 實驗驗證

為驗證分析結果的正確性，在前述600MW機組上進行實驗，期望通過減小切換過程閥位晃動來消除軸振異常。閥位晃動的原因通常在于機組DEH系統中設定的閥門流量特性與實際特性不匹配，導致實際調節中偏差過大，在流量信號反饋作用下引起調節指令振蕩[6]。對該機組進行閥門流量特性優化，并開展閥門切換實驗。優化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動現象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調節閥閥位晃動，根本原因在于調節系統中閥門流量特性不準確。

4 結語

汽輪機高壓調節閥模式切換時軸系振動異常增大的直接原因為徑向汽流力突變沖擊。汽流力突變是由于切換時閥位晃動引起主蒸汽流量波動所致，通過優化調節系統中閥門流量特性，達到與實際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動問題，進而解決振動異常。由于閥門流量特性不準確的問題普遍存在于汽輪發電機組中，所以此類異常問題比較常見。這對國內許多機組的優化改造具有一定的借鑒意義。

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[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統[J].電力科學與工程，2006（3）：80-83.endprint

3 實驗驗證

為驗證分析結果的正確性，在前述600MW機組上進行實驗，期望通過減小切換過程閥位晃動來消除軸振異常。閥位晃動的原因通常在于機組DEH系統中設定的閥門流量特性與實際特性不匹配，導致實際調節中偏差過大，在流量信號反饋作用下引起調節指令振蕩[6]。對該機組進行閥門流量特性優化，并開展閥門切換實驗。優化改造后，在切換過程中，消除了閥位晃動現象，切換過程軸振也介于單閥和順序閥工況之間，如圖5和圖6所示，屬于正常水平。由此可知分析結果正確，切換過程軸振異常的直接原因在于高壓調節閥閥位晃動，根本原因在于調節系統中閥門流量特性不準確。

4 結語

汽輪機高壓調節閥模式切換時軸系振動異常增大的直接原因為徑向汽流力突變沖擊。汽流力突變是由于切換時閥位晃動引起主蒸汽流量波動所致，通過優化調節系統中閥門流量特性，達到與實際相匹配的程度，可消除切換過程閥位晃動問題，進而解決振動異常。由于閥門流量特性不準確的問題普遍存在于汽輪發電機組中，所以此類異常問題比較常見。這對國內許多機組的優化改造具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統[J].電力科學與工程，2006（3）：80-83.endprint