一臺高爐煤氣透平發(fā)電機(jī)組試車振動問題分析與處理

李小川，牛小月（北京明誠技術(shù)開發(fā)有限公司動力室，北京　100049）

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一臺高爐煤氣透平發(fā)電機(jī)組試車振動問題分析與處理

李小川，牛小月
（北京明誠技術(shù)開發(fā)有限公司動力室，北京100049）

【摘要】針對某臺高爐煤氣透平發(fā)電機(jī)組（TRT）施工完成后進(jìn)行熱試產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，進(jìn)行了一系列的分析，并提出具體的解決措施，為今后TRT機(jī)組管系布置和工廠設(shè)計(jì)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】TRT、振動、解決措施

1　前言

某鋼廠4#高爐擴(kuò)容改造,新增一套配套的煤氣透平發(fā)電機(jī)組--TRT機(jī)組，機(jī)組主要由透平主機(jī)、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等組成，TRT是利用高爐冶煉的副產(chǎn)品--高爐爐頂煤氣，其具有的壓力能及熱能，使煤氣通過透平膨脹機(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)裝置發(fā)電的一種二次能源回收裝置。

工程竣工后，在試車過程中，透平機(jī)組進(jìn)氣端和出氣端的軸瓦振動值均超過停機(jī)值120滋m，后經(jīng)多次采取措施、重復(fù)試車，最后成功運(yùn)行投產(chǎn)。本文從設(shè)計(jì)的角度并結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際情況總結(jié)了透平機(jī)組試車振動超標(biāo)的原因以及采取的具體措施，并對各種解決措施的關(guān)鍵點(diǎn)一一進(jìn)行分析。

2　振動分析與處理措施

2.1設(shè)計(jì)綜述

TRT透平機(jī)煤氣流向采取下進(jìn)下出的方式，透平機(jī)進(jìn)、出口均是矩形法蘭接口，連接管道為焊接圓管。因此，在透平機(jī)進(jìn)、出口垂直管道上設(shè)置了天方地圓管，底部連接90毅焊制彎頭。以透平進(jìn)口管道為例，如圖1。彎頭用彎頭托座支撐，底部設(shè)置彈簧托座安放在混凝土支墩上。與90毅焊制彎頭相連的是橫向型波紋管補(bǔ)償器，之后便是固定支架管道約束點(diǎn)。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，透平機(jī)進(jìn)、出口管道內(nèi)的煤氣介質(zhì)溫度較高，透平機(jī)本身固定在設(shè)備基礎(chǔ)上，與進(jìn)、出口相連的管道受熱膨脹向下位移。在垂直管道彎頭托座底部設(shè)置的相應(yīng)的彈簧托座，用于吸收管道在垂直方向上的熱位移和機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動。

由于透平機(jī)進(jìn)、出口管段管件復(fù)雜、閥門較多，在靠近透平機(jī)進(jìn)、出口處設(shè)置了固定點(diǎn)，并與相應(yīng)的波紋管補(bǔ)償器相結(jié)合，旨在使透平機(jī)進(jìn)、出口的管系簡化，并與外部的管系隔開，從而避免外部管系對透平機(jī)產(chǎn)生影響。

2.2試車情況

單機(jī)調(diào)試完畢后進(jìn)行聯(lián)動試車，試車過程中，隨著溫度的上升，透平機(jī)進(jìn)、出口軸振動檢測數(shù)值持續(xù)上升，直至達(dá)到報(bào)警值120滋m被迫停機(jī)。根據(jù)放置在透平機(jī)彎頭托座底部的水平位移測定表，發(fā)現(xiàn)水平管道熱態(tài)和冷態(tài)時(shí)的位移相差約4 mm。

隨著溫度的上升，透平機(jī)進(jìn)、出口垂直管道的向下位移量極小，幾乎檢測不到。彈簧托座也未觀察到變形。

在若干次的試車過程中，發(fā)現(xiàn)靠近透平機(jī)入口的固定鋼支架有向透平機(jī)方向彎曲的跡象，實(shí)際測量頂部托座偏離約10 mm。

2.3問題分析

（1）TRT透平機(jī)進(jìn)、出口波紋管補(bǔ)償器的設(shè)置問題

透平機(jī)進(jìn)、出口管道內(nèi)介質(zhì)溫度上升后，管道有熱膨脹位移現(xiàn)象，均往彎頭后部移動。因波紋管補(bǔ)償器另一側(cè)為管道的固定點(diǎn)，不能被波紋管吸收軸向位移的水平管道（如彎頭水平段）會使彎頭垂直中心線發(fā)生偏移，這樣會對透平機(jī)產(chǎn)生了一個側(cè)向力作用，造成了機(jī)組的振動。

（2）TRT透平機(jī)進(jìn)、出口立管彈簧托座的設(shè)置問題

根據(jù)設(shè)計(jì)值，在高爐煤氣工況溫度下，透平進(jìn)、出口的向下位移量約10~20 mm.，而實(shí)際的位移量卻極小。實(shí)際檢查彈簧構(gòu)造發(fā)現(xiàn)，彈簧直徑很大，對應(yīng)的剛度值也很大，經(jīng)計(jì)算大于管道位移向下的力，因而，勢必會給機(jī)組一個較大的反力。

（3）TRT透平機(jī)進(jìn)、出口段固定支架施工問題

實(shí)際檢查固定支架、滑動托座，發(fā)現(xiàn)架面形式由于施工的原因未嚴(yán)格按照圖紙施工。另外，其他的滑動托座處本應(yīng)和底部支架保持滑動摩擦，但實(shí)際卻有很多地方被點(diǎn)焊，這樣就影響了管道的正常熱位移。煤氣管道固定支架承受的推力主要有補(bǔ)償器的反彈力、氣體內(nèi)壓作用于鼓壁及管端（或盲板）的推力、支架的摩擦力等，如下式：

式中，F(xiàn)S--補(bǔ)償器作用于固定支架上的彈性推力；

FN--氣體內(nèi)壓對固定支架的推力；

Fm--剛性支架的摩擦力。

此次管系中，因管道閥門等附件多而重，摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道的彈性力。

圖1　透平機(jī)進(jìn)、出口管道立面布置圖

2.4解決措施

（1）調(diào)整波紋管補(bǔ)償器，將彎頭的水平段軸向位移吸收，與波紋管生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通協(xié)商后，采取了兩種辦法：一是預(yù)緊大拉桿，在管道熱態(tài)時(shí)擰緊拉桿兩側(cè)外螺母；二是在90毅焊制彎頭的垂直中心線上增加受力拉盤，更換四根較長的大拉桿，將新增受力盤和原固定點(diǎn)附近的受力盤用大拉桿固定，彎頭水平段的軸向位移通過原大拉桿內(nèi)的補(bǔ)償器吸收。以透平進(jìn)口為例，如圖2。

（2）更換彈簧托座，并將之前較大的彈簧托座分為兩個小型的彈簧托座，以降低彈簧的剛度值。

（3）經(jīng)重新計(jì)算，對管道支架和托座采取措施，一是澆筑混凝土包覆固定支架，以增加固定支架的強(qiáng)度；二是加固固定點(diǎn)處的固定托座；最后使滑動托座與底部的鋼支架間保持滑動。

2.5結(jié)果驗(yàn)證

以上措施實(shí)施完畢后，對機(jī)組重新進(jìn)行多次試車和改進(jìn)。試車過程中，對透平機(jī)底部的垂直管道向下的位移量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)管道位移向下明顯，實(shí)際測量的位移量與計(jì)算位移量接近。軸振動檢測值隨著高爐煤氣工況的變化有不穩(wěn)定的現(xiàn)象產(chǎn)生。機(jī)組的振動較之前有明顯的改善，持續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)后，振動值上升穩(wěn)定至80~90滋m，已達(dá)到報(bào)警值，但未達(dá)到停機(jī)值，之后成功地進(jìn)行了并網(wǎng)發(fā)電。但是當(dāng)熱負(fù)荷提升時(shí)，振動的現(xiàn)象又開始劇烈，機(jī)組被迫再次停機(jī)。

圖2　透平機(jī)進(jìn)口波紋管補(bǔ)償器改造示意圖

3　設(shè)置垂直導(dǎo)向筒的處理方案

在上述措施實(shí)施后，透平機(jī)振動現(xiàn)象有了較大的改善，但因機(jī)組振動值超標(biāo)問題，仍然無法滿負(fù)荷運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。在經(jīng)過多次與設(shè)備廠家及相關(guān)技術(shù)人員溝通討論后，采取了在透平機(jī)進(jìn)、出口彎頭托座底部放置垂直導(dǎo)向筒的方式，如圖3。

圖3　垂直導(dǎo)向筒示意圖

將套筒的上部與彎頭托座底板焊接牢固，套筒底部與土建支墩焊接牢固，并使套筒的垂直中心線與透平機(jī)入口（或出口）的垂直中心線保持重合。從而約束了垂直管道在水平方向上的位移，但在垂直方向上仍可保持滑動。

再次啟車后，從沖轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)速到并網(wǎng)發(fā)電，再到機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組運(yùn)行情況始終正常，軸振動各點(diǎn)檢測值均不超過30滋m，TRT發(fā)電機(jī)組順利投產(chǎn)。

4　總結(jié)

從機(jī)組第一次聯(lián)動試車到最后順利投產(chǎn)，機(jī)組的軸振動超標(biāo)現(xiàn)象一直持續(xù)出現(xiàn)。采取了多種措施，包括改造橫向型波紋管補(bǔ)償器、更換彈簧托座、加固固定支架，直到最后設(shè)置垂直限位套筒。垂直限位套筒對于改善機(jī)組振動作用非常明顯，但是其他措施的影響也不應(yīng)忽視。類似的設(shè)計(jì)工作，應(yīng)重點(diǎn)在以下幾方面考慮：

（1）合理的設(shè)置管系固定點(diǎn)和波紋管補(bǔ)償器，應(yīng)使固定支架和補(bǔ)償器盡量遠(yuǎn)離透平機(jī)，使透平機(jī)附近管道的熱位移及推力向外部傳遞；

（2）在透平機(jī)進(jìn)、出口彎頭托座底部設(shè)置垂直導(dǎo)向筒將成為一個成功范例，值得在類似工程中進(jìn)行推廣。在水平方向上對垂直管道進(jìn)行約束，而在垂直方向上可以保持滑動，很好的限制了管道水平方向上的熱位移和綜合作用力對透平機(jī)產(chǎn)生的影響。但是安裝時(shí)，一定要注意套筒的垂直中心線應(yīng)和透平機(jī)殼的出入口中心線保持重合，而非與出入口管道的中心線保持重合。

[參考文獻(xiàn)]

[1]《鋼鐵企業(yè)燃?xì)庠O(shè)計(jì)參考資料》編寫組.鋼鐵企業(yè)燃?xì)庠O(shè)計(jì)參考資料-煤氣部分[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.

Analysis and Treatment of the Vibration Phenomenon of one TRT

LI Xiaochuan，NIU Xiaoyue
(Beijing Mingcheng Technology Development Co.,Ltd,Beijinng 100049，China)

【Abstract】In view of the Vibration phenomenon of one blast-furnace top gas recovery turbine unit(TRT) in the process of trial operation after the construction,the article carries out a series of analysis and puts forward concrete measures to provide references for TRT piping arrangement and plant design in the future.

【Keywords】TRT；vibration；measures

作者簡介：李小川（1986-），男，2011年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事工業(yè)燃?xì)饧盁崃υO(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-07-13

【中圖分類號】TM31

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1006-6764（2015）10-0047-03