基于安全高效運行的高溫超高壓抽背機組結構優化

桐鄉泰愛斯環保能源有限公司 洪 欽 劉林濤 陳 斌

1 引言

桐鄉泰愛斯環保能源有限公司所配汽輪機是由哈爾濱汽輪機機械設備制造集團有限公司生產的雙缸、單軸、沖動、抽汽背壓型汽輪機，型號為CB30-13.24/3.5/0.981型。

機組的名稱、型式和基本參數[1]：型式是沖動式、單缸、單軸、抽背式汽輪機；額定的發電功率是30MW；額定的汽輪機轉速是3000r/min；從汽輪機向發電機看旋轉方向是順時針方向；進汽溫度為535℃；進汽壓力為13.24MPa；最大進汽量為289t/h；工業抽汽壓力為3.5MPa；額定抽汽量為60t/h；最大抽汽量為80t/h；排汽壓力為0.981MPa；級數為15級；末級葉片長度為57.5mm。

2 汽輪機結構特點

2.1 汽輪機本體結構

汽輪機為雙層缸、單軸、抽背式汽輪機。本汽輪機有一個高壓外缸和一個高壓內缸，為雙層缸結構汽缸。高壓內缸、中壓蒸汽室、高壓蒸汽室、前汽封、后汽封以及二套隔板套等部套在高壓外缸內部，通流部分包含2級調節級和13級壓力級。

汽輪機轉子是雙支點支承型式，分別是1#推力支持聯合軸承、#2支持軸承，兩個均是橢圓軸承，其中1#推力支持聯合軸承是三層帶瓦襯軸承。兩個軸承的內徑分別是φ300×220和φ280×220。推力軸承是米歇爾式，定位和推力瓦塊各10塊，推力瓦塊的內外徑分別是320mm和520mm，定位瓦塊的內外徑分別是360mm和520mm。軸系上通過剛性聯軸器和連接短軸將汽輪機轉子同發電機轉子相連。整鍛式結構轉子，裝配有2個調節和13個壓力級的動葉片。

高壓主汽閥和高壓調節閥控制機組的高壓進汽，一個臥式布置的高壓主汽閥和兩個立式布置的高壓調節閥合成高壓聯合調節汽閥，臥式結構布置在汽輪機前軸承箱的兩側。鍋爐的主蒸汽通過φ219×26的超高壓管道進到高壓聯合調節汽閥的主閥腔內，然后進入調閥腔內，再由2個φ168×22的主汽管與主汽管道進行焊接在一起，主汽管與高壓外缸由法蘭把接在一起，并通過高壓進汽插管與高壓內缸相聯，由此進入高壓蒸汽室內，由噴嘴流入通流中，高壓內缸由四個支撐搭子搭接在高壓外缸內。高壓主汽調節聯合閥與主汽閥構架用螺栓把緊連接成為一體，高壓主汽調節聯合閥的構架同基礎固定在一起。每個主汽閥對應一個油動機，每個調節閥各對應一個調節閥油動機。

汽輪機設置有4個中壓的抽汽調節閥，布置在汽缸的中部，連接在外缸缸體上，中壓調節閥的內部設置有蒸汽通道，中壓蒸汽腔室前蒸汽通過4個中壓抽汽調節閥進入4個中壓蒸汽腔室至汽輪機作功。

汽輪機盤車裝置裝在后軸承箱的上箱蓋，汽輪機停機時可以通過盤車裝置低速盤動轉子，避免產生轉子熱彎曲。當汽輪機轉速高于盤車轉速，則盤車自動脫開。盤車裝置既能手動盤車又可自動盤車。

2.2 汽輪機軸封系統結構

在汽輪機轉子跟汽缸部件之間，采取可靠措施阻止外部空氣漏進汽缸，同時阻止汽缸內部蒸汽漏出，漏到前軸承箱內，造成汽輪機潤滑油中含水，同時蒸汽漏到廠房里。汽輪機的軸封系統設置可以實現這個要求。

在汽缸的兩個軸端裝配有汽封體以及汽封圈，汽封圈上的汽封齒環繞轉子，之間距離僅保留有為防止運行過程發生接觸的間隙[2]。本機組汽封圈采用比較成熟可靠的梳齒式汽封結構型式。

在汽輪機前軸封的一段、二段漏汽分別接至汽輪機0.98MPa.A排汽管道，前軸封三段漏汽以及后軸封一段漏汽合并后通過截止閥控制壓力后接入軸封加熱器，前軸封四段漏汽、后軸封二段漏汽以及閥門門桿的二段漏汽合并后接入軸封加熱器（見圖1）。

圖1

3 汽輪機的啟動要求

汽輪機的啟動有三種狀態，冷態啟動、溫態啟動和熱態啟動，冷態啟動是高壓缸內壁金屬溫度小于200℃時啟動，溫態啟動是高壓缸內壁金屬溫度在200～380℃范圍內啟動，熱態啟動是高壓缸的內壁金屬溫度在大于380℃時啟動[3]。

啟動時要求蒸汽過熱度大于55℃，冷態啟動要求壓力2.0～2.5MPa（a），溫度300～350℃。冷態啟動過程，要求用滑參數啟動，這樣可以使得汽輪機各部件溫差小。在溫態狀態或熱態轉臺啟動時，主蒸汽的溫度要求比高壓缸內壁金屬溫度高50～100℃。

機組升速過程中，要迅速通過汽輪機轉子和發電機轉子的臨界轉速如表1所示。

表1

機組進行冷態啟動時，應記錄各暖機轉速 和各負荷下的汽缸調節級區域下部金屬溫度，并以此作為機組停機后再次啟動的依據。

4 存在問題

本汽輪機為哈爾濱汽輪機機械設備制造集團有限公司首臺定制機組，自汽輪機投運以來，主要存在以下三方面問題：

（1）由于熱電廠采用的是主蒸汽母管制，汽輪機無法滿足汽輪機啟動要求的冷態啟動參數，只能采用高溫超高壓定壓啟動，在汽輪機冷態啟動過程中，熱膨脹曲線跟設計不符，每次冷態開機時，均由于脹差過大而導致跳機，無法實現汽輪發電機組并網發電。對外供熱只能通過雙減，嚴重影響生產的穩定性及經濟效益。

（2）1#汽輪機帶負荷7MW以上、2#汽輪機帶負荷在24MW以上均產生異響，且缸體高頻振動，影響機組安全，無法實現高負荷運行。本汽輪機組蒸汽壓力13.24MPa,蒸汽溫度535℃，缸體高頻振動會導致缸體螺栓松動，管道接口因振動破裂，壓力表爆裂，造成高溫高壓蒸汽泄露，嚴重威脅人身及設備安全，影響正常生產。

（3）汽輪機高壓端軸封位置蒸汽外漏嚴重，污染機組潤滑油，造成熱工元器件失效或損壞，甚至可能導致人員燙傷。

5 原因分析

綜合以上機組存在的問題，根據實際情況對汽輪機運行狀態進行分析。特別針對第（2）項問題，在機組運行過程中產生高頻振動的部位進行查找及測量，初步判斷其產生異響的部位，對該部位的內部部件圖紙進行仔細研究，同時利用專業設備測振，發現如下情況：

對內缸1#隔板套、2#隔板套、中壓蒸汽室出汽側、進汽側進行固有頻率測試，同時測試各級隔板的固有頻率及各級葉輪的固有頻率，各級隔板頻率及葉輪頻率未出現在232～243Hz，說明隔板及葉輪不是汽輪機振動的原因，兩級隔板套由于自身剛度很高，通過敲擊測試很難激起其固有頻率振動，中壓蒸汽室進汽側頻率稍高，出汽側三個頻率與汽機異常振動的頻率比較接近，而且出汽側很容易被激勵，說明出汽側的剛度明顯偏弱。

表2 改造前各部件固有頻率表（Hz）

圖2 中壓蒸汽室出汽側固有頻率測試圖

圖3 中壓蒸汽室進汽側固有頻率測試圖

6 處理方案

6.1 針對問題（2）的處理方案

依據測量結果，經過研究探討，決定對該部位的兩個的部件提出優化改進。

一是改變徑向汽封體同第一級隔板套的連接方式，增強二者的連接可靠性，同時提高徑向汽封體的剛度，避開高頻振動范圍。改造后如圖4所示。

圖4

二是通過軟件計算分析，在中壓蒸汽腔室增加4個加強螺栓，將中壓蒸汽腔室前后隔板連接，提高該部件的整體剛度，避開高頻振動范圍。改造后如圖5所示。

三是將中壓蒸汽室正上方、正下方、左右的四個擋汽板去除，消除蒸汽節流產生的“哨子效應”，產生高頻，引起部件的高頻振動。

圖6

四是在1#隔板套上進行補焊4個面積為3cm2的搭子，在熱態情況下使隔板套通過搭子受力于汽缸，以增強隔板套的剛度，避開高頻振動范圍。改造后如圖7所示。

圖7

以上改造后中壓蒸汽室固有頻率提升很多，頻率大于13倍的轉速頻率，氣流激振應該不會激起較高頻率的振動。

表3 改造前各部件固有頻率表（Hz）

6.2 針對問題（1）的處理方案

因為汽輪機冷態啟動時的進汽參數無法保障，保證脹差在控制范圍內，在系統上增加了一套汽輪機暖缸系統，在汽輪機啟動沖轉前，將主蒸汽減溫減壓要要求值后，通入汽缸的外缸疏水接口，對汽輪機進行暖缸，使汽輪機外缸膨脹，按照汽輪機熱態啟動的要求進行，確保了汽輪機沖轉和并網。

圖8

圖9

6.3 針對問題（3）的處理方案

根據前期汽輪機運行狀態，結合開缸后汽封的磨損情況，通過分析及計算，在保證不碰磨的情況下，調整徑向的設計間隙，將間隙按設計下限或低于下限進行安裝調整，減少汽封漏汽量，提高蒸汽的利用效率，同時消除蒸汽外漏現象。

圖10

考慮汽缸距離軸封加熱器距離比較遠，現場實際布置過程中管路較長，彎頭較多，根據工程管路設計規范，負壓管道每百米壓力降控制值為1.96kPa，每個DN100彎頭壓降相當于30m直管壓降，按現場只有10個彎頭來算，漏汽母管壓損就已經達到6kPa，再加上汽封體局部損失和汽水管道管路損失，使前軸封四段漏汽和后軸封二段漏汽缸體位置壓力偏高，沒有達到設計負壓要求。根據理論核算和實際測量，將軸封管道管徑改大，并根據現場布置管道，減少彎頭，消除蒸汽外漏現象。

7 結論

根據現場問題進行有針對性的結構優化后至今，每次啟動均能實現一次成功并網發電，機組運行平穩且能實現滿負荷運行，運行期間機組各項參數良好。

通過本次結構優化，1#機組從最高只能帶7MW負荷到現在帶35MW負荷運行，2#機組從最高只能帶24MW負荷到現在帶35MW負荷運行，在各負荷下均振動正常，現場軸封外漏消除，運行正常，較大提高了公司的發電效益。

高溫超高壓熱電廠汽輪機組是未來發展的方向，應用廣泛，通過問題對全國首臺的高溫超高壓抽背汽輪機進行的結構優化，為今后的抽背汽輪機組設計提供了依據，保證了未來投用的高溫超高壓熱電廠機組的安全可靠。