660 MW超超临界二次再热汽轮发电机组轴系振动特性分析

陈丹，高进，文圆圆，董卫红，李溶江

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

660 MW超超临界二次再热汽轮发电机组轴系振动特性分析

陈丹，高进，文圆圆，董卫红，李溶江

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

二次再热汽轮发电机组是实现现阶段火力发电向高效清洁发电转变的有效手段，为保证机组运行安全性，对机组振动特性进行了分析计算。建立轴系的连续质量模型，采用传递矩阵法进行计算。结果表明轴系的振动特性合格，轴系不会因为共振而破坏，在两相短路工况下的转子强度是合格的。

二次再热，弯曲振动，不平衡响应，扭转振动

Abstract：Double reheat steam turbine generator is an effective way to improve thermal efficiency and reduce the pollution.To ensure the safety of the generator,the vibration characteristics has been analyzed and calculated.The transfer matrix method is used to calculate the continuous model of the system.The results show that the shafting vibration characteristics are qualified,and the shafting will not damage by the resonance.The strength of the rotor is qualified under the condition of two-phase short circuit.

Key words：double reheat,bending vibration,unbalance response,torsional vibration

0 引言

由于国内煤炭资源丰富、价格相对低廉，我国成为了世界煤炭生产和消费的第一大国。以煤炭为主的能源结构支撑了我国经济的高速发展，也导致了生态环境面临雾霾等多重污染的挑战，承受着国际上碳减排的压力。

在未来很长一段时期内，煤炭在我国一次能源消费中仍将占主导地位。到2020年，电力耗煤占煤炭消耗的比重将提高到60%以上。作为高耗煤产业，火电行业有必要通过加快发展高效燃煤发电和升级改造、实施燃煤锅炉提升工程，以实现煤炭资源的清洁高效利用[1]。

在这种形势下，大容量、高参数、低热耗的二次再热火电技术符合国家低碳环保、节能减排的要求，是实现清洁高效燃煤发电的切实可行的有效手段，是大型燃煤机组发展的方向[2]。

660 MW超超临界二次再热新建工程在现有的材料体系下，提高蒸汽参数采用二次再热，主汽压力提高至31 MPa，一次、二次再热温度提高至620℃。

为保证机组能够长期平稳地安全运行，在轴系设计阶段就要进行机组轴系的振动特性分析。

轴系振动特性的主要内容是轴系弯曲振动和扭转振动，两者分别为机组转速在临界转速附近时对转子弯曲固有特性的激发而引发的共振，以及蒸汽作用在汽轮机转子上的主动力矩与发电机制动力矩之间的平衡在受到扰动时诱发的轴系扭转振动。

而二次再热机组由于其特殊性，不仅需要关注轴系弯曲振动和扭转振动特性，还需要考虑在蒸汽参数的提高为机组带来热效率提高的同时，也极大地增加了机组发生汽流激振的概率。汽流激振将使轴系稳定性降低，严重时甚至会产生极大的低频振动，诱发转子失稳，影响机组出力。

因此，轴系振动特性分析需要对轴系弯曲振动的临界转速、质量不平衡响应、轴系稳定性、扭振固有频率和响应及其剪切应力进行计算。

本文采用传递矩阵法来计算轴系振动特性。传递矩阵法运用某一传递矩阵来决定单元两端截面的状态，在进行轴系分析时只需对低阶次的矩阵进行连续的矩阵乘法运算，在求解时也只需计算低阶次的传递矩阵和行列式值，具有计算效率高的优点。

1 轴系弯曲振动分析

轴承油膜的刚度及阻尼特性，对轴系的临界转速和不平衡响应有较大的影响，对轴系的稳定性起着决定性的作用。合理地简化轴承参数能够更准确地计算出轴系振动特性[3]。本文采用八参数模型等效各支持轴承。

1.1 轴系无阻尼临界转速的计算

汽轮发电机组轴系总长47．843 m，由超高压转子、高中压转子、A低压转子、B低压转子和发电机转子组成。各转子之间采用刚性联轴器联接。

轴系由10个轴承支撑，各转子均采用双支撑。其中超高压转子、高中压转子采用可倾瓦轴承支撑，A、B低压转子和发电机转子采用椭圆轴承支撑。在超高压转子后端布置有推力轴承。轴系简图见图1。

图1 轴系简图

将轴系模化为263个轴段，其中超高压转子45段，高中压转子56段，A低压转子58段，B低压转子58段，发电机转子46段，轴系计算模型见图2。

图2 轴系计算模型

计算得到轴系各阶无阻尼临界转速见表1。轴系各阶临界转速避开了工作转速（3 000 r/min）的-10%～+15%，且计算结果与现场实测值重合度较高，可见本文所用的轴系模化方法及程序是可靠的，轴系设计是合理的。

表1 轴系各阶临界转速单位：r/min

1.2 轴系不平衡响应计算

根据GB/T 9239在各转子上施加一阶和二阶不平衡量，计算出各轴承处不平衡响应的峰值见表2。可见各轴承处响应峰值均小于50 μm，满足《“85”大机组轴系振动设计导则》中对不平衡响应的要求。

表2 各轴承处振动响应峰值

1.3 轴系稳定性计算

汽轮发电机组的轴系稳定性直接关系到机组的安全可靠性。一般情况下系统对于蒸汽激励的稳定性裕度由高压型转子临界转速大于0．5 N来保证，但是二次再热机组蒸汽参数提高，导致超高压缸进汽密度增大、流速提高，且超高压转子质量小，使得转子在巨大汽流切向力的作用下容易发生汽流激振，从而降低轴系稳定性。

为消除机组汽流激振，需要优化机组结构，减小汽流激振力并加大系统阻尼。采取的主要措施有：

（1）提高超高压转子刚度、临界转速，降低其强迫扰动系数。

（2）超高压、高中压转子采用稳定性好的可倾瓦轴承以增大系统阻尼。

（3）适当增大汽封间隙，采用防旋汽封，使汽流在流入汽封时圆周上均匀流动。

（4）充分考虑各轴承在运行状态下的标高变化量，合理地设计轴系安装曲线，以保证运行状态下轴系的旋转中心与几何中心一致。

尽管通过一系列改进措施减小汽流激振力，在计算轴系稳定性时，仍然需要同时考虑轴承和汽流激振力对轴系的影响，保证机组有足够的安全裕度。

本文根据API684对轴系稳定性进行校核，用对数衰减率作为判定系统稳定性的指标。在考虑汽流激振的情况下，保证工作转速下轴系对数衰减率δ>0．1，则认为系统是稳定的。

轴系对数衰减率计算结果见表3，对数衰减率最小为0．15，满足规范要求。

表3 轴系对数衰减率

2 轴系扭振振动分析

2.1 轴系扭振固有频率的计算

随着电网容量的不断扩大，电力系统结构变得日益复杂，呈现出电力负荷多样化、输电网络复杂化的特征。汽轮发电机组单机容量也随之不断增大，轴系长度加长，轴系抗扭安全系数降低，导致机电系统在受到较严重的机电扰动时，引起同步发电机的电磁力矩偏离稳定值，并使汽轮机驱动转矩与发电机制动转矩之间失去平衡，激起轴系的扭转振动，从而在机组轴系的某些截面处产生过大的交变扭应力，影响轴系安全，最终导致轴系的疲劳损坏甚至冲击性破坏。

由于客观上无法消除和避免各种电力系统的机电扰动及汽轮发电机组的非正常运行方式，为了避免轴系扭振的发生，需要在设计阶段就进行详细的扭振计算，对机组扭振特性进行校核，保证汽轮发电机组扭振固有频率的避开率[4-5]。

建立连续质量等效模型，保证简化后的轴段扭转刚度、转动惯量和长度不变，采用Ricccati传递矩阵法进行轴系扭振频率与振型的计算。轴系扭振固有频率见表4。

表4 轴系扭振固有频率

由表4可知，轴系的扭振固有频率对于工频及倍频的避开率均大于±10%，满足ISO 22266及西屋公司关于扭振固有频率避开率的要求，轴系设计是合理的。

2.2 电气故障时的轴系扭振响应及强度分析

机组在发生两相短路或者三相短路时，短路应力有可能导致转子破坏，因此必须计算短路工况下转子薄弱部位的剪应力。

两相短路时各轴承对应轴颈处剪应力见表5，两相短路时各联轴器螺栓应力见表6。可见，两相短路时轴颈强度、联轴器螺栓强度均合格。

表5 两相短路时轴颈剪应力

表6 两相短路时联轴器螺栓应力

3 机组投运振动情况

消除汽流激振不仅需要在设计上优化结构，还需要从安装和维修这两个方面着手，在机组安装、检修时应严格控制轴系扬度的汽封间隙，保证额定工况下各轴承稳定性良好，防止汽封间隙偏差过大。

现场实测的轴系振动特性是机组从设计制造到安装各阶段影响因素作用在轴系上的最终结果，是考核机组振动品质的依据。

机组已于2015年6月正式投入生产，带满负荷时的振动数据见图3。

由图3可以看出，电机后轴颈Y方向振动值为64.52 μm，其余各轴颈在X方向和Y方向的振动值均小于50 μm。电机后轴承座振动值为33.71 μm，其余各轴承座振动值均小于20 μm。机组实际运行状况良好，各轴承瓦温均小于90℃，振动表现良好。

图3 机组带满负荷时实测振动数据

4 结论

本文针对660 MW超超临界二次再热机组轴系动力学特性进行了分析，经与机组现场实测数据对比，表明本文分析方法可靠，满足高参数机组轴系安全性的设计要求。

[1]申宇,谢君.火力发电企业节能减排策略浅析[J].能源与节能,2012,(6):49-50.

[2]余炎,刘晓澜,范世望.二次再热汽轮机关键技术分析及探讨[J].热力透平,2013,42(2):69-72.

[3]胡建涛.600 MW汽轮发电机组转子轴系振动特性研究[D].华北电力大学,2013.

[4]孙和泰.大型汽轮发电机组的轴系扭振探讨:大型发电机组振动和转子动力学学术会议论文集[C].2003:168-171.

[5]卢明.汽轮发电机组轴系扭振及其抑制措施[J].华东科技（学术版）,2012,(3):20.

Shafting Vibration Characteristic Analysis of 660 MW Ultra supercritical Steam Turbine Unit with Double Reheat Cycle

Chen Dan， Gao Jin， Wen Yuanyuan， Dong Weihong， Li Rongjiang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK62

A

1674-9987（2017）03-0006-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.002

陈丹 （1986-），女，硕士，工程师，毕业于四川大学制造科学与技术学院机械设计及理论专业，现从事汽轮机设计工作。