机组升级改造中的轴系设计方案分析

郎 欣

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

为了落实《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》，挖掘出既有煤电机组的节能潜力，国家能源局提出了利用成熟技术，对亚临界煤电机组实施系统性改造，降低能耗的目标，以达到同类机组先进水平[1]。目前国内已经完成了多台300 MW等级和600 MW等级的改造项目，轴承座位置不变，整个轴系标高变化不大。岱海汽轮机改造项目是由上海汽轮机厂设计生产制造的首台将主、再热进汽温度由亚临界参数提升到超超临界参数的机组项目，也是首台由“湿冷”改造为“空冷”的大容量机组项目。设计人员将先进的整体通流叶片技术(Advanced Integral Blade Technology, AIBT)[2]运用到亚临界600 MW改造机组中，实现了跨代改造，降低煤耗。

由于该改造项目通流结构的大范围改动，轴承间跨距变长，两个低压转子轴承间跨距由原来的5 740 mm改为6 000 mm，而发电机安装情况没有改变，原有轴系找中方案无法满足要求。低压转子跨距的增加，以及机组设计时将亚临界机组特点与超超临界机组特点[3]的全面融合，给轴系分析带来巨大的挑战。本文对比了多种轴系找中方案，得到既能满足轴系设计要求，又能满足改造机组现场调整标高要求的方案，保证机组改造后能够安全稳定运行。

1 轴系找中方案介绍

此次改造是在机组使用多年后对局部结构进行替换升级，在制定改造方案时需要掌握原有机组的轴系找中情况，改造前的轴系静态数据如表1所示，机组改造前后的跨距和静挠度数据如表2所示。在汽轮机改造方案中，设计人员优化了转子通流设计，使高压转子和中压转子轴承间跨距与改造前相同，而两个低压转子轴承间跨距由原来的5 740 mm改为6 000 mm，发电机安装标高只允许微调。机组改造后，轴系总长不变(受转子热胀影响略有差别)，依然采用双轴承支撑结构，轴承采用四瓦可倾结构，轴承直径不变，轴承宽度略有变化。

表1 机组改造前轴系静态数据

表2 机组改造前后跨距和静挠度对比

在改造方案中，低压转子轴承间跨距增加，需要将原先座缸式轴承座改为落地式轴承座。汽缸形式和通流设计采用超超临界机组设计风格，而轴承却没有采用袋式轴承，而是采用可倾瓦轴承，并且也没有采用单支撑结构，而是在原有机组的轴系大框架下，更换了低压轴承座、多根转子和汽缸。改造对于轴系的固有频率有些影响，而对于机组的轴系找中影响很大，特别是安装标高的调整，需要在多方案之间进行比较。

1.1 超超临界机组特点的计算模型

机组改造方案中，转子和汽缸设计都采用超超临界机组设计风格，因此首先采用超超临界机组特点的轴系分析方案，作为方案1。计算模型以联轴器处张口错位为零为依据，将各根转子连接成轴系。图1为方案1计算轴系模型示意图，该方案以低压转子LP1的两个轴承为零位，将多根转子连接成轴系，由于该方案改用落地式轴承座，低压轴承标高不需要冷态抬高，由此得到了理想状态下各个轴承处的标高值。

图1 方案1计算轴系模型示意图(下方数值表示标高量，单位mm)

计算的理想标高数据如表3所示，与改造前原始安装标高相比较，1号瓦轴承需要抬高约4 mm，发电机侧励磁机轴承至少需要调整8 mm。由于主油泵的关系，1号轴承抬高量有限，而发电机侧尽量不做调整，因此，如果改造后采用联轴器“零碰零”安装，标高改动太大，无法满足现场安装的要求。

1.2 亚临界机组特点的计算模型

机组改造时虽然采用了超超临界机组的设计特点，但依然沿用主油泵放置在汽轮机机头的传统配置，汽轮机轴承都采用可倾瓦形式，轴系采用双支撑结构，与原有亚临界机组特点相近，因此，可以根据亚临界机组特点进行轴系找中方案设计，作为方案2。计算模型以转子轴承处弯矩为零为依据，将各根转子连接成轴系。方案2同样以低压转子LP1的两个轴承为零位，计算轴系模型示意图如图2所示。理想状态下各个轴承处的标高值如表4所示。

表3 方案1理想标高与原始标高值对比

表4 方案2理想标高与原始标高值对比

图2 方案2计算轴系模型示意图

方案2计算得到的理想安装数据与改造前的安装标高相比，汽轮机侧的标高变化量都在1 mm以内，调整最大处为低压转子LP2的发电机侧轴承8号瓦，调整量为0.89 mm，满足现场安装时调整的要求。而发电机侧3个轴承标高调整量都比较大，9号瓦需要调整1.44 mm，10号瓦需要调整3.43 mm，11号瓦需要调整3.92 mm。本次改造对发电机并没有大的改动，因此无法满足约4 mm的标高调整量。但是与方案1计算得到的理想安装标高相比，方案2计算得到的理想标高值需要调整的量由最高的8 mm减小到 4 mm，与改造前的安装标高更接近。方案2理想计算轴承比压(压强)与原始数据如表5所示，各轴承比压在合理范围内。分析认为，在方案2计算结果的基础上进行微调，能够得到比较合理的方案。

表5 方案2理想计算轴承比压与原始数据对比

1.3 轴系找中优化方案

为了优化方案2，参考改造前发电机机组的安装数据，采用改造前发电机机组的安装标高，仅调整理想计算结果中联轴器处张口的错位值，从而影响各个轴承的载荷分布，以满足改造机组轴系找中的要求。该方案称为方案3

在理论模型中，方案3对零位参考点的右侧，即低压LP2转子和发电机转子标高进行调整，将其调整到改造前的标高值，即7号瓦标高由0.87 mm调整为4.85 mm，8号瓦标高由4.19 mm调整为3.15 mm，发电机9号瓦标高从6.29 mm调整为4.85 mm，10号瓦标高从22.60 mm调整为19.17 mm，11号瓦标高从28.63 mm调整为24.71 mm。调整后得到新的联轴器张口错位值，不同方案对比结果如表6和表7所示。

表6 方案2和方案3的张口错位值对比

表7 原始状态、方案2和方案3的比压对比

与方案2相比，低压LP2转子和发电机转子标高调整到改造前的数值后，6号瓦比压变小，7号瓦比压变大，8号瓦比压变小，9号瓦比压变大，但变化幅度较小，在可调整的范围内。6-7号联轴器处虽然标高调整量不大，但是张口值调整量最大，导致该处载荷分布变化最明显，调整后的轴系安装数据能够满足现场轴系找中的要求。

综合以上分析，在亚临界机组改造为超超临界机组的过程中，轴系分析方法可以采用亚临界机组特点的计算模型，在得到理想标高后对各别轴承标高做局部调整，以满足改造后轴系数据设计要求，即采用方案3。

2 轴系临界转速考核

在方案3的轴系找中方案下，计算汽轮机轴系各跨转子的临界转速，计算结果如表8和图3所示。阻尼临界转速能够满足设计要求：当机组额定功率超过50 MW时，要求在额定转速下轴系各阶临界转速下的对数衰减率大于0.065。该方案下临界转速计算结果对数衰减率均大于0.065，各阶临界转速都能避开工作转速的±10%范围，且避开量较大，能满足考核标准，说明该机组具有良好的稳定性。

表8 轴系各轴承处临界转速的计算结果

(a) 低压转子LP1一阶临界转速

(b) 低压转子LP2一阶临界转速

(c)中压转子IP一阶临界转速

(d) 高压转子HP一阶临界转速

3 结 论

本文介绍了亚临界机组改造为超超临界机组的升级改造项目中，将轴系两个低压转子轴承间跨距由原来5 740 mm改为6 000 mm后的轴系找中分析情况，对比了3种轴系找中方案，分析认为，轴系分析方法可以采用亚临界机组特点的计算模型，在得到理想标高后对个别轴承标高做局部调整，以满足改造后轴系数据设计要求。其他轴系数据均能满足考核标准，机组投运后振动和瓦温都能满足设计要求。本文研究得到的轴系找中方案也可以应用到其他改造机组中，在现场标高调整范围有限的情况下，保证机组能够安全稳定运行。