防止汽轮机轴系振动失稳的高调阀组进汽模式切换组合方法研究

李珍兴,谷军生,姚 坤,万 杰

(1.河北国华定洲发电有限责任公司，河北 定州 073000；2.哈尔滨工业大学,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

当前，大规模风电、光伏的并网需要火电机组具备更宽、更快、更精确的调节能力[1-2]。为了提高汽轮机高低负荷工况的运行经济性，机组并网后且会由单阀模式切换至顺序阀模式。因此，不少研究人员针对顺序阀的安全高效投运问题，从机理分析、建模仿真及试验测试等多个方面开展了大量的探索工作，主要包括两个主要方面：一方面，为了满足电网日趋严格的AGC考核标准，对调节阀组实际流量特性辨识及进汽线性控制优化方法进行研究[3-4]；另一方面，通过改变调节阀组的进汽顺序抑制部分负荷工况下的配汽不平衡汽流力[5]、提高汽轮机中低负荷的经济性[6]。然而，汽轮机通流改造改变了缸体内部蒸汽的流动特性，极易产生威胁机组运行安全的汽流激振问题[7]；并且，转子动力特性受多因素影响而异常复杂[8]。所以，通流改造后出现的汽流激振问题难以通过单一的进汽顺序优化就能解决，往往需要结合硬件改造的方法才能解决[9]。也有一些学者提出利用双对角进汽解决汽轮机复杂轴系失稳问题，虽然相对单阀方式减小了一部分节流损失，但从长期经济运行角度来讲还具有一定的局限性[10-11]。此外，现有汽轮机DEH阀门管理中的顺序阀逻辑只可以设置一组喷嘴配汽规律参数，仅能够实现单阀与顺序阀之间的切换[12]；对于设置两套顺序阀规律参数并可进行切换应用的研究，还未见实际公开权威文献报导。

针对2台600 MW汽轮机由于通流改造后出现汽流激振，致使顺序阀方式下的转子运行出现振动失稳现象的问题，在兼顾长期部分负荷运行的安全性和经济性，本文提出了一种高调阀组喷嘴局部进汽模式切换组合的方法，结合测试试验设计了融合加大重叠度与双对角的喷嘴组合进汽规律及DEH切换逻辑方案；这既避免了直接利用双对角进汽方案带来的长期能耗损失，又避免了直接停机对硬件进行检修调整，具有一定的实际工程价值。

1 故障汽轮机的喷嘴组布置及配汽规律

通流改造后出现汽流激振的2台机组分别配备了相同的亚临界600 MW汽轮机，图1为其高调门喷嘴布置图，图2为其对应的顺序阀规律曲线。

图1 机组阀门喷嘴布置图

图2 原顺序阀规律

2 优化方案设计及试验方法

根据顺序阀方式下配汽不平衡汽流力的作用机制，四调门汽轮机常用的“2→1→1”的喷嘴配汽设计原则包括以下四组

(1) GV1+GV4→GV3→GV2；

(2) GV1+GV4→GV2→GV3；

(3) GV2+GV3→GV4→GV1；

(4) GV2+GV3→GV1→GV4。

如图3所示，为#2机组的四种进汽规律测试试验结果。与先开GV2和GV3相比，机组先开GV1和GV4会产生更大的轴承振动。其中，#2轴承振动峰值接近160 um，严重威胁机组的安全运行。因此，放弃方案(1)和方案(2)。对比方案(3)和方案(4)，方案(4)轴振水平相对较小，且综合考虑轴瓦温度，方案(4)为四种方案中的最优解。

图3 #2机组阀组开关试验测试过程

对于四调门机组，传统顺序阀进汽模式多采用上述“2→1→1”的设计原则，在机组轴振过高、影响安全运行时则选择切换至单阀运行。实际上，在二者之间还有一种效率相对单阀运行方式更优的配汽运行方式，即“2→2”的双对角进汽模式，已有实际机组进行了应用并取得了良好的应用效果。然而，从长期低负荷运行的角度来看，这种配汽方式的节流损失仍要高于传统的“2→1→1”配汽模式。因此，为了兼顾机组长期运行的安全性和经济性，设计了2种不同的进汽模式。如图4所示，方案一为常规对角进汽模式GV2+GV3→GV1→GV4，通过加大重叠度来维持长期低负荷的安全高效性；在机组出现轴振超限的极端工况时，采用方案二的双对角进汽模式GV2+GV3→GV1+GV4。并且，参考单阀与

图4 #2机组两种顺序阀规律设计方案

图5 #2机组优化后运行状态(方案一)

图6 #2机组优化后运行状态(方案二)

顺序阀之间的切换方式，设计了两种顺序阀规律之间的切换逻辑。在轴振过大时切换为双对角模式保障机组安全，有效应对机组由于冬夏季背压变化，使得汽流激振点出现偏移的问题。

3 实验结果及分析

为了验证两套规律的有效性，对设计的2种进汽策略分别进行测试，测试结果如图5和图6所示。试验结果可以看出：方案一和方案二都可以有效缓解汽流激振导致的轴振过大的问题，尤其双对角进汽的效果更好。

另一台机组的测试结果如图7和图8所示，也取得了同样优化效果；尤其是极端工况时，双对角进汽模式对振动失稳有很好的抑制作用。该方法对另一电厂的2台同类型600 MW机组通流改造后出现的汽流激振问题，也具有良好的治理效果。

图7 #1机组开关试验测试过程

图8 #1机组优化后运行状态(双对角进汽)

4 结论及展望

本文针对2台亚临界600 MW汽轮机通流改造后在顺序阀模式下出现汽流激振并导致轴承振动超标的问题进行试验研究，提出了一种高调阀组进汽模式切换组合方法，结论如下：

(1)对四组常规“2→1→1”顺序阀方式进行开关测试试验，得到机组的最佳喷嘴配汽方案；

(2)设计了双对角“2→2”进汽方案，可以有效缓解机组由于汽流激振引起的轴振过大的问题；可以有效应对机组由于冬夏季背压变化，使得汽流激振点出现偏移的问题；

(3)参考机组常规单阀-顺序阀切换逻辑，设计了两种顺序阀规律的DEH改造方案，满足夏季经常切换的需求，兼顾了长期运行的安全性和经济性；

实际多台机组应用测试效果显示，该方法对通流改造引起的汽流激振问题具有良好的治理效果，具有一定实际推广应用价值。