田湾二期汽轮发电机组弹性基础选择

第56卷第1期2014年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO156NO1FEB2014田湾二期汽轮发电机组弹性基础选择余紫群，杨晓辉1中核江苏核电有限公司，连云港222042；2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要田湾二期机组基础由刚性基础改变为弹簧基础，汽轮机和凝汽器的结构保持不变，主要改动为汽轮机与凝汽器的连接由波纹管改为焊接，凝汽器下部由刚性支撑改为弹簧支撑。叙述了因改动对汽轮机排汽管刚度、凝汽器稳定性、汽缸稳定性和轴系临界转速的校核情况。校核结果表明，所有性能均能满足机组引进厂家的技术要求，机组运行安全可靠。关键词核电机组；凝汽器；汽缸；临界转速；弹性基础；稳定性分类号TK263文献标识码A文章编号100158842014O1001804THESELECTIONOFTHESPRINGSUPPORTEDFOUNDATIONANDTHERELATEDMODIFICATIONFORTGSETATTIANWANNUCLEARPOWERSTATIONPHASEIIYUZIQUNYANGXIAOHUI1JIANGSUNUCLEARPOWERCOMPANYLIMITED，LIANYUNGANG222042，CHINA；2HAERBINTURBINECOMPANYLIMITEDHARBIN150046，CHINAABSTRACTTHEFOUNDATIONOFTGSETATTIANWANNUCLEARPOWERSTATIONPHASEI1WASCHANGEDFROMRIGIDTYPETOELASTICTYPE，WHILETHESTEAMTURBINEANDCONDENSERCONSTRUCTIONSKEPTUNCHANGEDANDTHEMAJORCHANGESINTHETGSETCONSISTSOFTHECONDENSERCONNECTEDWITHTURBINEBYWELDINGINSTEADOFBELLOW，ANDTHERIGIDSUPPORTFORCONDENSERBOTTOMCHANGEDTOSPRINGSUPPORTTHISPAPERPRESENTSTHECALCULATIONSFORCHECKINGTHESTIFFNESSOFEXHAUSTPIPE，THESTABILITYOFTHECONDENSERANDTHETURBINECASING，ANDTHECRITICALSPEEDOFTHESHAFTINGINCONNEETIONOFSUCHCHANGESTHECALCULATIONRESULTSSHOWTHATALLTHEPERFORMANCESAREINCONFORMITYWITHTHETECHNICALREQUIREMENTSANDTHETGSETCANMAKESAFEANDRELIABLEOPERATIONKEYWORDSNUCLEARUNIT；CONDENSER；TURBINECASING；CRITICALSPEED；SPRINGSUPPORTEDFOUNDATION；STABILITY0前言田湾一期核岛采用俄罗斯WWER一1000428压水堆核电技术，常规岛采用俄罗斯列宁格勒金属工厂LMZ设计与制造的1060MW全速汽轮发电机组，整个汽轮发电机组轴系总长70M，基础台板采用了隔而固公司提供的弹簧基础。目前一期的两台机组运行了6个换料周期，状态良好。田湾二期核岛为一期项目的翻版加扩容，常规岛采用哈尔滨电气股份有限公司提供的大型半速汽轮发电机组。经过正常运行动力性能、抗地震性能、补偿不均匀沉降与经济性等分析比较，以及田湾一期核电全速和国内众多核电半速机组弹簧基础的实践评估，田湾二期机组决定采用弹簧基础。从刚性基础转变到弹簧基础，汽轮机与凝汽器的结构不改，机组的主要改动为汽轮机与凝汽器的连接由波纹管改为焊接，凝汽器下部由刚性支承改为弹簧支承，以消除巨大的真空吸力，保证机组正常稳定的运行。由此改动，制造厂必须进行凝汽器稳定性核算、汽缸稳定性核算与轴系临界转速核算以及其官相关的核算。收稿日期20130801作者简介余紫群1972，男，湖北安陆人，高级工程师。1田湾二期机组汽轮机发电机组的特点田湾核电二期机组汽轮机设计容量为1O00MW等级，单轴、四缸六排汽再热凝汽式、反动式半转速1500RMIN核电汽轮机，给水系统为7级回热214，1个高压缸其通流为对称布置210级，高压缸布置在靠近反应堆侧；3个低压缸也为其通流为对称布置210级，末级叶片长度为1375MM。发电机和励磁机定子绕组是水冷型，定子铁心是氢冷型，转子绕组和本体也是氢冷型、静止型发电机励磁。在核岛100功率的情况下，汽轮发电机组输出功率11365KWE扣除励磁功率。汽轮发电机整体布置如图1所示。2田湾二期机组汽轮机发电机组弹簧基础的选择弹簧基础一开始就是为核电半速机组开发的，那是在1967年应用于欧洲SIEMENS的一台600MW机组。由于固定基础的垂向固有频率与机器额定转速的激振频率非常接近，容易引起共振。汽轮机技术第56卷行时产生的各种向上力。根据SIEMENS与ALSTOM等公司的实践经验，对于600MW及以上容量的机组，需要将约30的凝汽器运行载荷加载给汽轮机，具体到田湾3号、4号机组，将约1260T凝汽器载荷以水载荷方式加载给汽轮机。与固定基础比较，低压缸部位基座受力减小约2650T一1260T1390T；而且对固定基础波纹管连接，从开始抽真空到满负荷稳定运行真空吸力是不断变化的，使运行振动不稳定；而弹簧基础焊接连接分配到汽轮机的凝汽器部分载荷，加载到基座台板上是定值，不会影响基座的振动。从刚性基础转变到弹簧基础，汽轮机与凝汽器的结构不改，但由于凝汽器上部连接与下部支承的改变，制造厂必须进行低压缸排汽管刚度核算、凝汽器稳定性核算、汽缸稳定性核算与轴系临界转速核算。32汽轮机排汽管刚度核算由图2可以看出，刚性基础凝汽器以波纹管与汽轮机连接时，作用在汽轮机排汽缸上的真空吸力，是由基础台座反作用给汽轮机猫爪的向上力平衡的。如果在汽轮机排汽管上作一个截面，则排汽管截面上没有力作用；但是弹簧基础凝汽器与汽轮机焊接连接组成一个压力容器时，真空吸力上、下平衡，基础台座没有力反作用给汽轮机猫爪。如果再在汽轮机排汽管上作一个截面，则排汽管截面上有向上力作用，以平衡作用在汽轮机排汽缸上的真空吸力。另外，30的凝汽器运行载荷约1260T12600KN以水载荷的形式加载给汽轮机排汽缸，虽然排汽管截面上作用的应力很小，小于40KSCM。但是由于排汽管截面尺寸很大，不可能均匀地作用力，因此，必须核算排汽管的强度与刚度。由于低压缸受力和连接结构的变化，需重新对低压缸进行建模分析，采用有限元分析方法，经过局部加强措施后，低压缸刚性和强度都满足标准要求。33低压缸稳定性分析低压缸稳定性分析，是核算机器运行时，由下列因素产生对汽轮机低压缸作用向上力与侧翻力矩，不能把低压缸顶起或撅起。1凝汽器设计最大热膨胀量下，因死点为汽轮机排汽缸的死点，凝汽器向下压缩凝汽器弹簧支座时，凝汽器弹簧支座产生最大的向上反作用力；2凝汽器单侧水室运行时，由于两侧水室不平衡而产生的侧翻力矩。真空载荷的消失减少了低压缸向下的力，所以必须分析凝汽器单侧运行时对排汽缸口产生的侧翻力矩；3凝汽器以及安装在凝汽器中的低压加热器低水位运行时，凝汽器弹簧支座产生向上的作用力；4与汽轮机排汽缸连接的各种管道接口的作用力与力矩等。低压缸上作用的向下力为以水载荷作用给低压缸的30凝汽器运行载荷，还有低压缸本身的重力。向上力不能大于向下力，向下力补偿向上力后必须还有一定的安全裕量。分析结果表明，在各种工况联合作用下，低压缸均能保证其稳定性。34凝汽器设计的变更分析凝汽器与汽轮机排汽缸变为刚性连接后，凝汽器下部支承基础承受约70的凝汽器运行重量。由固定基础变更为弹簧基础，凝汽器设计必须主要考虑凝汽器弹簧支座的选型。即弹簧支座的垂向刚度要尽可能小，垂向压缩量要尽可能大。这是为了保证在设计最大热膨胀情况下，使弹簧支座向上的反作用力尽可能小，不致将汽轮机排汽缸顶起。同时要尽量使凝汽器弹簧支座的总刚度，保持为汽轮机弹簧隔振器总刚度的110120。这样即使在凝汽器热膨胀量达到20MM左右时，让热膨胀量尽可能被凝汽器弹簧支座吸收，不致使汽轮机弹簧隔振器因热膨胀而引起的额外垂向位移大于1MM，保证对汽轮机轴系对中不发生影响。最后选定的汽轮机弹簧隔振器垂向总刚度为45304KNMM，凝汽器弹簧支座总刚度为2478KNMM，刚度比为2478KNMM45304KNMM1183。凝汽器最大设计温度为100C，最大热膨胀量189MM。在最大热膨胀情况下，牵动的汽轮机弹簧隔振器的平均位移约为1MM，由于弹簧系统本身的自调节作用，各柱顶弹簧隔振器位移的相对差很小、很小，可以忽略。同时，对凝汽器喉部的结构设计变更、凝汽器壳体底部、凝汽器稳定性的分析、凝汽器底板刚度、限位装置的设计等进行考虑分析，制造厂分析结果满足其设计要求，并将根据相连工艺系统的布置作进一步的核算。35轴系临界转速的变化及分析由刚性基础改为弹性基础，轴承支座处的支持刚度需要将弹簧机座的刚度一起考虑。为了更真实地考查轴承支座处的总刚度，一般将弹性基础在不同转速下的动刚度同轴承的支持刚度一起串联考虑。在计算轴系临界转速时把计算的支持总刚度与轴承的油膜刚度一并考虑。改为弹性基础后与轴系横向振动有关的计算必须重新进行，故在分析中考虑汽轮发电机组各轴承支承刚度的影响、汽轮发电机组轴系弹性临界转速的影响、汽轮发电机组轴系不平衡响应的影响、汽轮发电机组轴系Q一因子的影响、汽轮发电机组轴系稳定性的影响、汽轮发电机组轴系各轴承标高的影响、汽轮发电机组轴系各轴承失中负荷的影响、对汽轮发电机组轴系各轴承失中状态下的比压的影响。轴系临界转速的分析结果见表1。表1固定基础与弹簧基础下轴系临界转速的对比分析单位RMIN表1显示，轴系垂向临界转速，弹簧基础皆小于固定基础，对小于1500RMIN的激振频率，临界转速降低更远离共振工况，发电机转子2阶临界转速与激振频率有很大的裕量，因此弹簧基础下临界转速的变化能保证轴系的安全运行。36轴系稳定性分析对数衰减率采用的计算公式和判别准则如下应用ROTORST程序计算，ROTORST程序用于计算大型汽轮发电机组轴系稳定性，将轴系离散化并输入轴承阻尼和刚度特性，形成多转子一轴承轴系的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩第1期余紫群等田湾二期汽轮发电机组弹性基础选择2L阵，用传递矩阵法求解运动微分方程式曰K0得到相应各转子、各转速下的涡动频率，和对数衰减率6。额定转速和额定负荷下的最小对数衰减率80，即表示该系统是稳定的。在实际中，要求机组具备一定的稳定性裕度。制造厂根据实践经验，对大型汽轮发电机组一般要求占012。通过机组出厂前做高速动平衡消除不平衡量，确保轴系稳定性及机组运行安全性。图4所示为田湾二期核电半速百万千瓦等级汽轮发电机组弹簧基础下轴系Q一因子分析计算结果。3。2、一、R、一、2因合范匿【11GE图4田湾二期核电半速机组轴系Q一因子弹性基础根据对数衰减率计算公式对数衰减率IQ因子。可以看出对数衰减率与Q因子为倒数关系，因此，Q因子的考核标准同时适用于对数衰减率的考核，即较小Q因子将对应较大的对数衰减率，也就是说对横向振动不敏感。轴系稳定性分析结果统计表见表2。37转子疲劳分析根据转子材料特性，可估算转子的扭转疲劳曲线即SN曲线，计算得到的转子各考核截面的扭振疲劳寿命曲线特征点的估算值，分析结论分析结果表明田湾核电汽轮发电机表2轴系稳定性分析结果统计表转子对数衰减率固定基础弹性基础组轴系振动特性是良好的。无论是轴系临界转速还是共振转速峰值响应灵敏度Q因子、轴系扭振都是符合安全评价标准。4结论1田湾核电站二期机组汽轮发电机组采用弹性基础有利于汽轮机的安全运行和常规岛的工艺系统的布置。2采用弹性基础应对汽轮机及凝汽器设计进行合理的修改。3通过对低压缸与凝汽器的连接方式、低压缸刚性和强度、低压缸稳定性的分析表明采用弹性基础后通过合理的改进，低压缸的可靠性可以得到保证。4通过对轴系临界转速、轴系稳定性、转子疲劳分析等分析表明采用弹性基础后田湾核电站二期机组轴系的可靠性可以保证。5采用弹性基础，有利于汽轮发电机组包括凝汽器相连的系统和管道进行优化；同时，与凝汽器相连管道的布置应考虑弹性基础的特点。6田湾核电站二期机组采用弹性基础后汽轮机和凝汽器相应修改和核算结果表明能保证其安全可靠的运行。上接第23页邑、四罂骚划15结论转速RMIN图5实验与数值结果对比通过对不同转速、不同进口总压下激振力引起的振动进行计算分析，得到以下结果1不同工况下，转速、进口总压的大小对激振力引起的振动都有较强的影响；2随着进口总压的上升，动叶片受力增大，机组的振动加强；喷嘴叶栅出口气流不均匀引起的高频激振力将引起机组的高频振动，虽然基频振动是主要振动，但有时高频振动的强度将接近基频振动，应注意此时的机组运转。参考文献1宋光雄，陈松平，宋君辉，等汽轮机组气流激振故障原因及分析J动力工程学报，2012，32107707782丁学俊，刘顺，黄来，