超超临界机组轴封供汽系统参数研究和抱轴问题分析

第56卷第5期2014年1O月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYVO156NO50CT2014超超临界机组轴封供汽系统参数研究和抱轴问题分析黄威，刘伟，忻建华上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海200240摘要对在役超超临界机组发生抱轴现象进行了实际运行调研分析，得出轴封温度低是抱轴事故发生的主要原因；同时对轴封系统不同供汽温度进行稳态和非稳态模拟计算，得出机组轴封间隙设计合理，但要保证轴封系统不碰摩，轴封温度应保证在260C以上，如果轴封供汽温度低于260C时，应放慢轴封母管开启速度。研究结论为避免抱轴现象提供了理论依据。关键词超超临界；轴封系统；抱轴；能源和动力工程；汽轮机分类号TK2437文献标识码A文章编号10015884201405036103，RESEARCHONGLANDSTEAMPARAMETERSANDANALYSISOFGLANDSEIZINGSHAFTFORULTRASUPERCRITICA1TURBINEHUANGWEILIUWEI，XINJIANHUASHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTLOWGLANDSTEAMTEMPERATUREISTHEMAINREASONFORTHEACCIDENTOFGLANDSEALSEIZINGSHAFTBYINVESTIGATIONANDANALYSISOFOPERATINGDATAOFULTRASUPERERITICALTURBINEWHENGLANDSEALSEIZINGSHAFTHAPPENSSTEADYANDTRANSIENTCALCULATIONFORDIFFERENTGLANDSTEAMTEMPERATURESHOWGLANDGAPDESIGNOFUNITISREASONABLEIFGLANDSTEAMTEMPERATUREISMORETHAN260CRUBBINGOFTHEGLANDSEALSYSTEMWILLNOTHAPPEN；IFNOT，THEOPENINGSPEEDOFGLANDMOTHERPIPESHOULDSLOWDOWNRESEARCHCONCLUSIONSPROVIDETHEORETICALBASISFORAVOIDINGGLANDSEALSEIZINGSHAFTKEYWORDSULTRASUPERCRITICAL；GLANDSEALSYSTEM；GLANDSEALSEIZINGSHAFT；ENERGYANDPOWERENGINEERING；STEAMTURBINE0前言超超临界机组具有参数高、容量大、热耗低、效率高、节能环保等优势，已经成为当今世界发达国家竞相研究和采用的新技术。国际上，美国、日本、德国、欧洲等超超临界汽轮机技术最为先进，产品十分成熟；而我国的超超临界汽轮机技术虽起步较晚，但起点较高，主要采用引进国外技术自主消化、吸收和制造的策略，逐步实现自主研发生产，加快掌握超临界和超超临界机组技术的步伐，到目前为止，已经实现600MW、1000MW等级超临界火电机组的国产化，为我国电力设备制造业的技术进步创造条件。在某引进的1000MW级和自主设计生产的660MW超超临界机组投入实际运行中，能基本保证运行安全性和经济性，但个别机组在非正常停机时发生汽轮机抱轴现象即汽轮机主轴发生卡死不能正常盘车的现象，进行闷缸处理后，这种现象又会自动消失，且机组正常启动运行过程中，汽轮机轴系也不会发生明显的振动。初步分析这种现象发生原因是在停机过程中，轴封系统受到了不正常的热或冷冲击，汽轮机动静部件发生了不协调的热变形，导致动静发生了一收稿日期201406一LL作者简介黄威1990一，男，汉，上海，硕士，研究方向叶轮机械。定程度的碰摩，这给机组的安全运行带来了定的隐患。本文以此为研究对象，对超超临界机组在非正常停机时，轴封汽切换时的轴封蒸汽温度对汽轮机动静间隙的影响进行了数值计算，得到了不同轴封汽温度时的间隙值，为防止此类故障的发生提供依据。1机组的轴封系统和供汽方式这两种型式机组采用的是单路轴封供汽，供汽汽源来自辅助蒸汽，轴封系统原理如图1所示。一ER一RL1高压缸夺夺中压缸夺帚低压缸辅汽轴封汽溢流阀轴封供汽给母管轴封汽调节阀去凝汽器凝结水叶轴封加热图1轴封系统原理图抽风362汽轮机技术第56卷在机组正常运行时，系统对轴封汽的温度有一定的要求，蒸汽要有一定的过热度，一般比饱和温度高10；轴封汽供给母管的优化操作压力为03MPA08MPA之间。在正常运行时，轴封汽供汽母管关闭，机组采取自密封方式运行；在启停机时，由于机组蒸汽没有达到自密封的条件，因此由辅助蒸汽通过轴封汽调节阀来对汽轮机转子进行密封。机组对轴圭士汽有一定要求，即在转子温度低于200C时，轴封供汽的温度应在240C到300C之间；转子温度升至3002以上时，轴封供汽温度应在280C到320C之间。当轴封供汽温度或母管温度低于该要求时，轴封部件的热膨胀量小于转子的热膨胀量，有可能导致相互咬合甚至形成抱轴现象。通过对10余台发生抱轴现象的汽轮机的轴封参数的分析，都有一个共同的现象就是轴封汽的温度比规定的温度低70一80C左右，因此低温蒸汽进入轴封是发生抱轴事故的重要原因。2计算模型和边界条件汽轮发电机组在运行过程中发生抱轴现象一般是由汽轮机的转子和汽缸的热膨胀不协调而发生的，通常是由转子的突然受到冷热冲击所致。由于转子、汽缸的膨胀量通常是由其金属的热容量决定的，建立正确反映转子、汽缸的热容量沿轴向和径向分布的数学模型，就能正确计算出汽轮机的热膨胀量。描述汽缸和转子的热传导方程可由下式表示DIVAGRADTDR式中，P为材料的密度，KM；C为材料的比热，WKG；A为材料的导热系数，WRFL；F为温度，。对于汽缸和转子的热边界条件根据以下方法得到1汽缸热边界。由于汽轮机内缸安装有隔板、转子等部件，动叶、隔板和内缸之间的流动十分复杂，要精确计算各缸各部件的温度分布有一定的难度。但是，对运行中的汽轮机，一般在高、中压和低压内缸进出口以及各抽汽口均有相应的蒸汽温度和汽缸内外壁的金属温度测点，因此可以通过测量内外缸壁的金属温度的方法，采用第一类边界条件，计算出内缸和缸体的温度分布。2转子的热边界。通过实测发现，汽轮发电机组在稳定运行时，汽缸的金属表面温度与蒸汽温度之间最大温差一般不超过3。汽轮机的转子是高速旋转部件，对流换热系数比汽缸大，蒸汽和转子间的温差比汽缸更小，即使在压力和温度较低的中低压转子部分，蒸汽和转子表面的温差一般不会超过0561，在超超临界机组的高压缸中，如果采用蒸汽温度代替转子表面的金属温度，则转子膨胀量的计算值与实际值误差最大不会超过05，如果转子的膨胀量是3MM，则最大误差不会超过0O15MM，这个误差一般是在可接受的范围内。由于超超临界机组一般采用滑压运行，汽轮机在变负荷时，整个机组的热状态保持不变，因此用蒸汽温度作为转子和汽缸的表面金属温度，不会对计算结果产生实质的影响。在汽轮机发生跳机时，轴封汽由自密封供汽突然转为母管制供汽时，为了能够确保轴封系统的可靠性，供汽母管的供汽阀瞬时达到最大开度，然后再逐步回调到合适的开度，轴封供汽的切换过程极短，考虑到汽缸和转子都有很大的热容量，因此在切换过程的瞬间，只有轴封汽通流部分采用了轴封母管的供汽温度，其余部分则采用原来的温度。这种处理忽略了在主蒸汽阀突然关闭时，残留蒸汽的摩擦鼓风损失对汽缸和转子的加热作用，但是这个过程很短，一般不会对结果产生实质的影响J。汽缸和转子的位移边界。汽缸和转子的位移边界条件是由转子的推力轴承、内缸的安装方式和外缸的滑销系统决定的，死点位置和各参考点位置如图2所示。点位置图2高压缸的转子、汽缸的死点及参考点位置示意图3计算结果和分析机组在正常的稳定运行时，动静部分不会发生碰摩现象，计算结果也表明，机组的轴向和径向间隙在如图2中标注的参考点上都满足要求，这说明机组的动静间隙在设计上是合理的。当机组突然不正常停机时，轴封汽瞬时切换到母管供汽，此时影响轴和汽缸冷却程度的主要因素有供汽母管蒸汽温度和供汽阀门的开启速度。如果供汽母管蒸汽温度过低而供汽阀门的开启速度过快则强化了轴和汽缸的冷却，可能造成汽缸和转子发生碰摩，反之则碰摩和抱轴问题不会发生。但是供汽母管阀门的开启速度通常设计时就要求快速，因此只要研究不同的轴封供汽温度对转子和汽缸的冷却速度，得到转子径向和轴向间隙，就能得到抱轴发生的临界条件。由图2可知，高压排汽端即14和L5参考点处轴封采用的是平齿结构，因此只要径向位移在允许的范围内，转子和汽缸就不会发生碰摩；而在参考点13位置，转子和汽缸的设计轴向间隙是175MM，如果该点轴向变形小于该值，则动静部件不会发生碰摩；但如果在这位置上高压转子的排汽端和高压外缸轴向差胀超过175MM，则会发生碰摩，且一旦此处发生碰摩，则可能产生很大的制动力矩，尤其在低转速时转动力矩较小，就可能发生抱轴故障。其余位置均属于轴封片，即使发生碰摩，也不可能产生大的制动力矩，但机组在短时间内会产生热不平衡而引发振动现象。图3是从正常运行时轴封汽温度300C在不同的时间内切换到180、200，220和240、260、280轴封供汽温度时的轴封系统L3点变形较大且易碰点的轴向间隙值，其中横坐标表示从300C到当前温度所用的时间，纵坐标则表示该时间内各位置点的最大间隙。从图中可以看出，随着时间的增长或者单位时间内的温降率减小，进汽端轴向间隙负值区域减少，亦即动静碰摩区第5期黄威等超超临界机组轴封供汽系统参数研究和抱轴问题分析3630510一15篮20厘一253035时IS50100150200250_JLL幂幂一黍；三一_NNUR、一00220C300一240一一O06O_0040C一_300400一设计间隙值图3不同时间内切换为不同轴封供汽温度时轴向间隙域和程度下降。轴封汽温度在60S内从300降到180C时，高压转子排汽端和高压外缸13参考点位置处的差胀大于允许的L75MLN，尤其是在时间小于30S时，差胀值达到27MM左右，此时转子端部和汽缸就可能发生严重碰摩，产生很大的制动力矩，在机组转速较低时转子容易发生卡死故障，即所谓抱轴现象；这主要是由于转子在高压缸排汽端轴封表面受到剧烈冷却，转子局部发生收缩，外缸又发生明显的内倾变形，所以易造成碰摩。如图所示在260之后，13参考点位置的轴向间隙始终大于175MM，即不会发生碰摩。由于其它位置是轴封，即使发生碰摩，也不会产生大的制动力矩，因此不会发生抱轴现象。当切换时间大于90S后，则供汽温度即使低至180C也不会发生碰摩。因此要避免发生抱轴事故，轴封汽的瞬时温降不能大于80。在轴封供汽温度大于240C时，基本上不会发生抱轴现象，但在其它轴封位置可能会发生比较严重的碰摩而产生振动现象。从以上的计算结果可以看出，当轴封汽温在短时间内下降80C120时，就有可能引起抱轴故障，小于8O则会发生碰摩，但发生抱轴的可能不大，这种现象和现场的调研数据基本一致。在实际运行时，在供汽母管的蒸汽温度过低时，则可以通过降低开启母管轴封供汽阀的速度来避免发生碰摩和抱轴事故的发生，例如供汽母管的蒸汽温度只有180C，则开启速度至少大于2RAIN，当然这可能引起轴封密封不严，导致汽轮机真空的破坏。实际上，轴封供汽温度是有严格的规定的，即大于260C。产生轴封供汽温度突然下降的原因，可能是轴封母管的疏水不畅，当机组停机导致供汽压力过低时，供汽切换到母管时，残留的疏水蒸发，吸收大量汽化潜热，导致蒸汽温度瞬时下降，转子和汽缸不协调变形，从而发生碰摩甚至抱轴故障发生。4实际案例分析某电厂5号机停机时有明显振动，估计是发生碰摩。其停机数据如图4所示。从图中可以发现，5号机在停机过程中，在150S时间内轴封供汽温度由236C降到161，降温70“C左右，之后又逐渐升温至268C，因此本次停机过程发生振动可以认为是冷汽进入轴封所致。根据停机曲线对停机过程进行了计算，各位置轴向间隙如图5所示。从图5可以看出，在进汽端轴封1、2和3的位置点上，其轴向间隙都小于零、径向间隙亦接近于零，说明汽轮机在此工况下已发生了碰摩；在排汽端轴封处13、14、15位置、越赠蒋暴图4停机曲线弋K、|_J一径向一轴向LL图5各位置轴向径向间隙点，转子轴向间隙接近于175MM，所以可能发生转子碰摩，但不会产生很大的制动力矩，汽轮机又处在2200RMIN的高转速下，因此此次停机仅发生振动而没有发生抱死故障。5结论1通过对不同的轴封供汽温度的非稳态的计算表明，轴封磨损和抱轴事故的发生和轴封供汽的切换温度和速度有关，轴封汽温度低于260QC，切换速度过快，有可能发生碰摩甚至抱轴，其碰摩主要在平衡活塞和高压缸排汽段位置；2要保证轴封系统不碰摩，轴封汽温度应保证在260C以上，一般为280至320C之间比较合适。如果轴封汽温度低于260C时，供汽母管的阀门开启速度应该减慢，其开启过程应不低于2MIN。参考文献1张建中我国超超临界火电机组实际投运水平评述J电力建设，2009，304162陆云，等300MW汽轮机部件在线寿命管理系统J华东电力，2OO5，3