高调阀模式切换引发轴系振动异常的实验研究

段岩峰++蔡鼎++任国瑞++刘金龙

摘 要：汽轮机高压调节阀在进行单阀/顺序阀模式切换过程中，经常会出现高压转子-轴承系统振动异常增大的问题。通过对实际机组异常过程的相关数据进行分析，发现高压调节阀门切换时振动异常与阀位晃动存在相关性。在实际机组上开展验证实验，通过优化阀门流量特性减小调节过程阀位晃动，可以消除了这一异常问题。

关键词：汽轮机 单阀控制 顺序阀控制 模式切换 轴系振动

中图分类号：TK268 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0069-03

Experimental Research on the Abnormal Turbine Shaft Vibration Caused by Control Mode Switching of Governing Valves

DUAN Yanfeng1 CAI Ding2 REN Guorui2 LIU Jinlong3

（1.State Nuclear Hua Qing （Beijing） Nuclear Power Technology R & D Co.，Ltd.，Beijing 100190， China；2.College of Energy Science and Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin Heilongjiang 150001， China；3.Harbin Institute of Technology Rentong science development Co.，Ltd，Harbin Heilongjiang，150001，China）

Abstract：Abnormal vibration may appear on steam turbine HP rotor-bearing system when control mode switches between throttle control and nozzle control. The data of a power plant unit is analyzed and the correlation between the abnormal vibration and the oscillation of governing valve position is found.The inference is demonstrated by a verification test on the unit， where the abnormal problem is eliminated by optimizing valve flow characteristic to reduce the valve oscillation.

Key words：Steam Turbine Throttle Control Nozzle Control Mode Switching Rotor-Bearing System Vibration

出于经济性考虑，汽轮机通常启动至额定功率稳定运行后，需切换为顺序阀控制模式。此时，进行负荷调节时阀门的节流损失相对较小，经济性显著提高。然而，在实际生产实践中，许多机组在阀门切换时存在转子-轴承系统振动异常增大的问题，严重时引起振动超限甚至碰摩等故障[1-3]。由于顺序阀存在局部进汽，使得轴系会受到径向汽流力的作用，因此在顺序阀工况下（局部进汽），轴系的轴振幅值与单阀工况（全周进汽）相比会发生一定变化，这是由于在顺序阀工况下转子受径向汽流力影响使得轴承载荷发生变化，进而影响轴系动力学特性及振动状态[4-5]。

在维持机组功率不变的情况下，高压调节阀在单阀和顺序阀两种状态间的进行切换，简称为切换工况。切换工况也存在局部进汽，通常持续3～4 min，其引起的径向汽流力应大于单阀工况而小于顺序阀工况，因此如果切换过程平稳，径向气流力相应平稳变化，对应轴振幅值应介于单阀和顺序阀工况之间。然而实际中很多阀门切换工况下轴振会异常增大，既高于单阀工况，也高于顺序阀工况，且这一现象比较普遍。由于切换过程较短，此类问题较少得到关注，但严重情况下会使得机组无法顺利投运顺序阀、甚至引起故障，影响机组正常运行。

1 振动异常现象描述

下面通过在某600MW机组上开展阀门切换实验，来复现并分析高压调节阀门切换过程中振动异常问题。该600MW机组的顺序阀方案为GV1+GV3-GV2-GV4（阀门布置方案参见图1），即升功率过程先同时开启高压调节阀GV1和GV3，再依次开启GV2和GV4。因为属于对角进汽（同时开启的GV1和GV3处于对角位置），所以径向气流力比顺序进汽已大大减小，顺序阀工况下#1和#2轴承左右轴振仅略高于单阀工况，因此切换过程中轴振异常增大的问题显现出来，尤其是#2瓦左轴振，达到了机组振动报警值，如图2所示。

2 问题分析

通过对切换工况进行分析，发现无论单阀切换顺序阀过程，还是顺序阀切换单阀过程，都存在GV1和GV3阀位剧烈晃动的阶段，而且与轴振异常增大出现在相同时刻，说明阀位晃动与异常问题之间有很强的关联性，如图3所示。

阀位晃动时其开度介于30%和40%之间，尚未达到全开，此时阀位变化应该对主蒸汽流量有较大影响。汽轮机的主蒸汽流量与调节级压力有着强相关性，对图3所示切换过程的调节级压力进行考察，发现在阀位晃动时，调节级压力也在剧烈波动，波动量高达10%～15%，说明主蒸汽流量也在大幅波动，如图4所示。

主蒸汽流量的大幅波动必然引起径向汽流力突变，使得转子受力相应发生突变，对转子形成了瞬态冲击。综合以上分析可知，当阀门切换工况发生阀位晃动时，主蒸汽流量随之大幅波动，径向汽流力发生突变，轴系因此受到反复冲击，导致轴振值增大。endprint

3 实验验证

为验证分析结果的正确性，在前述600MW机组上进行实验，期望通过减小切换过程阀位晃动来消除轴振异常。阀位晃动的原因通常在于机组DEH系统中设定的阀门流量特性与实际特性不匹配，导致实际调节中偏差过大，在流量信号反馈作用下引起调节指令振荡[6]。对该机组进行阀门流量特性优化，并开展阀门切换实验。优化改造后，在切换过程中，消除了阀位晃动现象，切换过程轴振也介于单阀和顺序阀工况之间，如图5和图6所示，属于正常水平。由此可知分析结果正确，切换过程轴振异常的直接原因在于高压调节阀阀位晃动，根本原因在于调节系统中阀门流量特性不准确。

4 结语

汽轮机高压调节阀模式切换时轴系振动异常增大的直接原因为径向汽流力突变冲击。汽流力突变是由于切换时阀位晃动引起主蒸汽流量波动所致，通过优化调节系统中阀门流量特性，达到与实际相匹配的程度，可消除切换过程阀位晃动问题，进而解决振动异常。由于阀门流量特性不准确的问题普遍存在于汽轮发电机组中，所以此类异常问题比较常见。这对国内许多机组的优化改造具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] P.Lampart，M.Szymaniak，A.Karda.Unsteady Forces Acting on Rotor Blades of a Large Power Steam Turbin.e Control Stage at Different Levels of Partial Admission[J].Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery，2003，114：5-17.

[2] 向丽晖，庞亚宁.机组进汽方式对轴振瓦温的影响[J].华北电力技术，2007（2）：4

8-51.

[3] 葛庆，彭喜忠.600MW机组不同进汽方式汽流对轴系的干扰研究[J].热力透平，2008，37（1）：35-38.

[4] 于达仁，刘占生，李强，等.汽轮机配汽设计的优化[J].动力工程，2007，27（1）：1-5.

[5] Daren Yu，Yanfeng Duan，Jinfu Liu，Zhansheng Liu，Qinghua Hu.Experimental Study on Fault Caused by Partial Arc Steam Forces and Its Economic Solution[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132（6）.

[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH给定值处理逻辑和阀门管理系统[J].电力科学与工程，2006（3）：80-83.endprint

3 实验验证

为验证分析结果的正确性，在前述600MW机组上进行实验，期望通过减小切换过程阀位晃动来消除轴振异常。阀位晃动的原因通常在于机组DEH系统中设定的阀门流量特性与实际特性不匹配，导致实际调节中偏差过大，在流量信号反馈作用下引起调节指令振荡[6]。对该机组进行阀门流量特性优化，并开展阀门切换实验。优化改造后，在切换过程中，消除了阀位晃动现象，切换过程轴振也介于单阀和顺序阀工况之间，如图5和图6所示，属于正常水平。由此可知分析结果正确，切换过程轴振异常的直接原因在于高压调节阀阀位晃动，根本原因在于调节系统中阀门流量特性不准确。

4 结语

汽轮机高压调节阀模式切换时轴系振动异常增大的直接原因为径向汽流力突变冲击。汽流力突变是由于切换时阀位晃动引起主蒸汽流量波动所致，通过优化调节系统中阀门流量特性，达到与实际相匹配的程度，可消除切换过程阀位晃动问题，进而解决振动异常。由于阀门流量特性不准确的问题普遍存在于汽轮发电机组中，所以此类异常问题比较常见。这对国内许多机组的优化改造具有一定的借鉴意义。

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[4] 于达仁，刘占生，李强，等.汽轮机配汽设计的优化[J].动力工程，2007，27（1）：1-5.

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[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH给定值处理逻辑和阀门管理系统[J].电力科学与工程，2006（3）：80-83.endprint

3 实验验证

为验证分析结果的正确性，在前述600MW机组上进行实验，期望通过减小切换过程阀位晃动来消除轴振异常。阀位晃动的原因通常在于机组DEH系统中设定的阀门流量特性与实际特性不匹配，导致实际调节中偏差过大，在流量信号反馈作用下引起调节指令振荡[6]。对该机组进行阀门流量特性优化，并开展阀门切换实验。优化改造后，在切换过程中，消除了阀位晃动现象，切换过程轴振也介于单阀和顺序阀工况之间，如图5和图6所示，属于正常水平。由此可知分析结果正确，切换过程轴振异常的直接原因在于高压调节阀阀位晃动，根本原因在于调节系统中阀门流量特性不准确。

4 结语

汽轮机高压调节阀模式切换时轴系振动异常增大的直接原因为径向汽流力突变冲击。汽流力突变是由于切换时阀位晃动引起主蒸汽流量波动所致，通过优化调节系统中阀门流量特性，达到与实际相匹配的程度，可消除切换过程阀位晃动问题，进而解决振动异常。由于阀门流量特性不准确的问题普遍存在于汽轮发电机组中，所以此类异常问题比较常见。这对国内许多机组的优化改造具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] P.Lampart，M.Szymaniak，A.Karda.Unsteady Forces Acting on Rotor Blades of a Large Power Steam Turbin.e Control Stage at Different Levels of Partial Admission[J].Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery，2003，114：5-17.

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[4] 于达仁，刘占生，李强，等.汽轮机配汽设计的优化[J].动力工程，2007，27（1）：1-5.

[5] Daren Yu，Yanfeng Duan，Jinfu Liu，Zhansheng Liu，Qinghua Hu.Experimental Study on Fault Caused by Partial Arc Steam Forces and Its Economic Solution[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132（6）.

[6] 周珂珂，谷俊杰.DEH给定值处理逻辑和阀门管理系统[J].电力科学与工程，2006（3）：80-83.endprint