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机组升级改造中的轴系设计方案分析

2019-06-17

热力透平 2019年2期
关键词:轴系超临界标高

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。

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