桐乡泰爱斯环保能源有限公司 洪 钦 刘林涛 陈 斌

1 引言

桐乡泰爱斯环保能源有限公司所配汽轮机是由哈尔滨汽轮机机械设备制造集团有限公司生产的双缸、单轴、冲动、抽汽背压型汽轮机，型号为CB30-13.24/3.5/0.981型。

机组的名称、型式和基本参数[1]：型式是冲动式、单缸、单轴、抽背式汽轮机；额定的发电功率是30MW；额定的汽轮机转速是3000r/min；从汽轮机向发电机看旋转方向是顺时针方向；进汽温度为535℃；进汽压力为13.24MPa；最大进汽量为289t/h；工业抽汽压力为3.5MPa；额定抽汽量为60t/h；最大抽汽量为80t/h；排汽压力为0.981MPa；级数为15级；末级叶片长度为57.5mm。

2 汽轮机结构特点

2.1 汽轮机本体结构

汽轮机为双层缸、单轴、抽背式汽轮机。本汽轮机有一个高压外缸和一个高压内缸，为双层缸结构汽缸。高压内缸、中压蒸汽室、高压蒸汽室、前汽封、后汽封以及二套隔板套等部套在高压外缸内部，通流部分包含2级调节级和13级压力级。

汽轮机转子是双支点支承型式，分别是1#推力支持联合轴承、#2支持轴承，两个均是椭圆轴承，其中1#推力支持联合轴承是三层带瓦衬轴承。两个轴承的内径分别是φ300×220和φ280×220。推力轴承是米歇尔式，定位和推力瓦块各10块，推力瓦块的内外径分别是320mm和520mm，定位瓦块的内外径分别是360mm和520mm。轴系上通过刚性联轴器和连接短轴将汽轮机转子同发电机转子相连。整锻式结构转子，装配有2个调节和13个压力级的动叶片。

高压主汽阀和高压调节阀控制机组的高压进汽，一个卧式布置的高压主汽阀和两个立式布置的高压调节阀合成高压联合调节汽阀，卧式结构布置在汽轮机前轴承箱的两侧。锅炉的主蒸汽通过φ219×26的超高压管道进到高压联合调节汽阀的主阀腔内，然后进入调阀腔内，再由2个φ168×22的主汽管与主汽管道进行焊接在一起，主汽管与高压外缸由法兰把接在一起，并通过高压进汽插管与高压内缸相联，由此进入高压蒸汽室内，由喷嘴流入通流中，高压内缸由四个支撑搭子搭接在高压外缸内。高压主汽调节联合阀与主汽阀构架用螺栓把紧连接成为一体，高压主汽调节联合阀的构架同基础固定在一起。每个主汽阀对应一个油动机，每个调节阀各对应一个调节阀油动机。

汽轮机设置有4个中压的抽汽调节阀，布置在汽缸的中部，连接在外缸缸体上，中压调节阀的内部设置有蒸汽通道，中压蒸汽腔室前蒸汽通过4个中压抽汽调节阀进入4个中压蒸汽腔室至汽轮机作功。

汽轮机盘车装置装在后轴承箱的上箱盖，汽轮机停机时可以通过盘车装置低速盘动转子，避免产生转子热弯曲。当汽轮机转速高于盘车转速，则盘车自动脱开。盘车装置既能手动盘车又可自动盘车。

2.2 汽轮机轴封系统结构

在汽轮机转子跟汽缸部件之间，采取可靠措施阻止外部空气漏进汽缸，同时阻止汽缸内部蒸汽漏出，漏到前轴承箱内，造成汽轮机润滑油中含水，同时蒸汽漏到厂房里。汽轮机的轴封系统设置可以实现这个要求。

在汽缸的两个轴端装配有汽封体以及汽封圈，汽封圈上的汽封齿环绕转子，之间距离仅保留有为防止运行过程发生接触的间隙[2]。本机组汽封圈采用比较成熟可靠的梳齿式汽封结构型式。

在汽轮机前轴封的一段、二段漏汽分别接至汽轮机0.98MPa.A排汽管道，前轴封三段漏汽以及后轴封一段漏汽合并后通过截止阀控制压力后接入轴封加热器，前轴封四段漏汽、后轴封二段漏汽以及阀门门杆的二段漏汽合并后接入轴封加热器（见图1）。

图1

3 汽轮机的启动要求

汽轮机的启动有三种状态，冷态启动、温态启动和热态启动，冷态启动是高压缸内壁金属温度小于200℃时启动，温态启动是高压缸内壁金属温度在200～380℃范围内启动，热态启动是高压缸的内壁金属温度在大于380℃时启动[3]。

启动时要求蒸汽过热度大于55℃，冷态启动要求压力2.0～2.5MPa（a），温度300～350℃。冷态启动过程，要求用滑参数启动，这样可以使得汽轮机各部件温差小。在温态状态或热态转台启动时，主蒸汽的温度要求比高压缸内壁金属温度高50～100℃。

机组升速过程中，要迅速通过汽轮机转子和发电机转子的临界转速如表1所示。

表1

机组进行冷态启动时，应记录各暖机转速 和各负荷下的汽缸调节级区域下部金属温度，并以此作为机组停机后再次启动的依据。

4 存在问题

本汽轮机为哈尔滨汽轮机机械设备制造集团有限公司首台定制机组，自汽轮机投运以来，主要存在以下三方面问题：

（1）由于热电厂采用的是主蒸汽母管制，汽轮机无法满足汽轮机启动要求的冷态启动参数，只能采用高温超高压定压启动，在汽轮机冷态启动过程中，热膨胀曲线跟设计不符，每次冷态开机时，均由于胀差过大而导致跳机，无法实现汽轮发电机组并网发电。对外供热只能通过双减，严重影响生产的稳定性及经济效益。

（2）1#汽轮机带负荷7MW以上、2#汽轮机带负荷在24MW以上均产生异响，且缸体高频振动，影响机组安全，无法实现高负荷运行。本汽轮机组蒸汽压力13.24MPa,蒸汽温度535℃，缸体高频振动会导致缸体螺栓松动，管道接口因振动破裂，压力表爆裂，造成高温高压蒸汽泄露，严重威胁人身及设备安全，影响正常生产。

（3）汽轮机高压端轴封位置蒸汽外漏严重，污染机组润滑油，造成热工元器件失效或损坏，甚至可能导致人员烫伤。

5 原因分析

综合以上机组存在的问题，根据实际情况对汽轮机运行状态进行分析。特别针对第（2）项问题，在机组运行过程中产生高频振动的部位进行查找及测量，初步判断其产生异响的部位，对该部位的内部部件图纸进行仔细研究，同时利用专业设备测振，发现如下情况：

对内缸1#隔板套、2#隔板套、中压蒸汽室出汽侧、进汽侧进行固有频率测试，同时测试各级隔板的固有频率及各级叶轮的固有频率，各级隔板频率及叶轮频率未出现在232～243Hz，说明隔板及叶轮不是汽轮机振动的原因，两级隔板套由于自身刚度很高，通过敲击测试很难激起其固有频率振动，中压蒸汽室进汽侧频率稍高，出汽侧三个频率与汽机异常振动的频率比较接近，而且出汽侧很容易被激励，说明出汽侧的刚度明显偏弱。

表2 改造前各部件固有频率表（Hz）

图2 中压蒸汽室出汽侧固有频率测试图

图3 中压蒸汽室进汽侧固有频率测试图

6 处理方案

6.1 针对问题（2）的处理方案

依据测量结果，经过研究探讨，决定对该部位的两个的部件提出优化改进。

一是改变径向汽封体同第一级隔板套的连接方式，增强二者的连接可靠性，同时提高径向汽封体的刚度，避开高频振动范围。改造后如图4所示。

图4

二是通过软件计算分析，在中压蒸汽腔室增加4个加强螺栓，将中压蒸汽腔室前后隔板连接，提高该部件的整体刚度，避开高频振动范围。改造后如图5所示。

三是将中压蒸汽室正上方、正下方、左右的四个挡汽板去除，消除蒸汽节流产生的“哨子效应”，产生高频，引起部件的高频振动。

图6

四是在1#隔板套上进行补焊4个面积为3cm2的搭子，在热态情况下使隔板套通过搭子受力于汽缸，以增强隔板套的刚度，避开高频振动范围。改造后如图7所示。

图7

以上改造后中压蒸汽室固有频率提升很多，频率大于13倍的转速频率，气流激振应该不会激起较高频率的振动。

表3 改造前各部件固有频率表（Hz）

6.2 针对问题（1）的处理方案

因为汽轮机冷态启动时的进汽参数无法保障，保证胀差在控制范围内，在系统上增加了一套汽轮机暖缸系统，在汽轮机启动冲转前，将主蒸汽减温减压要要求值后，通入汽缸的外缸疏水接口，对汽轮机进行暖缸，使汽轮机外缸膨胀，按照汽轮机热态启动的要求进行，确保了汽轮机冲转和并网。

图8

图9

6.3 针对问题（3）的处理方案

根据前期汽轮机运行状态，结合开缸后汽封的磨损情况，通过分析及计算，在保证不碰磨的情况下，调整径向的设计间隙，将间隙按设计下限或低于下限进行安装调整，减少汽封漏汽量，提高蒸汽的利用效率，同时消除蒸汽外漏现象。

图10

考虑汽缸距离轴封加热器距离比较远，现场实际布置过程中管路较长，弯头较多，根据工程管路设计规范，负压管道每百米压力降控制值为1.96kPa，每个DN100弯头压降相当于30m直管压降，按现场只有10个弯头来算，漏汽母管压损就已经达到6kPa，再加上汽封体局部损失和汽水管道管路损失，使前轴封四段漏汽和后轴封二段漏汽缸体位置压力偏高，没有达到设计负压要求。根据理论核算和实际测量，将轴封管道管径改大，并根据现场布置管道，减少弯头，消除蒸汽外漏现象。

7 结论

根据现场问题进行有针对性的结构优化后至今，每次启动均能实现一次成功并网发电，机组运行平稳且能实现满负荷运行，运行期间机组各项参数良好。

通过本次结构优化，1#机组从最高只能带7MW负荷到现在带35MW负荷运行，2#机组从最高只能带24MW负荷到现在带35MW负荷运行，在各负荷下均振动正常，现场轴封外漏消除，运行正常，较大提高了公司的发电效益。

高温超高压热电厂汽轮机组是未来发展的方向，应用广泛，通过问题对全国首台的高温超高压抽背汽轮机进行的结构优化，为今后的抽背汽轮机组设计提供了依据，保证了未来投用的高温超高压热电厂机组的安全可靠。