一种改善轴承振动的轴封控制改造

一种改善轴承振动的轴封控制改造

陈檀 ,徐小艳 ,黄梓能 

华能（福建）能源开发有限公司福州分公司 福建福州  350200

摘要:介绍某电厂660MW汽轮机轴封系统的结构布置，系统运行特点，分析并总结#5机组低压缸#5瓦轴承振动高的原因。针对汽轮机轴封系统目前的现状，在不改变原有结构及保护的基础上，在控制逻辑方面做了有针对性的改造优化，有效地改善轴封运行情况，控制了#5瓦轴承轴动高，大大提高了机组运行的安全性。给同类型机组提供了参考。

关键词：汽轮机，轴封系统，轴封温度控制，轴承振动。

引言：某电厂#5/6机组采用上海汽轮机引进西门子技术进行设计制造的N660-25/600/600型汽轮机，此类型的汽轮机轴封间隙较小，对轴封压力和温度要求严格，汽轮机低压缸处轴封压力要求控制在3.5kpa左右，温度控制在280~300。机组带负荷运行时采用自密封，因负荷变化机组或者漏汽温度的变化会造成轴封温度较大的变化，容易使轴封段局部冷热不均，造成密封片与大轴之间摩擦，会影响轴承的振动升高。同类型的机组多台曾发生过因轴封温度控制不当造成机组振动高跳闸，更甚至造成大轴报死。因此控制轴封母管温度稳定对安全运行非常重要。

1  设备概况

电厂三期5、6号机组为上海汽轮机厂引进西门子技术生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、八级回热抽汽、凝汽式汽轮机，型号为N660-25/600/600，该类型汽轮机具有较好的经济性和较高的可靠性，是目前国内600MW~1000MW等级超超临界机组的主力机型。

低压缸的支撑：低压外缸与凝汽器焊接并支撑在凝汽器上。低压内缸的猫爪支撑在＃3、＃4轴承座和＃4、＃5轴承座上。调阀端的猫爪通过穿过轴承座的推拉杆和中压外缸或前一低压内缸相连，这样就可以使各汽缸的膨胀得到传递，并且累加了中压外缸的膨胀，从而达到减小动静差胀的目的。

低压外缸两端各安装有一个端部汽封，端部汽封安装于轴承座和外缸补偿器之间，用于在转子穿出外缸的部位将缸体内部的蒸汽与大气密封隔离。蒸汽轴向流过非接触式汽封片来达到低压缸动静组件之间的密封。低压端部汽封设计成相对的平齿汽封，汽封片分别镶嵌入转子的环形汽封槽和端部汽封体的环形汽封槽内。当轴封蒸汽品质控制不准时会造成汽封齿磨损掉，严重时会动静部分碰磨，轴承振动。

2  轴封供汽控制系统的特点

轴封控制系统包括轴封蒸汽压力控制和温度控制。

轴封蒸汽压力控制是通过供汽调节阀、溢流调节阀来进行控制（1）。供汽调节阀和溢流调节阀受同一个控制器控制，作用是相反的，当轴封蒸汽大于设定值时，供汽调阀关小，全关后溢流调节阀会慢慢开启。轴封压力控制保持轴封母管压力在3.5KPa，保证轴瓦处不吸气不冒汽。

正常运行中，高中压调门门杆漏汽进入轴封母管高压端，轴封母管低压端轴封汽靠高压端蒸汽通过管道扩容降温供汽。当机组负荷大于220MW时，轴封母管汽源完全由门杆泄气提供，实现自密封。如果轴封温度大于330℃时，轴封供汽调节阀会快速开启进行进行降温。供汽调节阀前进汽温度要求有过热度，否则保护关闭。另外，为保证轴封供汽温度与高压转子金属温度在合适的范围内。如果轴封供汽调节阀前温度超出高低限制，那么轴封供汽调节阀强制关闭，以保护轴封系统。

3  汽轮机现在存在问题

某电厂#5汽轮机投产以来低压缸处#5/6瓦的轴振一直都偏高，特别在低负荷时#5瓦轴振最高已达到91μm（报警值为80μm），且一直有扩大趋势，严重影响机组的正常可靠运行，危及设备的安全。且每次机组检修时都要进行揭瓦检查处理，耗时耗力。

主机轴封供汽母管在主机自密封因为没有供汽用汽，目前负荷都是在220MW以上，长时间一直不用供汽使轴封供汽母管温度低于260℃强制关闭轴封供汽调节阀，当轴封母管压力降低时无法及时供汽，造成轴封供汽中断，真空下降，轴封进冷气摩擦，甚至可能转子抱死。

4  轴承振动问题分析

针对#5汽轮机从投产以来#5/6瓦轴振一直偏高问题，经过全面深入的分析，调取如负荷值、真空值、轴封母管温度、瓦振、轴振、主汽温度/主汽压力等相关联的技术参数比对，发现#5瓦轴振大小与机组负荷变化相反，与轴封母管低压端温度变化趋势基本一致。当轴封母管低压端温度低时，#5瓦轴振就比较低。

根据轴封母管管道布置和设计原理，高中压调门门杆漏汽进入轴封母管高压端，轴封母管低压端轴封汽靠高压端蒸汽通过管道扩容降温供汽。当机组负荷大于220MW时，轴封母管汽源完全由门杆泄气提供，实现自密封。故轴封母管高压端温度基本与门杆泄气温度一致，门杆泄汽温度与主再汽温变化一致,基本变化不大。而轴封母管低压端压力由泄气阀自动控制压力，也是固定不变。

根据以上的分析结果推断出原因为：汽轮机其轴封系统原设计是正常运行中当负荷大于220MW以上，高中压调门门杆漏汽以及高中压缸轴封外漏是满足轴封母管全部用汽，实现自身密封运行。轴封母管低压端温度完全是随着漏汽量大小而变化，而漏汽量大小取决于机组负荷的大小。目前的电力市场下，燃煤机组参与电网调峰，每天机组负荷频繁变化且幅度很大，故轴封母管低压端温度也变化很大，这样更容易引起汽轮机低压缸处汽封间隙的变化，从而产生碰磨，引起轴的振动逐渐变大。随着汽轮机轴系振动变大，会影响机组正常运行，使机组被迫降负荷运行甚至机组停运，汽轮机轴系损伤，转子抱死等事故。严重影响机组的经济性，设备的安全性。

目前要解决轴系振动变大问题，就是要想办法解决在机组变负荷的情况下，怎样稳定轴封母管低压端温度，以减小汽封间隙的变化，稳定轴系的振动。

5  解决问题办法

根据克拉伯龙方程式PV=nRT（2）原理：假设轴封母管高压端蒸汽为状态1，低压端蒸汽为状态2

P1V1/P2V2=NR1T1/nR1T1

P2为轴封母管低压段压力，维持在3.5KPa不变。

T1为门杆泄汽温度，主汽温与再热汽温基本不变，所以高中压汽门门杆漏气温度也基本不变。

轴封母管管道容积不变，则V1/V2也是不变的。

所以轴封母管低压端温度T2与高压端压力P1成反比

根据以上理论分析得到以下结论：在机组高负荷时因漏汽量大，轴封母管高压端压力较高，故轴封母管低压端温度相对较低；在机组低负荷低时因漏汽量减少，轴封母管高压端压力低，故轴封母管低压端温度较高。

根据理论分析结果是要提高低负荷时轴封母管供汽量，使其轴封母管总供汽量与高负荷时相差不大，这样就能稳定轴封母管低压端温度，使其在全负荷段温度变化不大，不会造成汽封间隙变化，轴系振动的变化。

上汽厂原设计的轴封系统的汽源就只有自身泄汽与轴封母管进汽调门供汽两路。因自身泄汽与负荷有关，无法人为控制，只有通过调节轴封母管进汽调门，才能人为调节轴封母管总进汽量，使其在低负荷时自身泄汽量减少情况下增加轴封母管供汽量，从而达到降低轴封母管低压缸温度。

通过现场实验，在不同的负荷段，多次调整轴封供汽旁路手动门开度，提供不同的供汽量，实时跟踪各参数变化。实验证明，发现开启轴封供汽旁路门增加进汽量后，确实可以降低轴封母管低压端温度，并且能达到降低#5瓦轴振，使其在较低的范围内稳定运行。

6  轴封温度控制优化

为提高设备可靠性，减少不必要的人为误差，实现系统的自动化运行。通过对汽轮机轴封系统原控制逻辑的分析，在不影响汽轮机轴封供汽调节阀原控制逻辑基础上，根据手动调整旁路门调节轴封母管低压端温度总结的经验，增加轴封控制逻辑：

1、当轴封母管低压段温度高于270℃，自动调整开启轴封供汽调节阀，以达到降负荷时当轴封母管低压端温度变高时，能增加轴封母管供汽量，以控制轴封母管低压端温度在一定范围内，并使#5瓦轴振动在较低的范围运行内。

2、限制轴封供汽调节阀开启速度，防止供汽太快，轴封供汽母管压力下降过快，或者轴封温度调节不及时，有可能发生碰摩甚至大轴抱死。(3)

3、当轴封母管压力低于3.5KPa需要开启轴封供汽调节阀时，与温度调节回路开度比较，两者取大者控制供汽调节阀。

7  改造实施前后的机组参数对比

改造前满负荷660MW时，轴封母管低压端温度为272℃ ，#5瓦轴振保持在45~50μm之间；低负荷330MW及以下时，轴封母管低压端温度为310℃及以上，#5瓦轴振在70~85μm之间。且随机组运行时间增长#5瓦轴振在逐渐变大。

改造后全负荷段，轴封母管低压端温度在270℃ ~285℃ 之间，#5瓦轴振保持在40~70μm之间，且随运行时间的增长在逐渐减小，最后稳定在20~40 μm之间。

目前#5/6机组全部都已修改逻辑实现供汽调门自动控制轴封母管低压端温度，已验证了不影响开停机及其他各异常工况下轴封供汽调门正常调整。#5/6机组正常运行时低压轴系振动目前都只有20~40 μm之间，达到国标的优秀等级。实践证明了该改造方法可靠有效。

因轴封供汽调节阀一直有参与调节温度供汽，轴封供汽母管温度能保持在正常280℃左右。也解决了轴封供汽母管备用的问题。

8  结语

该改进方法是在机组原设计上只进行逻辑优化，并没有投入其他额外费用，根本上解决了上汽厂汽轮机轴封母管低压端温度变化大，轴系振动大的问题。且提高的轴封供汽母管温度低无法备用的问题。提高了机组运行的安全可靠性，提高机组的经济效益。

参考文献：

1、张翠华，超临界机组汽轮机运行中轴封系统问题分析及优化[J]，机电信息，2013（27），57-58。

2、周子舫，曹烈兆，工程热力学，2016-01-01，科学出版社。

3、王国琦，姚昌模等，汽轮机轴封抱死的原因及预防措施（J），重庆电力高等专科学校学报，2013.18（2），54-57。

1