0 引言

    汽輪機閥門組的工作方式有2種：節流（單閥）調節和噴嘴（順序閥）調節。不同的配汽方式對機組的安全、經濟性有顯著影響。節流調節是全周進汽，轉子和汽缸周向受熱均勻，因此熱應力較小，可以適應負荷的快速變化以及機組的快速啟動。節流調節的缺點是在低負荷時，每個閥均部分開啟而產生較大的節流損失，使機組的熱效率低很多。在噴嘴調節方式下，所有的調節閥順序開啟，節流損失小，因此機組低負荷運行的效率高。

    噴嘴調節是汽輪機普遍采用的調節方式，但由于噴嘴調節在任何功率下，有些進汽弧段是關閉或部分開啟的，破壞了汽輪機進汽的周向均勻布置，在啟動以及負荷大范圍變動時易引起靜子部件各部分受熱不均，造成極大的熱應力。噴嘴配汽如果設計不合理，調節級在部分進汽時就會產生較大的配汽不平衡汽流力，給機組的運行帶來不利影響。據統計，近幾年，國內一些亞臨界和超臨界600MW以上容量等級的機組，在試生產期結束以后，在單閥切順序閥運行的過程中，出現了一系列由于噴嘴配汽設計不當而引發的軸系故障問題。這些故障的存在，導致機組無法進行正常的調門運行方式切換，只能采用節流調節，從而導致調節閥節流損失大，嚴重影響機組運行的經濟性。

    1 調門運行方式切換過程中的問題

    1.1 調門結構和參數

    某電廠的660MW機組是國產第1臺超臨界、單軸、三缸（高中壓合缸）、四排汽、一次中間再熱凝汽式660MW機組，機組型號為N660-24.2/566/566，調門設計數據如表1所示，調門結構與布置如圖1所示。

表1 調門設計數據

圖1 閥門配置和開啟順序（原設計）

    1.2 調門運行方式切換過程中的問題

    制造廠設計的順序閥運行方式為GV3+GV4→GV1→GV2調門依次開啟，但在進行機組投產后性能試驗時，在調節閥運行方式切換的過程中，出現瓦溫異常升高的問題。

    在540MW負荷下，機組進行從單閥到順序閥的自動切換，切換后，軸向位移由0升至0.22mm、1號軸承瓦溫度由71.65℃升至112.57℃（跳機時的瓦溫度為113℃）、2號軸承瓦溫度由82.13℃升至110.83℃。機組調門的運行方式切換回單閥運行，1、2號瓦溫恢復正常。

    2 配汽不平衡汽流力的產生機理

    蒸汽在調節級中流動時，對調節級動葉片產生汽流力的作用，這個汽流力可分解為沿圓周方向的切向力、沿半徑方向的切向力和沿轉軸方向的軸向力。其中切向汽流力在葉輪上產生力偶而使轉子旋轉，同時產生一個通過轉軸中心的力；軸向汽流力使轉子產生軸向位移，并且對轉軸產生一個翻轉力矩。當調節級均勻進汽時，切向汽流力所產生的通過轉軸中心的力和軸向汽流力對轉軸的翻轉力矩均勻地分布于整個圓周，能夠自平衡，不對外表現力的作用。但當調節級部分進汽時，各種力不能夠自平衡，表現出調節級配汽不平衡汽流力的作用，在機組的各軸承處產生附加載荷。

    作用在一個動葉片上的切向汽流力F_ui和軸向汽流力F_zi分別為：

    式中：C為通過動葉片的蒸汽流量，kg/h；A_b為動葉片的軸向面積，m²；C_1u為在動葉片進口蒸汽的絕對切向流速，m/s；C_2u為動葉片出口蒸汽的絕對切向流速，m/s；C_1z為在動葉片進口蒸汽的絕對軸向流速，m/s；C_2z為在動葉片出口蒸汽的絕對軸向流速，m/s。

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    可以看出，要計算F_ui和F_zi，需要進行調節級變工況的熱力計算，求得相關參數。計算得到F_ui和F_zi后，切向汽流力F_ui所產生的通過轉軸中心的力就是F_ui，軸向汽流力F_zi對轉軸的翻轉力矩M_zi可由F_ui和F_zi與到轉軸中心線的距離乘積求得。

    配汽不平衡汽流力產生于調節級，對高壓轉子有明顯的影響，尤其是在支撐高壓轉子的1、2號軸承上產生附加載荷，導致亞臨界和超臨界600MW以上容量的機組，閥門運行方式切換過程中的軸系故障，多發生在1、2號軸承上。

    由于水平不平衡汽流力的作用，使軸心位置發生移動，軸在軸承中的側隙發生了很大變化，軸心偏移使軸瓦進口油楔面積大大減小，如圖2所示，軸承供油量不足，軸承工作所產生的熱量不能及時被帶走，必然致使軸瓦溫度升高。嚴重的軸心偏移也可能使轉子和軸承發生碰磨，而且轉子和軸承之間間隙的減小，導致油膜剛度加大，轉子的不平衡交變激振力通過油膜作用于軸承巴氏合金上，很容易使其發生疲勞破壞，引起軸承巴氏合金燒蝕。另外，軸承進出口油楔大小發生變化，必然引起軸承靜動特性發生明顯變化，從而進一步引發振動、穩定性等一系列軸系故障的發生。隨著機組參數的升高，配汽不平衡汽流力的增長幅度大大超過轉子自重的增長幅度，由于配汽不平衡汽流力的急劇增長，在高參數機組上，瓦溫和振動會明顯增加，配汽導致的軸系故障更加嚴重。

圖2 不平衡汽流力作用下軸承的工作狀態

    3 調門配汽方式優化試驗

    按照制造廠原設計的順序閥運行方式，在閥門運行方式自動切換過程中，出現瓦溫快速升高的現象已嚴重影響機組的安全運行，因此在調門單閥方式運行的基礎上，進行模擬試驗，即逐個閥門關閉試驗。

    3.1 閥門關閉試驗

    閥門關閉試驗就是有選擇地緩慢關閉處于單閥方式運行下的汽輪機的一兩個汽門，通過觀察這一過程中汽輪機軸承金屬溫度的變化來確定軸承受力的變化；通過觀察汽輪機轉子振動的變化來估算激振力與不平衡力給轉子運行穩定性帶來的影響；通過觀察每個汽門關閉時負荷的變化來檢驗4個高壓調門的特性是否一致，最后綜合以上監測數據和觀察結果，合理判斷，確定出能夠滿足汽輪機安全運行的順序閥方式的閥序。

    3.1.1 單個調門關閉的試驗

    采用單個調門關閉，其他調門單閥運行的試驗方式，將機組高壓調門逐個關閉，進行調門組合方式試驗，摸清調門進汽方式對軸系的影響。試驗步驟如下：機組單閥方式運行，維持負荷在480MW左右，每次試驗1只高壓調門，試驗時嚴格控制主蒸汽壓力為額定壓力24.2MPa，保持凝汽器真空、軸承潤滑油進油溫度及機組運行方式不變。通過手動改變試驗高壓調門閥位，使其閥位從0至100%變化，每個試驗閥位點穩定運行0.5h以上，全面記錄機組運行參數，嚴密觀察在不同的閥序下，各軸承振動、瓦溫、高壓缸上下缸溫差、推力瓦溫、脹差等參數變化情況。試驗結果表明，隨著每只高壓調門閥位的變化，負荷在480MW上下變化不大，機組運行正常，所有安全參數均未超標。

表2 單個調門關閉的試驗數據

    表2為單閥關閉試驗數據，從表2可知：（1）關閉任一調門，軸系振動變化不明顯；（2）由于對稱布置的原因，GV1與GV4、GV2與GV3閥開度對軸瓦溫度的影響呈現相反的作用。單獨關閉GV1閥、GV3閥，汽輪機1、2號軸承左側溫度有所上升，但并不超限；單獨關閉GV2閥、GV4閥，汽輪機1號、2號軸承右側溫度有所上升，但并不超限，這與汽輪機進汽方式對軸系作用力是吻合的；（3）試驗過程中3~9號軸承溫度變化不明顯。

    3.1.2 調門順序閥運行方式試驗

表3 模擬原設計的調門順序閥運行的試驗數據

    基于以上試驗工況，關閉GV2閥后，繼續關閉GV1閥，GV3、GV4閥單閥運行，模擬制造廠原設計的順序閥運行方式進行試驗，試驗數據如表3所示。此試驗工況模擬了機組單閥切至順序閥后的情形，在GV2閥關閉后，逐漸關小GV1閥時，1、2號軸承右側溫度升高很快，原因是高壓缸上部進汽時，下部進汽量減少，配汽不平衡汽流力對轉子向下的作用力增加，推動轉子向右下方移動，導致右側軸承油膜變薄，冷卻、潤滑效果下降，右側軸承溫度急劇上升。

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    隨著GV1閥逐漸開大，下部進汽量增加，會使轉子向上的推動力增加，右側軸承溫度逐漸降低，但由于GV2閥不進汽，轉子仍然偏向右側，右側軸承溫度偏高，隨著GV2閥的逐漸開啟，機組恢復單閥運行，轉子的受力恢復平衡，右側軸承溫度恢復正常。

    3.2 調門運行方式優化試驗

    將閥門開啟方式改變，先開GV1、GV2閥，后開GV3、GV4閥以調節機組負荷，始終保證轉子向上的作用力充足，即調節閥的運行方式改為：GV1+GV2→GV3→GV4調門依次開啟，按這種方式切換后，機組瓦溫不再異常升高，機組能夠正常運行。

    更改熱工控制程序，將調門的開啟順序改為GV1+GV2→GV3→GV4調門依次開啟，機組實現了單閥向順序閥的自動切換。順序閥運行方式下，機組各工況下的運行數據如表4所示。

表4 調門順序閥運行方式下的試驗數據

    從表4可以看出，機組調節閥的運行方式由單閥改為GV1+GV2→GV3→GV4調門依次開啟的順序閥運行方式后，機組1、2號瓦溫和振動、機組的軸向位移正常，機組能夠安全運行。

    在其他機組配汽方式優化改造結果中，存在對角進汽的方式。機組采用對角進汽方式，在圓周上非連續進汽，此配汽將引起調節級動葉片所受的激振力頻率發生變化，動葉片受到的動應力也會發生變化，從葉片安全角度考慮，GV1+GV2→GV3→GV4的進汽方式優于對角進汽，因此目前山東電網投產的6臺超臨界660MW機組都采用此種進汽方式。

    4 不同調門運行方式下的機組經濟指標比較

    由于在制造廠設計的順序閥運行方式下，軸系存在故障，機組投產后一直單閥運行，熱耗率高、經濟性差。調門運行方式優化后，成功地實現了從單閥到順序閥的改變，機組能夠安全、經濟運行。由熱力性能試驗數據，比較了機組單閥運行和順序閥運行的經濟性，如表5所示。

表5 不同調門運行方式下的機組經濟指標

    由表5可以看出，機組順序閥運行方式下的經濟指標優于單閥運行的指標，尤其是400MW、500MW低負荷工況，經濟指標差別較大。400MW順序閥工況，熱耗率低162kJ/（kW•h），高壓缸效率高9.125%；500MW順序閥工況，熱耗率低93.89kJ/（kW•h），高壓缸效率高5.578%。順序閥運行方式，機組熱耗率低，高壓缸效率高。考慮機組目前的平均負荷率，白天負荷為500～550MW，晚上負荷為350～400MW，都處于調門單閥與順序閥運行經濟指標差別比較大的區域，機組由單閥運行改為順序閥運行后，節能效果顯著。

    5 結語

    （1）調節級的非對稱進汽產生了配汽不平衡汽流力，而配汽不平衡汽流力是超臨界660MW汽輪機組產生軸系故障，無法投入噴嘴調節的根本原因。

    （2）通過調門配汽方式優化試驗，得到GV1+GV2→GV3→GV4調門依次開啟的順序閥進汽方式，成功實現了超臨界660MW機組從單閥到順序閥的切換。熱力性能試驗數據表明，在80%以下負荷，機組經濟指標提高幅度較大，具有明顯的節能效果。