Исследования динамики системы
Турбоагрегат-фундамент-основание (ТФО)
Энергоблоков мощностью 800 МВт
Г.С.-Петербург, ВНИИГ-ЛМЗ
Н.А.Абросимов (ВНИИГ) О.А.Злобин, М.И.Шкляров (инж. филиала ОАО “Силовые машины” ”ЛМЗ” в Санкт-Петербурге)
Важнейшим критерием надежности эксплуатации турбоагрегатов, как и других вращающихся механизмов, является уровень их вибрации. Снижение уровня вибрации, прежде всего, уменьшение остаточной неуравновешен -
ности роторов. При минимальных, реально достигаемых силах от неуравновешенности, также необходимо обеспечить надлежащую жесткость фундамента и опор, как отдельных элементов, так и всей системы ТФО в целом с учетом её динамических и статических характеристик.
Натурные виброисследования являются одним из наиболее эффективных методов решения этих задач.
Рядом организаций (ВНИИГ, ЛМЗ, ЦКТИ, ВТИ и др.) были проведены исследования динамики системы ТФО на головных энергоблоках мощностью 800 МВт Запорожской и Пермской ГРЭС. Кроме того, динамические свойства системы ТФО изучались на Сургутской ГРЭС-2 и Славянской ГРЭС. Одной из задач этих исследований было получение динамических податливостей фундаментов и опор турбоагрегатов. Динамические податливости наиболее полно характеризуют жесткостные свойства элементов системы.
Величина допустимой динамической податливости фундаментов регламентируется в настоящее время техническими требованиями [1]. В этом документе ее значения для ненагруженного оборудованием фундамента в диапазоне частот 47 – 55 Гц в зонах опирания выносных подшипников в зависимости от статической нагрузки на площадку фундамента ограничивается величинами:
- 0,45 – 0,30 мкм/кН при массе ротора от 300 до 600 кН;
- 0,65 мкм/кН при массе ротора 200 кН и менее.
Значение допустимой динамической податливости элементов фундамента в местах опирания цилиндров со встроенными подшипниками (на площадках, расположенных на поперечных ригелях по продольной оси агрегата и на продольных балках по поперечным осям встроенных подшипников) при массах роторов от 20 до 50 т в диапазоне частот от 47 до 55 Гц не должно превышать 0,8 мкм/кН. В 30% точек измерений допускается превышение указанных величин до 50%.
Требования к динамическим податливостям опор в зависимости от веса роторов в соответствии с руководящим документом [2] следующие - опоры турбины выносные и встроенные с массой ротора 8 – 50 т должны иметь динамические податливости в диапазоне частот 25 – 45 Гц не более 0,7 мкм/кН, в диапазоне частот 45 – 58 Гц не более 0,5 мкм/кН и в диапазоне частот 90 – 110 Гц – не более 0,4 мкм/кН.
Генераторные выносные опоры с массой роторов 60 – 120 т должны иметь динамические податливости в диапазоне частот 24 – 45Гц не более 0,4 мкм/кН, в диапазоне частот 45 – 58 Гц – не более 0,25 мкм/кН и в диапазоне частот 90 – 110 Гц – не более 0,2 мкм/кН.
Фундаменты турбоагрегатов (ФТА) мощностью 800 МВт представляют собой пространственные одноэтажные железобетонные рамы, имеющие в поперечном направлении один пролет, а в продольном -9 пролетов. Длина фундаментов около 60,0 м, ширина 12,0 м, а высота 15,4 м. Колонны, ригели и продольные балки сделаны из сборного железобетона. Нижние плиты ФТА выполнены из монолитного железобетона и на каждом объекте имеют свои конструктивные особенности. Конструкция сопряжений элементов между собой и с нижней плитой принята по типовым решениям, подробно описанным в литературе.
Проект ФТА типа К-800-240-5+ТВВ-800-2 разработан после выхода требований машиностроителей [1]. В новом проекте, по которому построены фундаметы Березовской ГРЭС-1, Сургутской ГРЭС-2 и Пермской ГРЭС, все стойки приняты сечением 1,0 х 1,0 м, ригель между ЦНД-III и генератором сечением 3,6 х 1,0 м, остальные ригели на участке ЦНД-II и ЦНД-I сечением 3,0 х 1,0 м, ригель на участке ЦСД и ЦВД сечением 2,4 х 1,5 м.
Рабочие чертежи ФТА К-800-240-3+ТВВ-800-2 разработаны до выхода требований машиностроителей. В этом проекте стойки были приняты сечением 1,5 х 1,0 м в турбинной части и 1,0 х 1,0 м в генераторной, ригели в турбинной части – сечением 4,0 х 1,0 м (между ЦНД-III и генератором) и 2,4 х 1,0 м в генераторной 2,1 х 1,0 м и 1,8 х 1,0 м. По этому проекту сооружены фундаменты на Запорожской, Углегорской и Рязанской ГРЭС.
На этих фундаментах установлены однотипные по конструкции и размерам турбоагрегаты (ТА). Поэтому сравнение динамических характеристик системы ТФО, полученные на различных объектах, представляет не только научный, но и практический интерес.
Одновальная турбина мощностью 800 МВт на 3000 об/мин типа К-800-240-2 с 1971 г. находится в эксплуатации на Славянской ГРЭС. С 1974 г. стали серийно изготовляться одновальные турбины типа К-800-240-3. В отличие от турбины К-800-240-2, которая имеет три поверхностных двухходовых конденсатора с поперечным расположением трубной системы, конденсаторная группа турбины К-800-240-3 состоит из двух продольных одноходовых конденсаторов. Применение продольных конденсаторов повлекло и изменение конструкции фундамента с увеличением расстояния между колоннами с 6,8 до 8 м из-за увеличения ширины конденсатора. Кроме того, изменение компоновки трубопроводов ЦВД, ЦСД и выводов генератора потребовало поднять отметку обслуживания ТА с 9,6 до 11,4 м. Турбина типа К-800-240-3 была установлена на Запорожской, Углегорской и Рязанской ГРЭС.
Турбина типа К-800-240-5 отличается от турбины К-800-240-3 расположением перепускных труб и некоторыми другими усовершенствованиями.
В соответствии с методикой, изложенной в руководящих документах [1, 2], для получения динамических податливостей специальным вибратором возбуждались в вертикальном и горизонтальном направлениях вынужденные колебания фундамента и опор ТА на частотах, соответствующих пусковым и рабочему режимах ТА. На фундаменте без установленного оборудования вибратор устанавливался последовательно во всех точках приложения к фундаменту динамических нагрузок, т.е. в местах опирания подшипников (выносные опоры) или корпусов цилиндров (встроенные опоры) на фундаментные рамы. При этом предполагалось, что действительную распределительную нагрузку на некотором участке можно заменить эквивалентной сосредоточенной силой. Вибратор закреплялся в точке приложения этой силы.
Во время испытаний статора ТА вибратор устанавливался последовательно в каждую из опор в специальных фальшвкладышах. Вибродатчики располагались на фундаменте по возможности ближе к месту установки вибратора.
На крышках подшипников вибродатчики устанавливались в тех точках, где обычно производится виброконтроль при работе агрегата. В каждой точке во время испытаний регистрировалась вертикальная и горизонтальная составляющие вибрации.
По результатам измерений были получены динамические податливости фундамента и опор. В таблице 1 представлены модули главных коэффициентов динамической податливости элементов ненагруженного ФТА типа К-800-240-3 Запорожской ГРЭС (блок №5) в местах передачи на фундамент динамических нагрузок.
Таблица 1
| Точка замера виброперемещения на элементе Фундамента | Направление колебаний | |
| В | П | |
| Ригель 1, слева | 0,17 | 0,1 |
| Ригель 2, слева | 0,14 | 0,07 |
| Ригель 3, справа | 0,21 | 0,11 |
| Продольная балка, справа (ось переднего подшипника ЦНД-I) | 0,29 | 0,57 |
| Продольная балка, справа (ось заднего подшипника ЦНД-I) | 0,26 | 0,7 |
| Ригель 4, справа | 0,25 | 0,07 |
| Продольная балка, справа (ось переднего подшипника ЦНД-II) | 0,17 | 1,31 |
| Продольная балка, справа (ось заднего подшипника ЦНД-II) | 0,24 | 0,33 |
| Ригель 5, справа | 0,31 | 0,07 |
| Продольная балка, справа (ось переднего подшипника ЦНД-III) | 0,26 | 0,74 |
| Продольная балка, справа (ось заднего подшипника ЦНД-III) | 0,35 | 1?38 |
| Ригель 6, справа | 0,24 | 0,18 |
| Ригель 9, слева | 0,04 | 0,06 |
В таблице 2 приведены модули главных коэффициентов динамической податливости корпусов подшипников роторов ТА К-800-240-3 при частоте f = 50 Гц (рабочая частота ТА).
Таблица 2
| Направление коле-баний | Номера опор | |||||||||||
| В | 0,16 | 0,09 | 0,19 | 0,25 | 0,45 | 0,33 | 0,56 | 0,44 | 0,39 | 0,44 | 0,36 | 0,12 |
| П | 0,51 | 0,34 | 0,36 | 0,25 | 0,39 | 0,5 | 0,8 | 0,59 | 0,68 | 0,46 | 0,8 | 0,43 |
Исследования ненагруженного ФТА типа К-800-240-3 показали, что максимальную податливость на рабочей частоте имеют продольные балки в местах опирания на них цилиндров низкого давления (ЦНД) ТА. В горизонтальном направлении податливость продольных балок оказалась выше, чем в вертикальном. Так, в районе опирания на фундаментные рамы задней части ЦНД-III (точки справа и слева) получены податливости в вертикальном направлении соответственно 0,35 и 0,33 мкм/кН, а в горизонтальном – 1,38 и 0,95 мкм/кН; близкая к максимальной податливость 1,31 мкм/кН получена также в точке передней части ЦНД-II справа, что превышает величины, допустимые техническими требованиями [1], распространяемыми на вновь проектируемые фундаменты.
Из рассмотрения динамической податливости подшипников ТА К-800-240-3 (таблица 2) видно, что на рабочей частоте максимальную податливость в вертикальном направлении имеет опора №7 (0,56 мкм/кН), в горизонтальном – опора №7 и №11 (0,8 мкм/кН).
По данным работ [3, 4] значения динамических податливостей опор валопровода турбины К-800-240-2 Славянской ГРЭС при 3000 об/мин лежат в диапазоне 0,15 – 0,45 мкм/кН. Таким образом, главные коэффициенты динамических податливостей опор (в частности, роторов низкого давления) турбины типа К-800-240-3 Запорожской ГРЭС (таблица 2) заметно выше, чем у турбины К-800-240-2, в особенности в поперечном направлении. Такое изменение динамических характеристик опор валопровода энергоблока №5 Запорожской ГРЭС обусловлено в основном изменением в конструкции фундамента.
Вибрационные испытания на Пермской ГРЭС показали, что динамические податливости поперечных ригелей ненагруженного фундамента в нормативном диапазоне частот находятся в интервале от 0,2 до 1,36 мкм/кН в вертикальном направлении и от 0,1 до 0,3 мкм/кН в горизонтальном направлении. В связи с тем, что зона повышенных резонансов (частоты 49 – 54 Гц) вертикальных колебаний близка к рабочему числу оборотов ТА, динамическая податливость в некоторых точках фундамента в местах опирания подшипников и статорных элементов агрегата в вертикальном направлении при 49 – 54 Гц превышает ограничения, установленные техническими требованиями [1].
Сопоставление максимальных значений динамических податливостей ненагруженных фундаментов, установленных на Пермской ГРЭС (αмакс = 1,36 мкм/кН) и Запорожской ГРЭС (αмакс = 1,38 мкм/кН) показывает, что их величины близки между собой.
Полученные результаты дают основание утверждать, что оба типа исследованных ФТА (для ТА К-800-240-3 и К-800-240-5) в динамическом отношении практически равноценны, обладают удовлетворительными динамическими характеристиками и, следовательно, являются надежными сооружениями.
Анализ результатов определения динамической податливости опор ТА ст. №1 Пермской ГРЭС показывает, что при 50 Гц максимальная податливость в вертикальном направлении обнаружена на опорах №7 и №10 (0,67 и 0,95 мкм/кН), в горизонтальном – на опоре №7 (0,52 мкм/кН).
Первая попытка улучшения динамических характеристик встроенных опор (№№ 5 – 10) ТА типа К-800-240-5 с помощью ужесточения выхлопных патрубков ЦНД была предпринята на Пермской ГРЭС (блок №3) и Сургутской ГРЭС-2 (блок №6).
После выполнения ужесточения динамические испытания опор выполнялись с помощью вибратора. Результаты исследований опор ТА ст.№6 Сургутской ГРЭС-2 приведены на рис. 1. Рассматривая графики зависимостей динамической податливости от частоты возмущающей силы, можно увидеть на кривых вертикальных колебаний опор №№ 8 - 11 несколько резонансных пиков. Наиболее высокие резонансные пики выявлены на частотах 34,2 и 55,0 (опора №8), 25,8 (опора №9), 46,7 (опора №10) и 39,1 (опора №11) Гц. На этих частотах величины динамических податливостей оказались равными соответственно 0,66 и 0,86; 0,57; 0,67 и 0,61 мкм/кН.
Сравнение динамических податливостей опор ТА Сургутской ГРЭС-2, полученных после их ужесточения (1993 – 94 г.г.) с аналогичными на Пермской ГРЭС (блок №3), показывает, что ужесточение опор на ТА ст.№6 Сургутской ГРЭС-2 не привело к изменению их характеристик в лучшую сторону, в то время как на Пермской ГРЭС на агрегате ст.№3 динамические податливости ряда однотипных опор (но не всех) снизились почти в 1,5 раза. Это говорит о необходимости индивидуального подхода к ужесточению даже однотипных опор РНД, податливость которых в динамике в основном определяется конструкцией ЦНД, массами и жесткостью элементов выхлопа и горловины конденсатора. В дальнейшем работы по увеличению жесткости опор и поиск соответствующих мероприятий желательно продолжить, так как вибрация опоры от дисбаланса прямо пропорциональна податливости опор.
Сравнение модулей главных коэффициентов динамических податливостей опор ТА К-800-240, установленных на различных ГРЭС, помещено в таблице 3. Из таблицы 3 видно, что значения динамических податливостей встроенных опор валопровода турбин К-800-240-5 и К-800-240-3 лежат в диапазоне 0,17 – 1,07 мкм/кН; передней генераторной опоры в диапазоне 0,26 – 0,80 мкм/кН.
Таблица 3
| № опо ры | Динамическая податливость опор, мкм/кН | |||||||||||
| Сургутс-кая ГРЭС-2 К-800- -240-5 ст. №6* | Пермская ГРЭС К-800-240-5 | Запорожская ГРЭС К-800-240-3 | Славянс- кая ГРЭС К-800- -240-2 | |||||||||
| ст. №1 | ст. №3* | ст. №5 | ст. №6 | |||||||||
| В | П | В | П | В | П | В | П | В | П | В | П | |
| 0,58 | 0,35 | 0,56 | 0,37 | 0,55 | 0,17 | 0,45 | 0,39 | 0,44 | 0,43 | 0,37 | 0,28 | |
| 0,44 | 0,32 | 0,46 | 0,37 | 0,32 | 0,28 | 0,33 | 0,50 | 0,40 | 0,75 | 0,31 | 0,40 | |
| 0,71 | 0,49 | 0,67 | 0,52 | 0,42 | 0,59 | 0,56 | 0,8 | 0,52 | 1,00 | 0,40 | 0,37 | |
| 0,66 | 0,41 | 0,57 | 0,35 | 0,39 | 0,35 | 0,44 | 0,59 | 0,42 | 0,81 | 0,31 | 0,37 | |
| 0,51 | 0,33 | 0,39 | 0,36 | 0,41 | 0,23 | 0,39 | 0,68 | 0,40 | 1,07 | 0,26 | 0,33 | |
| 0,65 | 0,38 | 0,95 | 0,48 | 0,74 | 0,27 | 0,44 | 0,46 | 0,45 | 0,65 | 0,28 | 0,34 | |
| 0,60 | 0,27 | 0,29 | 0,26 | 0,39 | 0,37 | 0,36 | 0,80 | 0,38 | 0,71 | 0,60 | 0,45 |
Примечание.* Приведены результаты испытаний опор после ужесточения последних.
Проведение динамических испытаний по определению податливостей опор позволит принимать более обоснованное и оптимальное решение по выполнению наладочных работ на турбоагрегате в целом. Особенно это актуально для валопровода К-800-240-5 с высокой продольной связанностью колебаний роторов и опор. При недостаточной жесткости опор динамические испытания позволяют выявить слабые места в конструкции и провести необходимое их ужесточение. Экспериментальные значения резонансных частот ряда опор располагаются в зонах близких к рабочей частоте вращения и 1/2 и ниже частоты вращения, причем в этих зонах могут находиться не один, а несколько резонансов. В некоторых случаях из-за расположения резонансов опор слева и справа от рабочей частоты «косметическое» ужесточение не дает желаемого эффекта. Так, например, ужесточение с использованием труб в выхлопном патрубке на ТА ст. №6 Сургутской ГРЭС-2 не привело к уменьшению податливостей опор при частоте 50 Гц (таблица 3).
В разное время на вышеуказанных электростанциях были проведены динамические испытания опор ТА в соответствии с [2], но только в диапазоне 0 – 55 Гц. Высокий уровень двойной оборотной составляющей на рабочей частоте и резкий ее подъем в этой зоне указывает на наличие резонанса с частотой 100 гц, что, в частности, относится к опоре №11 ТА.
В связи с тем, что работы по подготовке и проведению динамических испытаний опор в соответствии с [2] слишком трудоемки и мешают плановому проведению ремонта ТА, было решено для опоры №11 применить методику ускоренных испытаний с целью определения резонансов в районе 100 Гц посредством малогабаритного вибратора с круговой возмущающей силой. При этом жесткость и масса системы ТФО остается такой же, как и в эксплуатационных условиях.
Во время расхолаживания ТА ст. №2 и №6 Сургутской ГРЭС-2 при выводе в капитальный ремонт на крышку подшипника №11 была установлена стальная плита весом 1,2 т. Плита крепилась шпильками, ввернутыми в отверстия под рым-болты с четырех сторон. На плите был укреплен специальный электродвигатель, соединенный через муфту с вибратором, который состоит из двух опор с эксцентриком на валу, для создания центробежной силы. Скорость вращения вибратора изменялась от 15 до 115 Гц с помощью преобразователя частоты. Замеры вибрации производились виброизмерительным четырехканальным прибором ВК-5М. При испытаниях опоры №11 был зафиксирован ее резонанс, который четко прослеживается на вертикальной составляющей вибрации (рис.2, кривая 1), возбуждаемой вибратором, на 96 Гц (ТА ст. №2); на такой же опоре ТА ст. №6 Сургутской ГРЭС-2 отмечен резкий подъем вибрации при подходе к 100 Гц, но резонанса достичь не удалось.
Проведенные исследования показали, что конструкция консольной части ЦНД-III, где расположены подшипники №10 и №11, нуждается в дополнительном ужесточении.
Для снижения 100 Гц вибрации на опоре №11 (ТА ст. №2) были установлены два ребра жесткости под консольную часть картера подшипника и два ребра жесткости на крышке ЦНД-III со стороны генератора. Динамические испытания в ускоренном варианте, но после выемки роторов (РНД-III и РГ), были повторены. Резонанс опоры №11 в данном случае сместился в область 80 - 82 Гц (рис.2, кривая 2), что объясняется, частичной выемкой роторов и нарушением связей в валопроводе. Поскольку до ужесточения опоры №11 динамические исследования без роторов не проводились, сравнить полученные данные с другими исследованиями не представляется возможным. У ЛМЗ накоплен большой опыт по модернизации ЦНД и уменьшению вибрации встроенных опор [5], поэтому в дальнейшем работы по этой проблеме следует продолжить.
На основании выполненных натурных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Результаты сравнения динамических податливостей однотипных опор ТА, установленных на однотипных фундаментах, построенных на различных объектах, сопоставимы лишь при условии сходства динамических характеристик фундаментов.
2. Использование технических требований в течение нескольких лет весьма полезно, поскольку появились нормативные источники, на основании которых можно оценивать динамическую податливость ненагруженного оборудованием фундамента и опор ТА и принимать обоснованные решения о приемке их в эксплуатацию.
3. Нормативное ограничение динамической податливости фундамента до установки на него оборудования величинами, указанными [1], обеспечивает условия, необходимые для нормальной эксплуатации ТА.
4. Динамическая податливость ненагруженного фундамента при изменении частоты возбуждаемых колебаний является наибольшей не при 50 Гц, а при более низких частотах, когда динамические нагрузки от ТА оказываются значительно меньше расчетных величин и передаются фундаменту кратковременно при наборе ТА оборотов в период пуска или при снижении их во время останова.
5. Опыт вибрационных приемочных испытаний и эксплуатация установленных на исследованных фундаментах ТА показывает, что проведение испытаний позволяет своевременно оценить качество опор и строительно-монтажных работ и получить данные, использование которых дает возможность повысить вибрационную надежность системы ТФО энергоблоков большой мощности.
6.На работающем ТА продолжить подобные испытания с примененим вибратора с развиваемой нагрузкой от ЦБС не более 5% от статической нагрузки приходящейся на опору, что позволит не нарушая безопасную эксплуатацию ТА получить динамические характеристики ТФО с учетом масляного клина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РТМ 108.021.108-85. Агрегаты паротурбинные энергетические. Требования к фундаментам. – М. Минэнергомаш, 1986.
2. РД 24.33.04-88. Методика комплексных вибрационных испытаний энергетических паротурбинных агрегатов. – М.Минэнергомаш, 1989.
3. Орлов И.И., Моногаров Ю.И., Кальменс В.Я., Ковалев И.А. Определение вибрационных характеристик одновального турбоагрегата К-800-240-2+ТВВ-800. – Труды ЦКТИ, вып.144, 1977, С. 5 – 10.
4. Орлов И.И., Моногаров Ю.И., Ковалев И.А. и др. Динамическая надежность валопровода турбоагрегатов К-800-240-3. – Труды ЦКТИ, вып. 155, 1978, С. 3 – 10.
5. Лисянский А.С., Егоров Н.П., Никольский А.В. и др. Основные результаты модернизации и виброналадки паровой турбины К-200-130 на ТЭС «Матра» (Венгрия) // Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций. Сб-к докладов, ВТИ., М., 2003, С. 95 – 101.