某廠350MW汽輪機(jī)推力軸承溫度高原因分析及處理

付振春,李 云

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,吉林 130021;2.吉林名門電力實(shí)業(yè)集團(tuán)公司,長春 130033)

汽輪機(jī)推力軸承是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要部件,主要作用是承擔(dān)蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力,并確定轉(zhuǎn)子的軸向位置,使轉(zhuǎn)子與靜止部分保持一定的軸向間隙。由于汽輪機(jī)通流部分的狀態(tài)、流量大小、隔板等處汽封間隙大小等,使軸承上的推力可能產(chǎn)生很大的變化。一旦推力過大,推力瓦塊溫度將升高,使瓦塊上的烏金磨損燒壞,轉(zhuǎn)子發(fā)生不允許的軸向位移,使汽輪機(jī)通流部分發(fā)生碰撞、磨損等惡性事故。在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、準(zhǔn)確分析原因、采取科學(xué)有效的處理措施,是使推力軸承正常工作、汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

1 機(jī)組概況及推力軸承磨損情況

某電廠 2號汽輪機(jī)為超臨界、一次中間再熱、單軸雙缸雙排汽、雙抽、直接濕冷、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。其推力軸承安裝在前軸承箱內(nèi),工作面、非工作面各有 6塊推力瓦構(gòu)成,材料為巴氏合金,額定 350 MW負(fù)荷順序閥運(yùn)行軸向推力設(shè)計(jì)值約為 10 kN。該機(jī)組自2012年投產(chǎn)后分別于2012年6月13日、7月 25日發(fā)生了推力軸承損壞事故,機(jī)組推力軸承檢修后只能在 250～270 MW負(fù)荷(純凝汽工況)下運(yùn)行,否則推力軸承溫度上升較快,嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2號汽輪機(jī)兩次推力軸承磨損均為工作面瓦塊,其中第 2次推力軸承磨損事故前負(fù)荷213 MW,推力瓦工作面溫度最高值 95.8℃,軸向位移為0.19 mm;事故時(shí)軸向位移躍升至 1.89 mm,推力瓦工作面溫度最高值躍升至113℃,2號汽輪機(jī)軸向位移保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn),推力軸承工作瓦塊外緣最大磨損 4.1 mm(下瓦),內(nèi)緣最大磨損 1.3 mm。

2 原因分析

2.1 制造、安裝方面

2.1.1 推力軸承供油量的影響

推力軸承發(fā)生磨損后,首要誘因是由于推力軸承的供油量不足,使油膜形成不良而導(dǎo)致。該機(jī)組兩次推力軸承磨損事故發(fā)生后,確實(shí)在潤滑油系統(tǒng)檢查出了問題。第1次事故發(fā)生后,前箱解體時(shí)發(fā)現(xiàn)推力軸承上蓋的 8個(gè)溫度測點(diǎn)中 4個(gè)不用的溫度測點(diǎn)元件線夾沒有安裝,機(jī)組運(yùn)行時(shí)潤滑油自測溫元件線夾孔向外大量泄油,使推力軸承內(nèi)潤滑油壓降低;第 2次事故發(fā)生后,推力軸承解體檢查發(fā)現(xiàn)回油孔處調(diào)整螺釘沒有進(jìn)行調(diào)整(全開狀態(tài)),潤滑油回油“敞口”運(yùn)行沒有節(jié)流,降低了軸承內(nèi)潤滑油壓力,檢修人員將溫度測點(diǎn)元件夾裝好、調(diào)整螺釘至開度1/3位置。機(jī)組再次啟動(dòng)推力軸承溫度高的問題并沒有改善,這說明雖然推力軸承測溫線夾沒有安裝、回油調(diào)整螺釘沒有節(jié)流雖會(huì)影響潤滑油壓,但在推力軸承內(nèi)只要充滿潤滑油,即使油壓偏低(接近大氣壓力),也不致影響潤滑油膜的形成,導(dǎo)致軸承磨損事故的發(fā)生。

2.1.2 推力軸承方面的影響

推力盤材料的影響:2號機(jī)組第1次推力軸承損壞事故發(fā)生后,對磨損的推力盤工作面進(jìn)行了補(bǔ)焊處理。由于補(bǔ)焊所用的材料與推力軸承烏金所構(gòu)成的摩擦副性能較差,新材料摩擦性能相對較“粘”,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量必然較高,因此第 2次事故發(fā)生前機(jī)組在空負(fù)荷時(shí)推力軸承工作面溫度明顯高于第 1次事故發(fā)生前空負(fù)荷時(shí)的溫度,并且軸承溫度隨著負(fù)荷增加持續(xù)升高,在 210 MW負(fù)荷就已發(fā)生了磨損事故。為解決這一問題,該機(jī)組小軸返廠,將推力盤補(bǔ)焊的部分進(jìn)行了車削,并通過加墊片將推力軸承推力間隙調(diào)整至允許范圍內(nèi)。

推力盤與推力瓦塊平行度的影響:通常情況下,機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),由于汽缸兩側(cè)膨脹差異以及轉(zhuǎn)子揚(yáng)度的變化等造成推力盤與推力瓦塊平行度發(fā)生變化,而推力軸承能夠靈活地根據(jù)這一變化,調(diào)整自身的位置,使推力軸承工作瓦塊均勻受力。一旦機(jī)組推力盤與推力瓦塊平行度超出允許范圍,將使推力軸承工作瓦塊受力不均,部分瓦塊烏金溫度持續(xù)上升。經(jīng)檢查,該機(jī)組運(yùn)行中汽缸兩側(cè)膨脹均勻,但軸承箱揚(yáng)度超出了設(shè)計(jì)要求,檢修人員將其調(diào)整至合理范圍內(nèi),消除了影響。

推力軸承自位性的影響:推力軸承靈活的自位性,可保證推力瓦塊受力均勻,潤滑油膜的有效建立,避免瓦塊與軸產(chǎn)生干摩擦,從而防止推力軸承溫度升高而磨損。2號機(jī)組推力軸承解體檢查后發(fā)現(xiàn)1、2號瓦塊測溫護(hù)套間隙不夠,平衡橋靠中分面止動(dòng)螺釘沒有拆除,影響推力瓦塊的自位功能,檢修人員對測溫套管進(jìn)行了車削處理,并拆除了止動(dòng)螺釘,避免了對推力軸承自位性的影響。

2.1.3 汽輪機(jī)軸向推力的影響

2號機(jī)組推力軸承磨損事故發(fā)生后,雖針對潤滑油及推力軸承等方面存在的問題進(jìn)行了處理,但仍未改善推力瓦溫度高的情況。因此,分析認(rèn)為2號機(jī)組推力軸承的兩次磨損及瓦溫高的根本原因是機(jī)組軸向推力過大造成。 2號機(jī)組為反動(dòng)式汽輪機(jī),高、中壓汽缸為合缸式,在高、中壓轉(zhuǎn)子壓力級上,能產(chǎn)生相當(dāng)大的軸向推力,這部分推力主要是靠轉(zhuǎn)子上的高、低壓平衡轂和凸臺所受的蒸汽作用力平衡。該機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子原始理論軸向推力特性曲線如圖1所示,其中,THA為熱耗保證工況;VWO為閥門全開工況。實(shí)際運(yùn)行的推力軸承溫度如表1所示。

表1 2號機(jī)組不同負(fù)荷下推力軸承溫度 ℃

從表1可以看出:機(jī)組在單閥(或順序閥)運(yùn)行方式下,隨著負(fù)荷的增加其推力軸承(電端)溫度上升,即隨著機(jī)組負(fù)荷增加其軸向推力增加。而從圖1可以看出:機(jī)組在單閥運(yùn)行方式下,隨著負(fù)荷增加其軸向推力增加,但推力的方向?yàn)樨?fù)。顯然,機(jī)組軸向推力原始理論計(jì)算值與實(shí)際情況不符。

針對上述問題,責(zé)成制造廠對汽輪機(jī)軸向推力計(jì)算方法進(jìn)行了重新核查,發(fā)現(xiàn)由于調(diào)節(jié)級前后面積不封閉造成了計(jì)算錯(cuò)誤,使調(diào)節(jié)級圍帶前后面積差多算了反向推力 AP01(其中:A為調(diào)節(jié)級圍帶前后面積差;P01為調(diào)節(jié)級噴嘴后壓力),而實(shí)際這部分面積差承受的壓差為調(diào)節(jié)級前后壓差,產(chǎn)生的推力并不大,可以忽略,并且壓力級部分級別也有類似錯(cuò)誤,導(dǎo)致機(jī)組總推力少算,實(shí)際推力增大。經(jīng)重新計(jì)算,在 350 MW負(fù)荷,該機(jī)組軸向推力為 290 kN(正向)處于推力瓦比壓上限范圍內(nèi),易造成推力軸承燒損。

2.2 汽輪機(jī)保護(hù)方面的原因

圖1 機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子原始理論推力特性曲線

2.2.1 軸向位移保護(hù)未動(dòng)作

2號汽輪機(jī)軸向位移保護(hù)原設(shè)計(jì)在汽機(jī)監(jiān)視儀表(TSI)中軸向位移的 4個(gè)測點(diǎn)均加了 2 s延時(shí),并且在 T SI中設(shè)置了“l(fā)imit suppression”(限值抑制)功能,此功能的作用是參數(shù)在超量程后,屏蔽掉輸出?；谏鲜?2個(gè)原因,在汽輪機(jī)發(fā)生事故的瞬間(不超過 2 s),軸向位移超量程后,由于限值抑制功能的設(shè)置,“軸向位移大”的輸出被屏蔽掉,TSI裝置無法輸出“軸向位移大”的跳機(jī)信號,軸向位移保護(hù)未動(dòng)作。

2.2.2 推力軸承溫度保護(hù)未動(dòng)作

在汽輪機(jī)軸承溫度保護(hù)中,由于設(shè)置了 3℃ /s的速率保護(hù),在機(jī)組故障發(fā)生時(shí),推力軸承溫升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3℃ /s,因此此項(xiàng)溫度保護(hù)也被屏蔽掉,汽輪機(jī)軸承溫度高未動(dòng)作。

3 處理措施

通過上述分析可知,該機(jī)組推力軸承磨損的主要原因是軸向推力的原始值設(shè)計(jì)過大,而與制造安裝質(zhì)量關(guān)系甚微,解決正向軸向推力過大問題的方法是車小高壓平衡鼓直徑。經(jīng)過計(jì)算,高壓平衡環(huán)直徑減少 12 mm后,350 MW負(fù)荷工況下推力僅為 50 kN。該機(jī)組高壓平衡環(huán)經(jīng)車削后啟動(dòng),在 300 MW負(fù)荷推力軸承溫度為57.2℃。

在機(jī)組軸向位移保護(hù)方面,將機(jī)組軸向位移中4個(gè)測點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為0,并加強(qiáng)了T SI卡件、軸向位移信號線的抗干擾能力,防止電氣信號干擾。同時(shí)在 TSI中,取消了“l(fā)imit suppression”功能;在機(jī)組推力軸承溫度保護(hù)方面,對推力軸承的工作面、非工作面的4點(diǎn)推力軸承溫度分別采用 4取 2的邏輯,取消了單點(diǎn)速率判斷功能。

4 結(jié)束語

該機(jī)組推力軸承磨損事件的發(fā)生為同類型機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝以及生產(chǎn)運(yùn)行人員起到了警示作用。為防止汽輪機(jī)推力軸承的磨損,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力的計(jì)算全面考慮,從源頭上避免汽輪機(jī)由于軸向推力過大導(dǎo)致推力軸承磨損;在安裝階段,安裝人員應(yīng)保證推力軸承安裝工藝符合要求,潤滑油系統(tǒng)部件的安裝和調(diào)整要得當(dāng),保證推力軸承有充足的油源潤滑、推力軸承安裝后其自位性要靈活,避免推力瓦塊受力不均,汽缸膨脹要暢通,保證汽缸兩側(cè)膨脹均勻等;在調(diào)試階段,應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)推力軸承磨損事故發(fā)生的特點(diǎn),減少對汽輪機(jī)保護(hù)(軸向位移保護(hù)和推力軸承溫度保護(hù))動(dòng)作的限制條件,避免為減少保護(hù)誤動(dòng)而造成保護(hù)拒動(dòng)情況發(fā)生;在機(jī)組運(yùn)行期間,運(yùn)行人員應(yīng)對軸向位移、推力軸承溫度等重要參數(shù)加強(qiáng)監(jiān)視,一旦發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)異常升高,必須及時(shí)采取有效措施(如減負(fù)荷)控制推力軸承溫度的上升,防止發(fā)生重大設(shè)備損壞事故。