某余熱電站C 4.5-3.43/0.5汽輪機(jī)推力瓦燒損事故的原因分析及處理

王建峰

某余熱電站C 4.5-3.43/0.5汽輪機(jī)推力瓦燒損事故的原因分析及處理

Causes and Solutions for Burning Accident of C4.5-3.43/0.5 Steam TurbineThrust Bearing Pad in a Waste Heat Power Station

王建峰

針對某余熱電站抽汽凝汽式汽輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的六次推力瓦燒損現(xiàn)象，根據(jù)機(jī)組發(fā)生事故時的各項參數(shù)的變化，即旋轉(zhuǎn)隔板行程和抽汽管道內(nèi)的壓力突然變化和推力瓦溫度的急劇升高，結(jié)合DCS系統(tǒng)記錄的曲線進(jìn)行各次事故的追溯，做出分析判斷，找出導(dǎo)致機(jī)組推力瓦燒損的原因，并綜述設(shè)計和安裝等方面因素的影響，提出機(jī)組預(yù)防推力瓦燒損和解決問題的處理方法。

抽汽凝汽式汽輪機(jī)；推力瓦燒損；中壓油動機(jī)行程；旋轉(zhuǎn)隔板；抽汽壓力；軸向推力

1　概述

某余熱發(fā)電工程是利用碳素生產(chǎn)線排放的廢氣余熱建設(shè)的中溫中壓余熱發(fā)電機(jī)組。其汽輪機(jī)系國產(chǎn)C4.5-3.43/0.5型號單缸、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。主要設(shè)計參數(shù)如下：

新蒸汽壓力為3.43MPa，新蒸汽溫度為435℃，額定功率4.5MW。最大抽汽運(yùn)行工況時，進(jìn)汽量為23t/h，抽汽壓力為0.5MPa（a），抽汽量為12t/h。

機(jī)組自首次并網(wǎng)發(fā)電后，純凝工況運(yùn)行。自機(jī)組準(zhǔn)備第一次投入抽汽系統(tǒng)，中壓油動機(jī)（帶動旋轉(zhuǎn)隔板）突然關(guān)閉動作，導(dǎo)致推力瓦溫度迅速升高，鎢金燒損，中壓油動機(jī)行程連續(xù)出現(xiàn)三次從全開狀態(tài)100%到10%的突然動作（即旋轉(zhuǎn)隔板接近于關(guān)閉狀態(tài)），導(dǎo)致推力瓦鎢金溫度迅速升高造成燒損，共發(fā)生六次推力瓦燒損事故。

2　機(jī)組推力瓦燒損后的檢查情況和運(yùn)行工況簡述

機(jī)組共進(jìn)行了兩次揭缸檢查和處理（即推力瓦第二次和第四次燒損后）。

（1）機(jī)組純凝工況運(yùn)行。準(zhǔn)備第一次投入抽汽系統(tǒng)時，打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505發(fā)任何操作指令。中壓油動機(jī)行程瞬間動作，由100%關(guān)小至14%；同時，抽汽壓力迅速上升至1.0MPa，推力瓦溫由44℃迅速上升至100℃，軸向位移由0.36mm迅速上升至1.5mm，軸移報警并跳閘。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機(jī)瞬間幾乎滿行程關(guān)閉，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉，抽汽壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大。

（2）機(jī)組純凝工況運(yùn)行。打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥，準(zhǔn)備第二次投入抽汽系統(tǒng)。在505發(fā)中壓油動機(jī)操作指令，中壓油動機(jī)無動作，隨后油動機(jī)行程瞬間又從100%關(guān)小至10%，抽汽壓力迅速上升，推力瓦溫迅速上升至120℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：因第一次燒瓦后，旋轉(zhuǎn)隔板迅速關(guān)閉，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)隔板與油動機(jī)連接裝置卡澀，動作不靈活，未做處理，再次試投抽汽時，瞬間全關(guān)，出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，抽汽壓力和軸向推力瞬間增大。

（3）汽機(jī)揭缸，對旋轉(zhuǎn)隔板與油動機(jī)連接裝置的卡澀問題進(jìn)行了處理。機(jī)組純凝工況運(yùn)行。電負(fù)荷為3MW，關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)，準(zhǔn)備第三次投入汽輪機(jī)抽汽。在無任何操作、中壓油動機(jī)無任何動作及抽汽壓力無任何變化的工況下，推力瓦溫突然升高至120℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

（4）因幾次故障原因不明，所以在機(jī)組啟動后，一直未投入抽汽系統(tǒng)。機(jī)組大修前，投抽汽試驗。打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505發(fā)任何操作指令，中壓油動機(jī)行程瞬間由100%關(guān)小至8%。同時，抽汽壓力迅速上升，瓦溫迅速上升至150℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機(jī)瞬間幾乎滿行程關(guān)閉，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)隔板全關(guān)，抽氣口壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大。

（5）汽機(jī)揭缸檢查。機(jī)組試投自動方式抽汽運(yùn)行時，在505上手動操作調(diào)節(jié)中壓油動機(jī)行程。當(dāng)油動機(jī)行程逐漸減小，抽汽壓力逐漸增大時（最高0.497MPa），推力瓦溫迅速升高至118℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：抽汽壓力過大導(dǎo)致軸向推力大，推力瓦溫迅速升高并燒損鎢金。

（6）汽封管道改造方案。將接到抽汽管道上前軸封的第三段漏汽改接至減溫減壓器，以減小汽機(jī)的正向推力。機(jī)組試投自動方式抽汽運(yùn)行時，電負(fù)荷波動較大。為機(jī)組的安全考慮，改為采用控制閥位運(yùn)行，即控制閥位不變，靠調(diào)節(jié)抽汽手動閥來控制抽汽壓力的方式運(yùn)行，抽汽壓力、抽汽量顯示均平穩(wěn)正常。經(jīng)3個月的運(yùn)行，抽汽壓力突然由0.25MPa上升至0.42MPa，中壓油動機(jī)行程由設(shè)定的38%關(guān)小至10%，說明旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉，但505控制器油動機(jī)行程仍為38%未變。在505操作將中壓油動機(jī)行程調(diào)為80%，此時現(xiàn)場油動機(jī)行程為80%，恢復(fù)正常。為檢驗調(diào)整是否可靠，在505將中壓油動機(jī)行程由80%調(diào)為70%，此時現(xiàn)場中壓油動機(jī)行程關(guān)小至10%；再次在505操作調(diào)整油動機(jī)行程，恢復(fù)正常。為保證機(jī)組安全，退出抽汽，純凝工況運(yùn)行。中壓油動機(jī)行程突然由100%關(guān)小至10%，抽汽壓力迅速升高，推力瓦溫迅速升至120℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機(jī)行程三次從100%關(guān)小至10%，關(guān)小迅速、沖擊大，至推力瓦溫迅速升高。在505未發(fā)操作指令的情況下（特別是第三次已處于純凝工況），中壓油動機(jī)行程出現(xiàn)三次關(guān)小問題，其原因有待進(jìn)一步分析。

圖1　汽封管道原設(shè)計

3　機(jī)組推力瓦燒損的原因分析及檢查發(fā)現(xiàn)的問題

（1）從燒瓦情況簡述和停機(jī)后對機(jī)組各項參數(shù)所進(jìn)行的故障追溯可以看出，第一、第四、第六次均有共同點：打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505上發(fā)指令，但中壓油動機(jī)瞬間滿行程動作，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)隔板全關(guān)，抽汽壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大，推力瓦燒損。

第二次推力瓦燒損原因基本同上。其區(qū)別是，由于第一次燒瓦時旋轉(zhuǎn)隔板迅速關(guān)閉，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)隔板與油動機(jī)連接裝置卡澀，旋轉(zhuǎn)隔板動作不靈活。

第五次推力瓦燒損原因是，隨著抽汽壓力的增大（最高至0.497MPa），正向推力增大，推力瓦溫迅速升高并燒損。

第五次燒瓦后，為了減小汽輪機(jī)的軸向推力，按汽封管道改造方案，將接到抽汽管道上前軸封的第三段漏汽改接至汽輪機(jī)減溫減壓器。

只有第三次推力瓦燒損原因較為復(fù)雜，這是在未打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥及中壓油動機(jī)無任何動作的工況下發(fā)生的推力瓦燒損。分析認(rèn)為，其主要原因是，在關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)的蒸汽后，其蒸汽流量全部加在汽輪機(jī)，致使汽輪機(jī)軸向推力增加。這次燒瓦使我們對推力軸承安全系數(shù)的設(shè)計取值是否合理產(chǎn)生了疑問。

（2）在第六次燒瓦后的停機(jī)前，打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥，DDV閥和中壓油動機(jī)行程均不動作，二次脈沖油無油壓。一段時間后二次脈沖油壓又恢復(fù)正常。

幾次停機(jī)后進(jìn)行靜態(tài)試驗，在打開中壓油動機(jī)至DDV閥油管路上的泄油閥時，中壓油動機(jī)有時會出現(xiàn)瞬間全開或全關(guān)。

解體檢查該處油管路通暢無堵塞。分析認(rèn)為，這是不明電信號的干擾所致。正是這種導(dǎo)致中壓油動機(jī)動作的脈沖油壓變化的不明干擾信號的多次突發(fā)現(xiàn)象，造成中壓油動機(jī)非正常關(guān)閉。

（3）汽封管道設(shè)計不合理。

從圖1可以看出，原設(shè)計中汽封的第三段漏汽接至抽汽管道。

第五次燒瓦后的改造方案見圖2。從圖2可以看出，汽封管道改造后，汽封的第三段漏汽改接至減溫減壓器。改造后，油動機(jī)突然關(guān)閉時抽汽壓力隨之突升的現(xiàn)象得到了改善。

在汽封管道改造前，查曲線圖記錄發(fā)現(xiàn)，在抽汽壓力＞0.5MPa時出現(xiàn)過燒瓦。在汽封管道改造后，查運(yùn)行曲線圖追溯記錄，當(dāng)抽汽壓力≥1.0MPa時才會出現(xiàn)燒瓦。

在機(jī)組發(fā)生第六次推力瓦燒損事故后，因故未立即停機(jī)，繼續(xù)運(yùn)行5天后才停機(jī)處理。燒瓦前原軸移14μm，軸移變?yōu)?8μm，振動值正常，推力瓦溫度約60℃以上，這說明由于汽封管道改進(jìn)后，軸向推力減小，在中壓油動機(jī)突然關(guān)閉后，瓦燒損的程度有所減輕。

（4）抽汽管道的安全閥位置和安全閥起跳壓力設(shè)置不合理。

圖2　汽封管道改造

從圖3可以看出，汽機(jī)抽汽出口順序布置為：水控速關(guān)閥、水控逆止閥、手動閘閥和彈簧安全閥。投入抽汽時，關(guān)小手動閥調(diào)整壓力，由于關(guān)小手動閥，阻力增加，致使閥后管道內(nèi)的壓力傳遞速度緩慢，也就會使安全閥的起跳反應(yīng)速度緩慢。

查運(yùn)行曲線圖記錄追溯，汽封管道改造前，當(dāng)抽汽壓力＞0.497MPa時，就會出現(xiàn)燒瓦。汽封管道改造后，當(dāng)抽汽壓力＞1.0MPa時，也會出現(xiàn)燒瓦。并且抽汽壓力從0.7MPa上升至1.0MPa，所需時間一般僅為3s左右，速度較快。安全閥的反映速度稍慢即出現(xiàn)燒瓦。

圖4為建議的抽汽管道改造方案。從圖4可以看出，安全閥直接布置在汽機(jī)抽汽出口處，目的是當(dāng)抽汽壓力出現(xiàn)較大變化時，保證安全閥起跳迅速，避免軸向推力的迅速增大。

抽汽設(shè)計壓力為0.5MPa（a），安全閥的起跳壓力設(shè)置為0.7MPa。而安全閥廠家的設(shè)置一般是按表壓力設(shè)置的，即起跳壓力實際為0.8MPa（a），起跳值過大，在抽汽壓力增大，即軸向推力隨之增大時，顯然難以起到保護(hù)作用。

（5）機(jī)組推力間隙大。

測量檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組推力間隙為0.78mm，顯然超過0.30～0.40mm的正常值。檢查推力盤平面基本無磨損，瓢偏測量值為＜0.02mm，說明不是由于推力瓦燒損并磨損推力盤造成的推力間隙增大。顯然，推力間隙過大屬于機(jī)組的安裝缺陷。

我們知道，機(jī)組推力間隙值的嚴(yán)重超標(biāo)，對機(jī)組的安全運(yùn)行所造成的影響無疑是嚴(yán)重的。這會使機(jī)組在負(fù)荷即軸向推力突變，特別是驟然甩負(fù)荷時造成推力盤反彈，瞬間沖擊非推力瓦塊。間隙越大，沖擊的動能越大，嚴(yán)重時會造成轉(zhuǎn)子動靜摩擦。

圖3　抽汽管道原設(shè)計

圖4　抽汽管道的改造

由上述分析可知，機(jī)組推力間隙值的嚴(yán)重超標(biāo)，在機(jī)組驟然甩負(fù)荷時，僅會使瞬間沖擊非工作瓦塊的動能增大，對工作瓦塊影響似乎不大。然而在實際運(yùn)行工況中，同樣會瞬間沖擊工作瓦塊。這是因為中壓油動機(jī)行程如果經(jīng)歷突然關(guān)閉、開啟、再關(guān)閉時，推力盤會先沖擊工作瓦，反彈沖擊非工作瓦，再沖擊工作瓦。

需要關(guān)注的是，上述推力盤的再沖擊工作瓦，則是以推力間隙（0.78mm）行程的沖擊動能來進(jìn)行轉(zhuǎn)子的往復(fù)運(yùn)動，即推力間隙值的嚴(yán)重超標(biāo)，也同樣會以非正常的動能沖擊工作瓦。

這一問題的處理可結(jié)合通流間隙的調(diào)整，采用調(diào)整非推力瓦塊支持環(huán)后邊墊片的厚度的方法，來保證推力盤合理的推力間隙。

4　改善機(jī)組軸向推力變化的消缺處理

（1）推力瓦燒損基本都是在油動機(jī)突然關(guān)閉后造成的。為避免中壓油動機(jī)出現(xiàn)滿行程關(guān)閉的誤動作，其處理方案為，在油動機(jī)活塞上增加行程限位裝置，限位高度為35mm，中壓油動機(jī)只能在100%～35%范圍內(nèi)動作，則旋轉(zhuǎn)隔板最大只能關(guān)閉65%，即不能繼續(xù)關(guān)閉，從而避免了抽汽壓力的繼續(xù)升高，軸向推力增大。

抽汽設(shè)計參數(shù)為0.5MPa，12t/ h。根據(jù)運(yùn)行記錄曲線追溯，當(dāng)旋轉(zhuǎn)隔板完全關(guān)閉后，抽汽壓力一度上升至1.0MPa。因此認(rèn)為，正常抽汽工況運(yùn)行時沒有必要完全關(guān)閉旋轉(zhuǎn)隔板。

（2）如前所述，導(dǎo)致中壓油動機(jī)動作的脈沖油壓變化的不明電信號的多次突發(fā)干擾現(xiàn)象，造成中壓油動機(jī)非正常關(guān)閉。為了消除和屏蔽掉干擾信號，在505控制器至執(zhí)行器輸出的4～20mA電流的線路中，增加了信號隔離器。

（3）根據(jù)運(yùn)行記錄曲線追溯，推力瓦溫度有至103℃時即出現(xiàn)燒瓦的記錄，為此增加了推力瓦溫度高的跳閘聯(lián)鎖保護(hù)，設(shè)置當(dāng)推力瓦溫度＞90℃時機(jī)組跳閘。追溯燒瓦后溫度曲線，從90℃上升至103℃的時間僅為3s左右，應(yīng)修改為，當(dāng)推力瓦溫度＞85℃時機(jī)組跳閘。

（4）抽汽安全閥的整改方案為，取消水控速關(guān)閥，因為水控速關(guān)閥和水控逆止閥都是保護(hù)閥，速關(guān)閥的作用是停機(jī)后迅速關(guān)閉，防止蒸汽倒流，逆止閥的作用也是防止蒸汽倒流導(dǎo)致汽輪機(jī)超速。在原速關(guān)閥處加一安全閥，設(shè)置起跳壓力為0.45MPa。

經(jīng)查供汽壓力曲線追溯記錄，一般為0.25MPa時即可保證供暖，因此設(shè)置安全閥0.45MPa的起跳壓力是較合理的。在增加新的安全閥后，再投入汽輪機(jī)抽汽。

5　幾點認(rèn)識

（1）旋轉(zhuǎn)隔板油動機(jī)行程增加限位后，在電信號上也應(yīng)設(shè)置DDV閥與油動機(jī)最小行程改為一致（100%～35%），并應(yīng)由電調(diào)人員指導(dǎo)，進(jìn)行抽汽自動的投入工作。

（2）推力軸承安全系數(shù)的設(shè)計取值偏小。

正常的抽汽機(jī)組，在關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)的蒸汽后，即其蒸汽流量全部加在汽輪機(jī)上，汽輪機(jī)軸向推力即使一度增加，也不會燒損推力瓦。然而根據(jù)機(jī)組的第三次燒瓦情況可以看出，推力瓦自身存在缺陷。

我們知道，推力軸承的作用是平衡軸向推力，保證轉(zhuǎn)子與隔板等靜止部件的相對定位并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。由汽輪機(jī)原理可知，推力軸承的安全系數(shù)n與推力瓦塊的承壓面積A、推力瓦塊所能承受的壓力P成正比，與作用在動葉上的軸向推力FZ1、作用在葉輪輪面上的軸向推力FZ2、作用在軸的凸肩上的軸向推力FZ3成反比。推力軸承的安全系數(shù)n設(shè)計值一般為：

由式（1）可知，當(dāng)總的軸向推力和推力瓦塊所能承受的壓力P為已知的設(shè)計值時，就可以確定選取推力瓦塊的承壓面積A。因推力瓦塊結(jié)構(gòu)受軸承箱內(nèi)的相對空間限制的原因，對增大布置推力瓦塊的承壓面積有一定限制。

4.5MW規(guī)格的汽輪機(jī)是非標(biāo)產(chǎn)品，如果是在3MW汽輪機(jī)規(guī)格的基礎(chǔ)上改進(jìn)，則推力軸承就應(yīng)核算安全系數(shù)n。

顯然，汽封管道改造后，軸向推力減小，也是提高推力軸承的安全系數(shù)的一種方式。

（3）將中壓油動機(jī)出現(xiàn)的突然關(guān)閉現(xiàn)象解釋為由于卡澀所致有些牽強(qiáng)，卡澀只是其中可能的原因之一。在汽輪機(jī)停機(jī)后做靜態(tài)試驗時，二次脈沖油壓一度莫名消失，后來又莫名恢復(fù)，即說明問題的復(fù)雜。另一解釋為505出現(xiàn)的死機(jī)現(xiàn)象，也同樣難以令人信服。

［1］馮慧雯.汽輪機(jī)課程設(shè)計參考資料［M］.水力電力出版社，1991.

［2］康松，楊建明，胥建群.汽輪機(jī)原理［M］.中國電力出版社，2000.

TQ172.622.22

A

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