付振春,李 云

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林 130021;2.吉林名门电力实业集团公司,长春 130033)

汽轮机推力轴承是保证汽轮机安全运行的重要部件,主要作用是承担蒸汽作用在转子上的轴向推力,并确定转子的轴向位置,使转子与静止部分保持一定的轴向间隙。由于汽轮机通流部分的状态、流量大小、隔板等处汽封间隙大小等,使轴承上的推力可能产生很大的变化。一旦推力过大,推力瓦块温度将升高,使瓦块上的乌金磨损烧坏,转子发生不允许的轴向位移,使汽轮机通流部分发生碰撞、磨损等恶性事故。在运行中及时发现问题、准确分析原因、采取科学有效的处理措施,是使推力轴承正常工作、汽轮机安全稳定运行的保障。

1 机组概况及推力轴承磨损情况

某电厂 2号汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴双缸双排汽、双抽、直接湿冷、抽汽凝汽式汽轮机。其推力轴承安装在前轴承箱内,工作面、非工作面各有 6块推力瓦构成,材料为巴氏合金,额定 350 MW负荷顺序阀运行轴向推力设计值约为 10 kN。该机组自2012年投产后分别于2012年6月13日、7月 25日发生了推力轴承损坏事故,机组推力轴承检修后只能在 250～270 MW负荷(纯凝汽工况)下运行,否则推力轴承温度上升较快,严重影响机组安全稳定运行。

2号汽轮机两次推力轴承磨损均为工作面瓦块,其中第 2次推力轴承磨损事故前负荷213 MW,推力瓦工作面温度最高值 95.8℃,轴向位移为0.19 mm;事故时轴向位移跃升至 1.89 mm,推力瓦工作面温度最高值跃升至113℃,2号汽轮机轴向位移保护动作停机。停机检查发现,推力轴承工作瓦块外缘最大磨损 4.1 mm(下瓦),内缘最大磨损 1.3 mm。

2 原因分析

2.1 制造、安装方面

2.1.1 推力轴承供油量的影响

推力轴承发生磨损后,首要诱因是由于推力轴承的供油量不足,使油膜形成不良而导致。该机组两次推力轴承磨损事故发生后,确实在润滑油系统检查出了问题。第1次事故发生后,前箱解体时发现推力轴承上盖的 8个温度测点中 4个不用的温度测点元件线夹没有安装,机组运行时润滑油自测温元件线夹孔向外大量泄油,使推力轴承内润滑油压降低;第 2次事故发生后,推力轴承解体检查发现回油孔处调整螺钉没有进行调整(全开状态),润滑油回油“敞口”运行没有节流,降低了轴承内润滑油压力,检修人员将温度测点元件夹装好、调整螺钉至开度1/3位置。机组再次启动推力轴承温度高的问题并没有改善,这说明虽然推力轴承测温线夹没有安装、回油调整螺钉没有节流虽会影响润滑油压,但在推力轴承内只要充满润滑油,即使油压偏低(接近大气压力),也不致影响润滑油膜的形成,导致轴承磨损事故的发生。

2.1.2 推力轴承方面的影响

推力盘材料的影响:2号机组第1次推力轴承损坏事故发生后,对磨损的推力盘工作面进行了补焊处理。由于补焊所用的材料与推力轴承乌金所构成的摩擦副性能较差,新材料摩擦性能相对较“粘”,高速旋转时产生的热量必然较高,因此第 2次事故发生前机组在空负荷时推力轴承工作面温度明显高于第 1次事故发生前空负荷时的温度,并且轴承温度随着负荷增加持续升高,在 210 MW负荷就已发生了磨损事故。为解决这一问题,该机组小轴返厂,将推力盘补焊的部分进行了车削,并通过加垫片将推力轴承推力间隙调整至允许范围内。

推力盘与推力瓦块平行度的影响:通常情况下,机组负荷发生变化时,由于汽缸两侧膨胀差异以及转子扬度的变化等造成推力盘与推力瓦块平行度发生变化,而推力轴承能够灵活地根据这一变化,调整自身的位置,使推力轴承工作瓦块均匀受力。一旦机组推力盘与推力瓦块平行度超出允许范围,将使推力轴承工作瓦块受力不均,部分瓦块乌金温度持续上升。经检查,该机组运行中汽缸两侧膨胀均匀,但轴承箱扬度超出了设计要求,检修人员将其调整至合理范围内,消除了影响。

推力轴承自位性的影响:推力轴承灵活的自位性,可保证推力瓦块受力均匀,润滑油膜的有效建立,避免瓦块与轴产生干摩擦,从而防止推力轴承温度升高而磨损。2号机组推力轴承解体检查后发现1、2号瓦块测温护套间隙不够,平衡桥靠中分面止动螺钉没有拆除,影响推力瓦块的自位功能,检修人员对测温套管进行了车削处理,并拆除了止动螺钉,避免了对推力轴承自位性的影响。

2.1.3 汽轮机轴向推力的影响

2号机组推力轴承磨损事故发生后,虽针对润滑油及推力轴承等方面存在的问题进行了处理,但仍未改善推力瓦温度高的情况。因此,分析认为2号机组推力轴承的两次磨损及瓦温高的根本原因是机组轴向推力过大造成。 2号机组为反动式汽轮机,高、中压汽缸为合缸式,在高、中压转子压力级上,能产生相当大的轴向推力,这部分推力主要是靠转子上的高、低压平衡毂和凸台所受的蒸汽作用力平衡。该机组高中压转子原始理论轴向推力特性曲线如图1所示,其中,THA为热耗保证工况;VWO为阀门全开工况。实际运行的推力轴承温度如表1所示。

表1 2号机组不同负荷下推力轴承温度 ℃

从表1可以看出:机组在单阀(或顺序阀)运行方式下,随着负荷的增加其推力轴承(电端)温度上升,即随着机组负荷增加其轴向推力增加。而从图1可以看出:机组在单阀运行方式下,随着负荷增加其轴向推力增加,但推力的方向为负。显然,机组轴向推力原始理论计算值与实际情况不符。

针对上述问题,责成制造厂对汽轮机轴向推力计算方法进行了重新核查,发现由于调节级前后面积不封闭造成了计算错误,使调节级围带前后面积差多算了反向推力 AP01(其中:A为调节级围带前后面积差;P01为调节级喷嘴后压力),而实际这部分面积差承受的压差为调节级前后压差,产生的推力并不大,可以忽略,并且压力级部分级别也有类似错误,导致机组总推力少算,实际推力增大。经重新计算,在 350 MW负荷,该机组轴向推力为 290 kN(正向)处于推力瓦比压上限范围内,易造成推力轴承烧损。

2.2 汽轮机保护方面的原因

图1 机组高中压转子原始理论推力特性曲线

2.2.1 轴向位移保护未动作

2号汽轮机轴向位移保护原设计在汽机监视仪表(TSI)中轴向位移的 4个测点均加了 2 s延时,并且在 T SI中设置了“limit suppression”(限值抑制)功能,此功能的作用是参数在超量程后,屏蔽掉输出。基于上述 2个原因,在汽轮机发生事故的瞬间(不超过 2 s),轴向位移超量程后,由于限值抑制功能的设置,“轴向位移大”的输出被屏蔽掉,TSI装置无法输出“轴向位移大”的跳机信号,轴向位移保护未动作。

2.2.2 推力轴承温度保护未动作

在汽轮机轴承温度保护中,由于设置了 3℃ /s的速率保护,在机组故障发生时,推力轴承温升速率远远超过3℃ /s,因此此项温度保护也被屏蔽掉,汽轮机轴承温度高未动作。

3 处理措施

通过上述分析可知,该机组推力轴承磨损的主要原因是轴向推力的原始值设计过大,而与制造安装质量关系甚微,解决正向轴向推力过大问题的方法是车小高压平衡鼓直径。经过计算,高压平衡环直径减少 12 mm后,350 MW负荷工况下推力仅为 50 kN。该机组高压平衡环经车削后启动,在 300 MW负荷推力轴承温度为57.2℃。

在机组轴向位移保护方面,将机组轴向位移中4个测点的延时时间设置为0,并加强了T SI卡件、轴向位移信号线的抗干扰能力,防止电气信号干扰。同时在 TSI中,取消了“limit suppression”功能;在机组推力轴承温度保护方面,对推力轴承的工作面、非工作面的4点推力轴承温度分别采用 4取 2的逻辑,取消了单点速率判断功能。

4 结束语

该机组推力轴承磨损事件的发生为同类型机组的设计、安装以及生产运行人员起到了警示作用。为防止汽轮机推力轴承的磨损,在设计阶段应对汽轮机转子轴向推力的计算全面考虑,从源头上避免汽轮机由于轴向推力过大导致推力轴承磨损;在安装阶段,安装人员应保证推力轴承安装工艺符合要求,润滑油系统部件的安装和调整要得当,保证推力轴承有充足的油源润滑、推力轴承安装后其自位性要灵活,避免推力瓦块受力不均,汽缸膨胀要畅通,保证汽缸两侧膨胀均匀等;在调试阶段,应根据汽轮机推力轴承磨损事故发生的特点,减少对汽轮机保护(轴向位移保护和推力轴承温度保护)动作的限制条件,避免为减少保护误动而造成保护拒动情况发生;在机组运行期间,运行人员应对轴向位移、推力轴承温度等重要参数加强监视,一旦发现上述参数异常升高,必须及时采取有效措施(如减负荷)控制推力轴承温度的上升,防止发生重大设备损坏事故。