350 MW超临界机组空气预热器停转故障分析

2017-09-04王林陈锁群郭三虎李文军张亚夫王红雨

综合智慧能源 2017年8期

关键词：保持架预器预热器

王林，陈锁群，郭三虎，李文军，张亚夫，王红雨

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710054； 2.华北电力设计院有限公司，北京 100120)

350 MW超临界机组空气预热器停转故障分析

王林1，陈锁群2，郭三虎1，李文军1，张亚夫1，王红雨1

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710054； 2.华北电力设计院有限公司，北京 100120)

以建投承德热电有限责任公司350 MW机组为例，分析了回转式空气预热器主轴停转故障的原因，对空气预热器内部转子、支撑与导向轴承等进行了异物检查，调取分析了进出口烟气温度变化曲线，确认空气预热器本体转动部件无异常后，结合故障前后主辅电机电流变化趋势，认定传动装置故障为主因。对减速机进行拆机检查，发现末级齿轮轴承内圈断裂，保持架损坏，丧失传动能力，在对失效轴承实施更换后，空气预热器恢复正常运行。结合设备监视数据及现场轴承损坏情况，还原了轴承失效导致空气预热器停转的故障发生过程，并给出了预防建议。

350 MW机组；超临界机组；空气预热器；主轴停转故障；轴承失效

0 引言

空气预热器(以下简称空预器)是火力发电厂的重要设备[1]，一旦停转，将会引起转子变形、脱硫设备部件损坏等问题[2]，给机组的稳定运行带来严重威胁[3]。建投承德热电有限责任公司配置2台350 MW超临界热电联产机组，#1机组在锅炉蒸汽吹管结束后，A空预器空转期间发生主轴卡停故障，无法再次启动。现场检查确认了本体轴承、内部转子无异物卡堵，调取分析烟温变化情况排除元件热胀卡停的可能，结合电机电流情况最终断定传动设备故障为主因，经减速机拆机检查，发现主轴轴承发生内圈断裂，保持架损坏，经更换后空预器恢复正常运行。

1 设备概况

建投承德热电有限责任公司#1机组选用了哈尔滨锅炉厂预热器有限责任公司生产的30.5-VI(TY)-2600-QMR型空预器，该空预器采用三分仓回转式设计，旋转方向为顺转，即换热元件依次转过烟气、一次风、二次风侧，其整体布置如图1所示。热端传热元件为碳钢，配有蒸汽吹灰器，冷端传热元件为搪瓷钢板，配有蒸汽/高压水双介质吹灰器。

图1 空预器结构

空预器配有主、副2台电机作为动力源，采用中心传动方式，驱动力通过减速机最终施加到转子上，各电机带有变频器。转子导向轴承为双列同心球面滚子轴承，支撑轴承为推力向心滚子轴承。空预器热力计算参数见表1，表中BMCR为锅炉最大连续出力工况，TRL为额定工况。

表1 空预器热力计算参数 ℃

驱动电机型号为Y200L1-6-B5，供电电源380 V，额定转速970 r/min。减速机采用硬齿面齿轮空心轴结构形式，速比1 072.69，正常工作时输出轴转速0.904 r/min，采用变频调速慢速挡时，输出轴转速为0.250 r/min。超越离合器型号为FSO600/ø50，采用润滑脂润滑。主辅电机与减速机及空预器主轴的安装关系如图2所示，图中1为主电机，2为辅电机，3为减速机，4为空预器主轴。

2 故障与检查

#1机组锅炉蒸汽吹管完成后，A空预器维持空转状态，期间突然发生停转事故。主电机跳闸后连锁启动辅电机，运行数秒后辅电机亦跳闸，驱动电机无法再次启动。

图2 传动形式

2.1 本体转动部件检查

结合锅炉吹管刚结束的现场情况，初步推测空预器转动部件可能发生异物卡塞，遂开启空预器人孔门进行实地检查。经确认，空预器内部转子、各密封片均无焦块、杂物等附着，主轴的支撑轴承和导向轴承密封良好，冷却水及润滑油正常，未见异物。

2.2 进出口烟温分析

空预器停转前后1d左右，进、出口烟气温度变化趋势如图3所示。停转发生时间为2017-01-24T00：55：00。从图3中可以看出，停转发生之前，空预器进口烟温已降至20 ℃以下(此时为冬季)，出口烟温低于10 ℃，且二者均呈缓慢下降趋势，1月25日后烟气温度下降至环境温度，保持稳定。温度变化趋势平缓，各转动元件未经受剧烈的冷热变化，因此，排除部件热胀冷缩引起主轴卡停的可能。

图3 烟气温度变化趋势

2.3 电机电流趋势分析

利用分散控制系统(DCS)调取了2017-01-24T00：45：00停转故障发生前后驱动电机的电流情况，其趋势变化如图4所示。从图4中可以看到，主电机在00：43：00出现第1次电流增大，由20.2A小幅跃升至35.7A，数秒后电流恢复正常水平。空预器继续稳定运行12min后，00：55：22主电机电流突然迅速升高，超过量程后电机跳闸，电流变为零。而后辅电机联锁启动，运行电流在16.5A附近上下波动，持续约132s后辅电机亦发生跳闸，且2台驱动电机都无法再次启动。

图4 电机电流变化趋势(2017-01-24)

分析认为，主电机电流第1次小幅增大时，表明空预器某一转动或传动部件发生了轻度损坏，而在电流回落至正常值、空预器继续运行的过程中，该缺陷部件遭受破坏的程度进一步加剧，并有可能引发与之接触部件的损坏。最终，相关部件的损坏达到了无法支持设备转动的程度，此时转动阻力突增，电机电流飙升，引发空预器跳闸。辅电机随之联启后，其电流长时间维持在正常运行电流的80%左右，并不能正常驱动空预器转动。据此推断，此时就地空预器已经停转，实际仅辅电机及减速机部分仍在转动。因故障部件丧失功能，电机至减速机或者减速机至空预器主轴部分的传动被切断。为确定传动切断的具体位置，需对减速机进行拆解检查。

2.4 减速机拆机检查

在排除掉异物卡堵、元件热胀等可能性后，借助电机电流分析，认为减速机发生传动故障的可能性较大，遂进行了开盖检查。

依次查看1轴至5轴(主轴)的轴及轴承，发现主轴的轴承润滑油集中在轴端，未均匀分布到滚道内，且润滑油颜色黄中带黑，检测表明其已变质失效。轴承保持架有断裂迹象(图5中白线框所示)，需进一步拆解确认。

轴承拆卸后零件分离，保持架如图6所示。由图6可知，该轴承保持架已经严重变形，上端发生撕裂，中间框架则受到圆柱滚子的强力挤压，沿转动方向呈薄片状，并发生材料剥落。

进一步检查轴承内外圈，发现外圈完整，而内圈已经断裂为两部分(图7所示)，断口平整，上部有明显条状疲劳裂纹(圆圈所示)，断面微观组织细小，呈现脆性韧窝形貌。轴承下部有不规整缺口，发生了大块材料崩落。据此推测轴承内圈先是存在疲劳损坏，后又受到过载负荷冲击或剧烈振动，最终发生了脆性断裂。

3 原因分析

综合前述分析，推测此次空预器停转故障发生过程如下：一方面由于润滑油涂抹不均，滚子滚道内润滑不良；另一方面，轴承内圈的工作表面在交变应力作用下，较早出现了疲劳裂纹。上述因素叠加，使得轴承内部的微小裂纹扩展延伸到表面，形成了内圈的浅层剥落。因未能及早发现剥落现象，内圈继续参与工作，浅层剥落最终发展成深层剥落，引起较大材料崩落[4]。

图5 轴承拆解前检查

图6 保持架变形

图7 轴承内圈断裂

内圈剥落的大块材料随润滑油进入到圆柱滚子和保持架之间。由于剥落材料为轴承钢材质，具有较高的硬度和较大的耐磨性，其在轴承转动过程中从内侧挤压圆柱滚子，使得滚子离开正常位置进而挤压保持架，保持架因此发生严重的扭曲变形，最终发生断裂。轴承内混入剥落材料将使转动阻力增大，此时刻正对应电流第1次小幅增大。

磨损过程中产生的热量加剧了润滑油的变质和损耗，使得润滑条件进一步恶化，导致轴承的破坏过程更快速地进行[5]。

保持架断裂后，圆柱滚子已处于无序工作状态，转动的滚子会追赶上前面已经停止的滚子，滚道内发生严重堵塞，转动阻力迅速增大，直至转动停滞。此时对应电机电流飙升，主电机跳闸。

轴承管道因多个滚子挤压，轴承已无法转动，此时辅电机突然联启，形成的冲击载荷作用到本已受到严重挤压的内圈上，导致内圈发生脆性断裂，主轴与轴承之间的传动关系彻底解除。随后辅电机以低于正常工作值的电流运转了近10min，这段时间内空预器主轴(5轴)就地已不转动，减速机1至4轴正常转动，由于检测不到空预器转动信号，辅电机也发生跳闸。另外，辅电机的运行导致轴承保持架发生了更严重的破坏，形成的转动阻力超出了电机的驱动能力，因此后期无法再次启动电机。