兩起220MW汽輪機(jī)組軸瓦燒損事故的分析

李繼偉

(勝利發(fā)電廠,山東 257087)

勝利發(fā)電廠一期兩臺220 MW機(jī)組系東方汽輪機(jī)廠制造的超高壓中間再熱、三缸、三排汽、凝汽式汽輪機(jī)。2#機(jī)組分別于 1994年6月15日和2008年1月10日兩次發(fā)生汽輪機(jī)軸瓦燒損事故,事故的發(fā)生固然存在人員誤操作的因素,但軸瓦兩次發(fā)生燒損,有必要從設(shè)備的角度進(jìn)一步分析原因,查找設(shè)備存在的隱患,以便采取有效措施杜絕此類事故的再次發(fā)生。

1 潤滑油系統(tǒng)

機(jī)組的潤滑油系統(tǒng)主要包括離心式主油泵一臺、一臺調(diào)速油泵、一臺交直流電機(jī)共用的潤滑油泵、兩臺高壓頂軸油泵、三臺并聯(lián)運(yùn)行的冷油器及主油箱等設(shè)備,如圖1所示。

圖1 220 MW機(jī)組潤滑油系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)的主要任務(wù)是向汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)各軸承提供足夠的潤滑油。本機(jī)組正常運(yùn)行時,主油泵由汽輪機(jī)大軸帶動運(yùn)轉(zhuǎn),供給機(jī)組各軸承的潤滑油及遮斷保護(hù)系統(tǒng)用油。機(jī)組啟動沖轉(zhuǎn)初期,主油泵尚未正常運(yùn)行時,調(diào)速油泵代替主油泵工作;當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min并且主油泵出口壓力略高于啟動油泵的額定出口壓力后,主油泵出口處的逆止閥自動打開,主油泵與啟動油泵并聯(lián)工作;確證主油泵正常工作后,可停止調(diào)速油泵。

潤滑油系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對于保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行具有重要作用,由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),潤滑油系統(tǒng)突然油流中斷,即使中斷時間很短,也將引起軸承燒損的嚴(yán)重事故。為此系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)了如下聯(lián)鎖保護(hù),見表1。

表1 潤滑油系統(tǒng)聯(lián)鎖聯(lián)鎖保護(hù)

2 事故經(jīng)過

第一次軸瓦燒毀事故發(fā)生在 1994年6月 15日,2#機(jī)組帶130 MW負(fù)荷運(yùn)行。9:54 1#機(jī)事故掉閘,2#機(jī)受到?jīng)_擊,負(fù)荷由 130 MW瞬間升到280 MW,發(fā)電負(fù)荷迅速降至100 MW,廠用電突然失去,“主汽門關(guān)閉”信號觸發(fā),機(jī)組和所有設(shè)備先后掉閘。運(yùn)行人員搶合掉閘設(shè)備未成功,但搶合直流潤滑油泵獲得成功,10:02 CRT工業(yè)電視顯示“潤滑油壓低掉閘”信號。10:05,廠用電恢復(fù)后啟動調(diào)速油泵,停直流潤滑油泵,10:06鍋爐點(diǎn)火,汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。10:10汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min,7#瓦突然強(qiáng)烈振動(136 μ m),聲音異常,瓦溫130 ℃,緊急破壞真空停機(jī),10:20汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速到零,惰走10 min,投盤車,電流11 A。停機(jī)后,對汽輪機(jī)所有潤滑油軸瓦檢查,發(fā)現(xiàn)1#-5#瓦鎢金面磨損,6#和7#嚴(yán)重磨損,鎢金部分熔化。事故發(fā)生后,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)直流潤滑油泵就地轉(zhuǎn)速低,開關(guān)接觸器電阻接觸不良,致使電機(jī)出力不足,造成潤滑油壓低。事故停機(jī)時啟動直流潤滑油泵,由于潤滑油壓低,潤滑油量不足,直接造成1#-7#瓦磨損,其中6#和7#瓦供油位置處于供油管未端,故損壞最為嚴(yán)重。

第二次軸瓦燒毀事故發(fā)生在2008年1月10日,2#機(jī)組準(zhǔn)備啟動。3:55各項(xiàng)沖轉(zhuǎn)參數(shù)正常,開始沖轉(zhuǎn)。5:38定速3 000 r/min,5:45機(jī)組并網(wǎng),機(jī)組帶初始負(fù)荷運(yùn)行,各項(xiàng)參數(shù)正常,準(zhǔn)備關(guān)調(diào)速油泵出口門,停止調(diào)速油泵運(yùn)行。5:49:26當(dāng)關(guān)閉了一部分調(diào)速油泵出口門后,透平工作油壓1.92 MPa(該表計(jì)接自主油泵出口逆止門后)時,發(fā)主油泵出口壓力低報警(該表計(jì)接自主油泵出口逆止門前),該報警整定值為1.6 MPa,而此時機(jī)組并列帶初始負(fù)荷運(yùn)行,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,即主油泵轉(zhuǎn)速也為3 000 r/min,說明此時主油泵已經(jīng)開始不能正常工作。5:49:31,由于處于關(guān)閉調(diào)速油泵出口門過程中,調(diào)速油壓降至1.52 MPa,接口閥由于上部沒有足夠的油壓,接口閥打開,機(jī)組掉閘。由于主汽門并未關(guān)閉,機(jī)組轉(zhuǎn)速仍為3 000 r/min,由于主油泵和調(diào)速油泵都未正常工作,造成2#射油器已經(jīng)無法正常工作,潤滑油壓持續(xù)下降。5:49:32頂軸油壓低(主冷油器出口潤滑油壓0.03 MPa)報警,5:49:34發(fā)潤滑油壓低0.07 MPa報警,5:49:37發(fā)潤滑油壓低0.06 MPa報警,5:49:38,6#瓦的溫度從85.7℃急劇上升到94.3℃。說明從5:49:32到5:49:38的6 s時間里,由于系統(tǒng)4臺油泵都未正常工作,潤滑油系統(tǒng)油壓已經(jīng)無法滿足軸瓦潤滑的需要,軸瓦開始過熱燒損。5:49:38交流潤滑油泵聯(lián)動(距離油壓低 0.07 MPa報警4 s)開啟,運(yùn)行 2 s。5:49:41直流潤滑油泵聯(lián)動(距離油壓低0.06 MPa報警4 s)開啟,頂?shù)艚涣鳚櫥捅?逐步加速運(yùn)行,提供潤滑油,根據(jù)試驗(yàn)最少還需要6 s,即5:49:47后才能提供系統(tǒng)合適的潤滑油。所以從5:49:32到5:49:47這15 s的時間內(nèi),潤滑油系統(tǒng)處于非正常狀態(tài),造成了3#,6#和7#瓦的嚴(yán)重毀壞。機(jī)組跳閘后,立即破壞真空緊急停機(jī),開啟真空破壞門時發(fā)現(xiàn)7#瓦冒煙,就地回油溫度65～67℃。6∶01機(jī)組轉(zhuǎn)速至零,轉(zhuǎn)子惰走 12 min,投入盤車,電流 13～15 A,大軸撓度0.06 mm。11日8:00,2#機(jī)組具備停盤車、停油條件后,首先對主油泵出口逆止閥、排油滑閥、2#射油器出口逆止閥進(jìn)行了檢查,檢查后未發(fā)現(xiàn)問題。后分別對發(fā)生事故時瓦溫較高的3#,6#和7#瓦進(jìn)行解體檢查,解體后發(fā)現(xiàn)3#,6#和7#瓦下瓦合金溶化。

3 潤滑油系統(tǒng)的靜態(tài)試驗(yàn)和分析

兩次軸瓦燒損事故的發(fā)生,除了因?yàn)槿藛T誤操作外,系統(tǒng)本身一定也有缺陷,特別是第二次事故在各項(xiàng)保護(hù)聯(lián)鎖順序動作的情況下,仍然造成軸瓦燒毀,因此有必要深入查找現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題。為此利用機(jī)組停機(jī)機(jī)會,分別在一期兩臺機(jī)組上進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn),試驗(yàn)時調(diào)速油泵運(yùn)行,交直流潤滑油泵停運(yùn),盤車停運(yùn),停止調(diào)速油泵,觀察各聯(lián)鎖報警信號發(fā)出的情況和設(shè)備聯(lián)動情況。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),軸瓦燒損事故雖然發(fā)生在2#機(jī)組,但對于220 MW機(jī)組的潤滑油系統(tǒng),存在共性問題。

3.1 壓力開關(guān)及變送器間的時間差和測量誤差

試驗(yàn)時調(diào)速油泵停止,4 s后頂軸油壓低(實(shí)際為主冷油器出口壓力0.03 MPa,報警時間為6 s)報警,7 s后潤滑油壓低0.07 MPa報警,兩個壓力開關(guān)報警時間相差3 s,8 s后交流潤滑油泵聯(lián)啟,但13 s后潤滑油壓低0.06 MPa報警,兩個壓力開關(guān)報警時間相差6 s。說明各壓力開關(guān)之間存在時間測量誤差。DCS潤滑油壓變送器測量的信號顯示,在此過程中該壓力信號維持0.132 MPa不變(而第二次燒瓦時,潤滑油壓最低顯示0.08 MPa),說明各壓力開關(guān)和壓力變送器存在測量數(shù)值的誤差。

針對這一問題,需利用機(jī)組大小修的機(jī)會,對各壓力表及壓力開關(guān)進(jìn)行校驗(yàn),以保證表計(jì)能夠真實(shí)反映出系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況,為運(yùn)行監(jiān)視和系統(tǒng)自動控制及時提供源信號。

后又查得DCS壓力變送器壓力數(shù)值歷史數(shù)據(jù)采集誤差為 0.1 MPa,而潤滑油壓正常運(yùn)行值為0.08～0.12 MPa,故當(dāng)油壓相對變化≤0.1 MPa時,潤滑油壓DCS歷史追憶追憶不到壓力的變化。后將DCS壓力變送器壓力數(shù)值歷史數(shù)據(jù)采集誤差修改為0.01 MPa,經(jīng)試驗(yàn)該壓力追憶能夠?qū)τ蛪哼M(jìn)行瞬時追憶。

3.2 壓力表測量存在偏差

DCS潤滑油壓壓力變送器安裝在五米平臺,汽輪機(jī)安裝在十米平臺,各壓力開關(guān)安裝在十米平臺。由于油的靜壓力存在,壓力表計(jì)各處測量數(shù)值存在偏差,即使軸瓦的已經(jīng)斷油,壓力變送器仍會有一定的壓力。機(jī)組正常運(yùn)行時,DCS潤滑油壓變送器壓力數(shù)值比十米平臺安裝的就地壓力表指示高,也即DCS潤滑油壓變送器壓力數(shù)值比壓力開關(guān)側(cè)的油壓表高。

為減少各壓力開關(guān)及變送器之間存在的測量數(shù)值誤差,需對安裝于五米平臺的壓力變送器進(jìn)行偏置設(shè)置,以保證壓力變送器壓力數(shù)值與壓力開關(guān)數(shù)值一致,消除各表計(jì)由于位置的偏差造成的測量偏差。

3.3 直流潤滑油泵反應(yīng)過慢

油壓低達(dá)到報警聯(lián)直流潤滑油泵條件,直流潤滑油泵從啟動到正常出力供油時間偏長。

潤滑油壓低0.06 MPa報警后,直流潤滑油泵聯(lián)啟,但對于直流油泵控制系統(tǒng)來說,系統(tǒng)從DCS發(fā)出啟動脈沖指令信號,信號進(jìn)入電機(jī)控制柜后,為了避免啟動電流過大造成電機(jī)換向極燒損,還需要由中間繼電器控制電機(jī)進(jìn)行串電阻3級分級啟動。從試驗(yàn)情況看直流潤滑油泵啟動6 s后,電流才能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行值,即從直流潤滑油泵啟動至正常工作需要經(jīng)過 6 s的時間。這樣,從潤滑油壓低0.06 MPa報警至油泵正常工作長達(dá)8 s的時間,在此期間,潤滑油系統(tǒng)壓力可能已經(jīng)很低(頂軸油壓低0.03 MPa報警可以從側(cè)面說明該問題),軸瓦存在斷油的可能。為此,需對直流潤滑油泵電機(jī)控制部分利用大小修機(jī)會進(jìn)行檢查,對于損壞或不可靠的元件進(jìn)行更換,并創(chuàng)造條件進(jìn)行實(shí)際啟動時間測量,保證直流潤滑油泵能夠在最短的時間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,減少從油壓降低到油壓恢復(fù)的時間。

3.4 不合理的交、直流潤滑油泵共用一臺油泵設(shè)計(jì)

綜合以上問題,汽輪機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時,如由于某種原因系統(tǒng)潤滑油壓低,即使報警及交直流潤滑油泵自動聯(lián)啟正常,潤滑油系統(tǒng)仍有斷油的可能性,嚴(yán)重時將造成汽輪機(jī)軸瓦燒毀。這是因?yàn)?當(dāng)潤滑油壓下降至0.07 MPa,交流潤滑油泵聯(lián)啟會存在延時,而交流潤滑油泵啟動后從零轉(zhuǎn)速升到額定工作轉(zhuǎn)速也需要時間,在此過程中,系統(tǒng)油壓會進(jìn)一步降低,很容易下降至0.06 MPa,此時直流潤滑油泵即使自動聯(lián)啟,由于存在直流潤滑油泵聯(lián)啟后交流潤滑油泵自停邏輯,而直流潤滑油泵啟動之后又需要6 s才能達(dá)到正常運(yùn)行工況,在此期間潤滑油系統(tǒng)存在斷油的可能,嚴(yán)重時將造成汽輪機(jī)軸瓦燒毀。

因?yàn)橹绷鳚櫥捅脝雍?交流潤滑油泵是無法啟動的,所以第一次燒瓦時,啟動直流潤滑油泵停機(jī),即使發(fā)現(xiàn)該油泵工作不正常,而交流潤滑油泵良好備用,也不能先將直流油泵停掉改為交流油泵運(yùn)行,那樣由于會存在斷油,比缺油的損害會更嚴(yán)重。因此可以認(rèn)為,目前交直流潤滑油泵采用的兩個電機(jī)共帶一個油泵的設(shè)計(jì)是不夠合理的,需將交直流潤滑油泵改造為交流潤滑油泵和直流潤滑油泵分列并聯(lián)運(yùn)行;即增加一臺油泵,交、直流電機(jī)分別帶一臺油泵,當(dāng)潤滑油壓低一值時,交流潤滑油泵啟動。當(dāng)系統(tǒng)潤滑油壓低二值時,直流潤滑油泵啟動與交流潤滑油泵并聯(lián)運(yùn)行,借此消弱直流潤滑油泵聯(lián)啟后加速過程中油壓的下降,也避免直流油泵工作不正常,交流油泵又不能投入運(yùn)行的問題。

4 結(jié)論

通過潤滑油系統(tǒng)的研究,兩次軸瓦燒損的原因已經(jīng)分析清楚,對于220 MW機(jī)組潤滑油系統(tǒng),由于原設(shè)計(jì)存在一定的不合理之處,加之現(xiàn)場設(shè)備存在的一些問題,在偶然的情況下會發(fā)生軸瓦燒損事故。只有加強(qiáng)管理,認(rèn)真分析現(xiàn)場存在的問題,制定合理的改造和控制措施,才能滿足機(jī)組安全運(yùn)行的需要。