300 MW汽輪發(fā)電機組推力瓦非工作面溫度偏高原因分析及處理

何冬輝， 李 楊， 葉振起

(1. 遼寧東科電力有限公司，沈陽 110006； 2. 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司， 哈爾濱 150040)

汽輪發(fā)電機組推力軸承用來承受蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的剩余軸向推力，并確定轉(zhuǎn)子的軸向位置。軸承工作面及非工作面均由6塊自位式推力瓦塊組成，軸向推力可通過壓塊板的擺動使各瓦塊澆有巴氏合金的表面載荷中心都處于同一平面內(nèi)[1]。推力軸承應用油膜原理，軸承始終浸在壓力油中，油直接從主軸供油管道供給，當推力盤相對瓦塊旋轉(zhuǎn)時，每塊瓦塊進油側(cè)和推力盤間形成一定厚度的楔形油膜[2]。筆者結合各種試驗及翻瓦檢查結果，根據(jù)汽輪機轉(zhuǎn)子結構、受力分析，以及推力瓦結構特點，得出引起推力瓦非工作面溫度升高的根本原因，對比分析了三種解決方法及效果。

1 機組概況

機組采用一次中間再熱、單軸、沖動式、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/537/537。高壓部分為1個沖動式調(diào)節(jié)級和12個反動式高壓級，中壓部分為9個反動式中壓級，低壓部分為正反向各7個反動式低壓級。為了平衡高中壓轉(zhuǎn)子的軸向推力，高壓級組和中壓級組采取反向布置(見圖1)，并設置了3個平衡活塞：在高壓進汽區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子上加有高、中壓兩級平衡活塞(見圖1中圓圈部分)，用來平衡高壓通流部分的軸向推力；高壓缸排汽側(cè)設有低壓平衡活塞，用以平衡中壓通流部分的軸向推力；最后剩余較小的正向推力指向發(fā)電機端由推力瓦承擔[3]。推力瓦軸承金屬溫度99 ℃報警、107 ℃跳機。

圖1 汽輪機平衡活塞及平衡管示意圖

2 故障過程

機組空負荷時工作面及非工作面溫度比較均勻，當機組并網(wǎng)帶負荷后, 隨著負荷增加, 非工作面的溫度隨負荷增加而上升，其過程如下：

(1) 2017年11月9日，首次啟動，由于未帶大負荷，推力瓦溫度不高。

(2) 2017年11月12日，第二次啟動，推力瓦非工作面1～4號測點溫度隨著負荷增加而上升，其中2號、4號測點溫度明顯大于1號、3號測點。當負荷升至143 MW時，推力瓦非工作面4號測點溫度升至95 ℃；當負荷升至174 MW時，推力瓦非工作面4號測點溫度最高為104 ℃(見圖2)，軸位移最高升至-0.56 mm。

圖2 推力瓦非工作面4號測點溫度隨負荷變化趨勢

隨后，采取變真空、切高壓加熱器、開高壓旁路、切順序閥等措施，但溫度變化都不明顯，沒有較大的下降趨勢。

(3) 2017年11月14日，決定停機翻瓦檢查。

(4) 2017年11月23日，經(jīng)過翻瓦檢查，發(fā)現(xiàn)推力瓦非工作面?zhèn)€別瓦塊局部邊緣磨損(見圖3(a))，每個瓦塊都有高溫灼燒的痕跡，上部兩塊裝有溫度測點的瓦的中心下凹小圓坑(見圖3(b))。同時檢查推力瓦進回油管無堵塞現(xiàn)象，兩側(cè)推力瓦塊都能自定位活動。

圖3 推力瓦檢查結果

3 原因分析

3.1 2號、4號測點溫度較高的原因

推力瓦潤滑油從左上方進入，沿著推力盤旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒂蛶胪邏K工作面形成一定厚度的楔形油膜, 起到潤滑和冷卻作用，從右上方排出(見圖4(a))。2號、4號測點位于推力瓦中心， 1號、 3號測點位于推力瓦邊緣(見圖4(b))。一方面，1號、3號測點位于推力瓦邊緣，推力瓦之間的間隙大，通過間隙的潤滑油流量大，1號、3號測點冷卻較快；另一方面，2號、4號測點位于推力瓦中心，溫度元件緊貼鎢金，軸向負推力增大時，引起非工作面推力間隙變小, 導致油膜厚度變薄, 非工作面冷卻油流量變小，高速旋轉(zhuǎn)摩擦使溫度快速上升。

圖4 推力瓦結構及溫度測點示意圖

3.2 推力瓦塊局部磨損的原因

推力瓦塊厚度不均，同側(cè)的各瓦塊厚度差不能大于0.02 mm。推力軸承安裝位置傾斜，推力瓦塊工作平面和轉(zhuǎn)子上的推力盤面不平行，致使瓦塊受力不均衡。

3.3 推力瓦塊中心形成凹坑的原因

(1) 鎢金(巴氏合金)60 ℃時硬度為21.1 HB，110 ℃時硬度為13.1 HB，144 ℃時硬度為8.85 HB[4]。鎢金強度隨著鎢金的溫度升高而降低。(2)溫度元件安裝于推力瓦中心，打孔深度幾乎接近鎢金，厚度薄。(3)推力瓦中心油膜壓力高、溫度高，高溫高壓下鎢金強度下降，產(chǎn)生凹坑。

3.4 推力瓦非工作面溫度高的根本原因

通過各種試驗工況、運行參數(shù)變化及翻瓦檢查結果，可以排除以下原因：

(1) 熱工信號。溫度的變化趨勢與軸位移一致，且事后經(jīng)熱工人員檢測溫度測點無元件故障。

(2) 推力瓦安裝問題。經(jīng)檢查可排除推力軸承球面接觸不好、自位性較差，瓦塊本身擺動不靈活等問題。

(3) 瓦塊本身問題。制造無問題，材質(zhì)無缺陷，各瓦塊厚度均勻。

(4) 供油系統(tǒng)問題。潤滑油壓力、軸承回油溫度正常，進、回油管無堵塞現(xiàn)象。

(5) 滑銷系統(tǒng)卡澀問題。經(jīng)檢查，汽缸膨脹均勻, 缸脹與機前膨脹表變化一致。

(6) 油質(zhì)不合格。潤滑油檢測結果為NAS7級，且翻瓦檢查無金屬顆粒等雜質(zhì)。

結合推力瓦非工作面溫度、軸向負位移與負荷密切且變化趨勢一致等現(xiàn)象，經(jīng)多方分析，引起推力瓦非工作面溫度異常升高的根本原因是汽輪機軸向負推力隨負荷上升而增加 (朝機頭方向)。推力瓦在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速升高而加大，隨油溫升高而減小。軸向推力越大則油膜越薄，冷卻油量越少，溫度越高[5]。

4 處理方法

4.1 處理對策

汽輪機軸向力主要由三部分組成[6]：(1)蒸汽作用在動葉片的軸向推力；(2)蒸汽作用在葉輪輪面上的軸向推力；(3)蒸汽作用在汽輪機凸肩上的軸向推力。

由于反動式汽輪機動葉反動度較高，轉(zhuǎn)子的軸向推力相應比較大，當轉(zhuǎn)子軸向推力太大時，可能會造成推力軸承比壓過大，甚至引起推力瓦燒毀。為了平衡高中壓轉(zhuǎn)子的軸向推力，采用以下方式：

(1) 高中壓缸反向布置：蒸汽在汽輪機兩汽缸內(nèi)的流動成相反的方向，產(chǎn)生相反的軸向推力。

(2) 平衡活塞(平衡轂)：將軸封的直徑加大，在轉(zhuǎn)子上形成較大凸肩，當蒸汽通過凸肩的齒形間隙，由其一端流向另一端時，因節(jié)流作用而產(chǎn)生壓降。由于凸肩兩側(cè)所承受的汽壓不同，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子通流部分固有推力方向相反的軸向附加力，并與軸向推力相平衡[7]。在高壓進汽區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子上加有高、中壓兩級平衡活塞，用來平衡高壓通流部分的軸向推力；高壓缸排汽側(cè)設有低壓平衡活塞，用以平衡中壓通流部分上的軸向推力(見圖1中圓圈部分)。在高壓缸排汽處，引出兩根(上、下)平衡管到高、中壓缸中間；在中壓缸排汽處引出四根(上、下)平衡管到高壓缸排汽處(見圖1)。

(3) 推力軸承：剩余的軸向推力則由推力軸承受力。

為平衡汽輪機軸向負推力，可采用直接降低軸向負推力或增大正推力的方法。最后決定通過增加汽輪機軸向正推力的方法來平衡其推力，即提高平衡活塞腔室壓力，從而增加中壓平衡活塞前后壓差，來增加汽輪機正推力(朝發(fā)電機方向)。

圖5為高中壓平衡活塞的局部放大圖，蒸汽通過導管進入調(diào)節(jié)級，調(diào)節(jié)級漏汽通過高壓平衡活塞汽封環(huán)進入平衡活塞腔室，腔室中的蒸汽一部分通過中壓平衡活塞漏至中壓缸，一部分排至高壓缸排汽管。通過圖5中箭頭蒸汽流向可以看出平衡活塞腔室的壓力受三個因素影響：(1)高壓平衡活塞漏汽量；(2)中壓平衡活塞漏汽量；(3)平衡活塞腔室至高壓缸排汽管的排汽量。

圖5 高中壓平衡活塞示意圖

基于以上三個影響因素，可以從三個方面來提高平衡活塞腔室壓力：

(1) 適當增大高壓平衡活塞汽封環(huán)間隙，從而增大調(diào)節(jié)級漏汽通過高壓平衡活塞至平衡腔室的漏汽量，進而增加平衡活塞腔室的壓力。但此方法需要揭缸，周期長，且新蒸汽沒有做功就通過平衡腔室排至高壓缸排汽，降低了機組的經(jīng)濟性。

(2) 適當減小中壓平衡活塞汽封環(huán)間隙，從而減小平衡腔室至中壓缸的漏汽量，增加平衡活塞腔室的壓力。但此方法同樣需要揭缸，周期長，且汽封間隙減小，增加了動靜碰摩的風險性。

(3) 在上、下高壓平衡管安裝節(jié)流孔板，減少平衡活塞腔室至高壓缸排汽的排汽量，從而增加平衡活塞腔室的壓力。節(jié)流孔板安裝簡單且安全可靠，但由于運行工況等因素影響，節(jié)流孔徑計算存在一定誤差，需多次計算更換節(jié)流孔板，增加機組啟停次數(shù)。

4.2 處理過程及結果

4.2.1 第一次處理

(1)將上、下高壓平衡管安裝直徑為17.5 mm的節(jié)流孔板，節(jié)流孔孔徑底部與管道下部內(nèi)徑水平，便于疏水；(2)修刮磨損的推力瓦塊，保證各瓦塊厚度差<0.02 mm，調(diào)整推力瓦安裝平行度<0.02 mm，確保推力瓦與推力盤的接觸面積在75%以上，保證各瓦塊受力均勻；(3)重新推軸，調(diào)整推力間隙為0.28 mm；(4)用新瓦更換有凹坑的推力瓦。

2017年11月28日，第3次啟動，推力瓦非工作面4號測點溫度隨著負荷增加而上升，負荷升至250 MW時，溫度上升到報警值99 ℃(見圖6)，改造效果不明顯。

圖6 第一次處理結果

4.2.2 第二次處理

將上平衡管用盲板堵死，下平衡管節(jié)流孔板孔徑由17.5 mm改成6 mm。

2017年12月4日，第4次啟動，負荷升至300 MW時，推力瓦非工作面4號測點溫度逐步上升至72 ℃，經(jīng)過一段時間運行，溫度由72 ℃緩慢下降到62 ℃。2017年12月6日，由于發(fā)電機故障信號跳機，第5次啟動后，兩次負荷升至300 MW時，推力瓦非工作面4號測點溫度都上升至85 ℃，無下降趨勢。鍋爐吹灰階段，隨著主蒸汽溫度下降，4號測點溫度快速上升至91 ℃，隨不穩(wěn)定因素變化明顯(見圖7)。

圖7 第二次處理結果

4.2.3 第三次處理

2017年12月15日，借鍋爐水冷壁泄漏停機的機會，進行第三次改造：將下平衡管直徑為6 mm的節(jié)流孔板換成不帶孔的盲板堵死，同時在堵板前加疏水管路，從堵板前接到高壓缸排汽管，疏水管安裝手動閥和氣動閥，便于啟停機時疏水。

2017年12月20日，第7次啟動，負荷升至300 MW時，推力瓦非工作面4號測點溫度基本穩(wěn)定在80 ℃左右(見圖8)。

圖8 第三次處理結果

5 結語

(1) 針對機組在帶負荷階段推力瓦非工作面溫度異常升高，從運行參數(shù)、轉(zhuǎn)子受力、推力瓦自身結構等角度分析，得出推力瓦溫升高根本原因是汽輪機軸向負推力隨負荷增大而增大。

(2) 提出降低汽輪機軸向負推力的三個方法并對比其利弊，采取減少平衡活塞腔室至高壓缸排汽量的方法來降低軸向負推力。通過三次改造，機組帶滿負荷時推力瓦非工作面溫度穩(wěn)定在80 ℃左右。建議大修時適當減小中壓平衡活塞汽封環(huán)間隙，減小漏汽量，提高平衡活塞腔室壓力。