余熱發(fā)電機(jī)組軸承故障原因分析及解決

楊玉峰

（安徽銅陵有色金昌冶煉廠，安徽銅陵 244000）

1 余熱發(fā)電機(jī)組概述

為實(shí)現(xiàn)蒸汽的梯度利用，金昌冶煉廠引進(jìn)了1套德國(guó)KK&K公司制造的、型號(hào)為AFA4 G5a的汽輪機(jī)組，配套德國(guó)NEWAGE-AVKSEG公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)。機(jī)組利用奧斯麥特爐余熱鍋爐和轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)出的4.00 MPa中壓飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電，出口產(chǎn)出0.50 MPa的低壓蒸汽進(jìn)入廠低壓管網(wǎng)供用戶使用（表1）。該機(jī)組屬于齒輪箱傳動(dòng)式透平機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，有較高的傳動(dòng)效率；轉(zhuǎn)子采用懸臂式支撐結(jié)構(gòu)，僅需1個(gè)軸封。與傳統(tǒng)的汽輪機(jī)與齒輪箱分離式結(jié)構(gòu)相比，少了1個(gè)軸封，泄漏量約減少了50%。葉輪采用單排葉片，整體式結(jié)構(gòu)，直接安裝在主軸的一端，允許葉輪端自由熱膨脹，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可降低機(jī)組預(yù)熱時(shí)間，節(jié)約機(jī)組預(yù)熱所需的蒸汽消耗，提高蒸汽利用率，增加發(fā)電量。該機(jī)組采用3噴嘴設(shè)計(jì)，通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)25%～100%的變負(fù)荷運(yùn)行，可適應(yīng)多變的蒸汽工藝條件。

表1 機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)組于2005年投運(yùn)，投運(yùn)初期，除去計(jì)劃性停車外，基本上都處于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，年發(fā)電量達(dá)到了800萬(wàn)kW·h，為金昌冶煉廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但是從2009年開始，機(jī)組出現(xiàn)第一次軸承損壞，更換了1副進(jìn)口軸承后，運(yùn)行1 a之后仍然損壞。2011年，為了降低軸承的備件費(fèi)用，與陜西鼓風(fēng)機(jī)廠合作研發(fā)了新的軸承，將原有的可傾瓦軸承改為錯(cuò)位軸承，軸承工作面材料由銅合金改為巴士合金，止推面結(jié)構(gòu)形式仍然延用進(jìn)口軸承的固定楔型。軸承國(guó)產(chǎn)化后，損壞情況未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，尤其是在2012年，軸承損壞次數(shù)達(dá)到8次之多，更換軸承后最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間僅3個(gè)月，最短運(yùn)行時(shí)間僅幾分鐘就造成軸承損壞且軸承溫度并未達(dá)到正常狀態(tài)。故障主要表現(xiàn)為3個(gè)方面。

（1）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，齒輪箱振動(dòng)值瞬間變大，超出測(cè)量范圍。該機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，齒輪箱振動(dòng)值僅為0.4 mm/s左右，但機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)值瞬間達(dá)到2.3 mm/s（最大量程）以上，并發(fā)出異常聲音。

（2）軸承4（主止推軸承）溫度過(guò)高跳車。該機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)軸承4的溫度一般在（50～55）℃，報(bào)警溫度為80℃，跳車溫度為90℃。出現(xiàn)故障時(shí)，軸承溫度瞬間達(dá)到90℃以上，造成機(jī)組軸承超溫跳車，從溫度報(bào)警到機(jī)組超溫跳車時(shí)間僅需幾秒鐘，操作人員根本沒(méi)有時(shí)間手動(dòng)停車。

（3）機(jī)組解體檢查后發(fā)現(xiàn)：①止推軸承燒毀，止推盤接觸面有明顯被灼燒的痕跡，主、副推力盤的間距由原來(lái)的86.01 mm增大到93.5 mm，移位了7.49 mm（圖1）；②主軸上驅(qū)動(dòng)主油泵的齒輪磨損嚴(yán)重（圖2）；③機(jī)組出口管道沖刷痕跡明顯（圖3）。

2 故障原因分析

圖1 主推力盤受損

根據(jù)故障跳車統(tǒng)計(jì)，機(jī)組每次故障跳車均是由于軸承4（主止推軸承）溫度＞90℃造成的。經(jīng)解體檢查分析，造成溫度超標(biāo)跳車的原因主要是飽和蒸汽攜帶水或冷蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，而蒸汽中的水或冷蒸汽的密度比蒸汽密度大很多，因而在噴嘴內(nèi)不能獲得與蒸汽同樣的加速度，出噴嘴時(shí)的絕對(duì)速度比蒸汽小很多，使其相對(duì)速度的進(jìn)汽角遠(yuǎn)大于蒸汽相對(duì)速度進(jìn)汽角，汽流不能按正確方向進(jìn)入動(dòng)葉通道，對(duì)動(dòng)葉進(jìn)口邊的背弧進(jìn)行沖擊。這除了對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生制動(dòng)力外，還產(chǎn)生一個(gè)軸向力，增大汽輪機(jī)軸向推力。實(shí)際運(yùn)行中，軸向推力甚至可增大到正常情況時(shí)的數(shù)倍以上，使主推力軸承超載而導(dǎo)致止推面燒毀，溫度瞬間升高、跳車。

圖2 油泵齒輪受損

圖3 汽輪機(jī)蒸汽出口管道沖刷

3 處理措施

3.1 設(shè)備檢修措施

（1）在機(jī)組進(jìn)口蒸汽工藝管線上增設(shè)1套汽水分離器裝置，同時(shí)檢查整條進(jìn)口蒸汽管線，對(duì)破損的保溫層進(jìn)行修復(fù)，更換進(jìn)氣管線上損壞的疏水閥，防止帶水的蒸汽進(jìn)入機(jī)組，造成水擊現(xiàn)象。

（2）將主軸送至專業(yè)機(jī)械制造廠家，對(duì)損壞的推力盤、磨損嚴(yán)重的主油泵驅(qū)動(dòng)齒輪和傳動(dòng)齒輪進(jìn)行測(cè)繪，重新制造加工，同時(shí)保證安裝精度，確保推力盤工作面于轉(zhuǎn)子軸線垂直，垂直度<0.005 mm。將新的推力盤和主油泵驅(qū)動(dòng)齒輪安裝好后，再送到專業(yè)廠家進(jìn)行轉(zhuǎn)子整體動(dòng)平衡試驗(yàn)。

（3）根據(jù)雙向推力盤間隙確定止推間隙，更換新的軸承。

（4）該機(jī)組的軸瓦采用的是合金材質(zhì)，曾多次發(fā)生燒瓦故障，有金屬碎屑進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)，因此，需對(duì)油箱進(jìn)行全面清洗，并重新更換潤(rùn)滑油，防止金屬碎屑進(jìn)入潤(rùn)滑油管路系統(tǒng)而再次帶入軸承。

3.2 管理措施

（1）從蒸汽源頭抓起，嚴(yán)格控制余熱鍋爐的汽包水位，避免汽包水位過(guò)高，造成蒸汽帶水情況發(fā)生。做好蒸汽管道的巡檢工作，出現(xiàn)保溫層破損或疏水閥故障要及時(shí)修復(fù)和更換。

（2）加強(qiáng)崗位之間的溝通和聯(lián)系，時(shí)時(shí)做好工藝調(diào)節(jié)，避免機(jī)組非機(jī)械故障性跳車。余熱發(fā)電機(jī)組的進(jìn)口蒸汽是由奧爐余熱鍋爐和轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐提供，受生產(chǎn)工藝影響，奧爐經(jīng)常出現(xiàn)提槍現(xiàn)象，造成鍋爐蒸發(fā)量瞬間急劇減少，溫度降低，容易造成機(jī)組進(jìn)口蒸汽溫度<240℃而跳車。因此，奧爐余熱鍋爐崗位與余熱發(fā)電崗位保持溝通，奧爐提槍或發(fā)生蒸發(fā)量急劇減少的情況下，要及時(shí)通知余熱發(fā)電崗位，提前作好手動(dòng)停車工作。另外，該機(jī)組為背壓式結(jié)構(gòu)，機(jī)組出口蒸汽壓力應(yīng)控制在（0.38～0.62）MPa，否則機(jī)組將自動(dòng)跳車，因此，應(yīng)根據(jù)出口蒸汽壓力情況，及時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)組進(jìn)口旁通閥門和出口放空閥，將出口壓力控制在0.45 MPa左右。

（3）機(jī)組操作人員要嚴(yán)密監(jiān)控機(jī)組軸承溫度的變化和機(jī)組振動(dòng)值，當(dāng)軸承溫度達(dá)到70℃或振動(dòng)值突然增大時(shí)，應(yīng)實(shí)施手動(dòng)停車。待維修人員查明原因、排除故障后，方可再次開車。