660 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器減速機(jī)故障原因分析及處理建議

王天龍，張夜雨,段海洲，張向群,朱立平，張哲華

(1.遼寧東科電力有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110179；2.中國(guó)能源工程股份有限公司 北京 100037)

0 引言

作為鍋爐煙氣流程中最后一個(gè)受熱面，空氣預(yù)熱器是現(xiàn)代電廠鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)中不可或缺的部件?？諝忸A(yù)熱器既可以降低排煙溫度從而提高鍋爐效率和電除塵效率，又可以通過(guò)回收煙氣熱量來(lái)強(qiáng)化燃料的著火和燃燒過(guò)程[1]。若空氣預(yù)熱器發(fā)生停轉(zhuǎn)，將會(huì)使得轉(zhuǎn)子驟冷和徑向隔板永久變形及焊縫開(kāi)裂；同時(shí)由于其出口煙溫急劇升高，還會(huì)損壞脫硫塔部件[2]，空氣預(yù)熱器無(wú)法運(yùn)行會(huì)影響鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

空氣預(yù)熱器驅(qū)動(dòng)方式主要分為兩種：圍帶驅(qū)動(dòng)、中心驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，圍帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是將齒輪安裝在減速機(jī)的輸出軸上，與圍帶上的圓銷(xiāo)齒嚙合以驅(qū)動(dòng)空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2為中心驅(qū)動(dòng)方式，其輸出軸與空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子同軸直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

孟加拉某電廠配置2臺(tái)660 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐空氣預(yù)熱器采用上部中心驅(qū)動(dòng)方式。1#機(jī)組在整套啟動(dòng)期間發(fā)生鍋爐A側(cè)空氣預(yù)熱器減速機(jī)軸承三次損壞事故，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子垂直度和軸承水平度、增加彈簧、改變大齒輪旋向和拓寬擋肩等方法嘗試解決減速機(jī)軸承損壞問(wèn)題。

1 設(shè)備概況

本期660 MW超超臨界燃煤火力發(fā)電廠配備了2臺(tái)高效超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)；鍋爐采用露天布置、Π型布置鍋爐。鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表1。

鍋爐空氣預(yù)熱器為某鍋爐廠自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和制造的新型三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，每臺(tái)鍋爐布置 2 臺(tái)預(yù)熱器，型號(hào)為L(zhǎng)AP14236/2350。如圖3所示，通過(guò)空氣預(yù)熱器旋轉(zhuǎn)，高溫?zé)煔鈱崃總鹘o蓄熱元件，再由蓄熱元件依次將熱量傳遞給二次風(fēng)和一次風(fēng)。但空氣預(yù)熱器旋轉(zhuǎn)方向并不絕對(duì)是固定的，可根據(jù)鍋爐運(yùn)行需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)調(diào)整[4]。

每臺(tái)空氣預(yù)熱器配備一臺(tái)斜齒減速機(jī)，它共由三個(gè)齒輪箱組成，分別是變頻啟動(dòng)主電機(jī)齒輪馬達(dá)、輔電機(jī)齒輪馬達(dá)和主減速機(jī)。表2和3分別為空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算參數(shù)和減速機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

2 單側(cè)空氣預(yù)熱器減速機(jī)三次故障基本概況

2.1 第一次故障

2020年1月22日15：11電網(wǎng)震蕩導(dǎo)致全廠失電，1#機(jī)組跳閘。隨后柴發(fā)聯(lián)啟，A空氣預(yù)熱器輔電機(jī)聯(lián)鎖啟動(dòng)，電流開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)。16:20，400 KV電源恢復(fù)，A空氣預(yù)熱器切換電源時(shí)發(fā)生空開(kāi)跳閘(鍋爐MCC段)，16:56，A空氣預(yù)熱器送電重新啟動(dòng)動(dòng)，主、輔電機(jī)啟動(dòng)時(shí)均保持最大電流50 A(額定電流36.74 A)，停止A空氣預(yù)熱器電機(jī)運(yùn)行，啟動(dòng)A空氣預(yù)熱器氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行盤(pán)車(chē)。1月25日發(fā)現(xiàn)A減速機(jī)有異響，停氣動(dòng)馬達(dá)。檢查后發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器A減速機(jī)上軸承損壞，減速機(jī)損壞照片見(jiàn)圖4。

表2 空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算參數(shù)

表3 減速機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

由于此次減速機(jī)損壞時(shí)由氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有可供參考和分析的數(shù)據(jù)，所以在對(duì)減速機(jī)進(jìn)行內(nèi)部檢查后挪用2#爐A空氣預(yù)熱器減速機(jī)，繼續(xù)整套啟動(dòng)試運(yùn)。

2.2 第二次故障

2020年2月17日22：07，1#機(jī)組負(fù)荷從335 MW開(kāi)始滑停，22:47降至10 MW，鍋爐MFT動(dòng)作，空氣預(yù)熱器A電機(jī)電流17 A左右，至18日0：15電流開(kāi)始有規(guī)律性地波動(dòng)并逐漸升高，最高達(dá)22 A，至8：05電流波動(dòng)變大，波動(dòng)變?yōu)闊o(wú)規(guī)律，8：30瞬時(shí)電流最高為42.46 A(額定電流36.74 A)，減速機(jī)就地有異常聲響，8：44分空氣預(yù)熱器A手動(dòng)停轉(zhuǎn)。檢查后發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器A減速機(jī)上軸承損壞，減速機(jī)損壞照片見(jiàn)圖5。

第二次故障發(fā)生后對(duì)減速機(jī)安裝尺寸進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器軸的垂直度偏差為0.255 mm/m，大于廠家圖紙要求0.2 mm/m；另外，卡塊與減速機(jī)之間間隙較小。于是中心筒及短軸進(jìn)行矯正，使中心筒及短軸的垂直度偏差在0.035‰之內(nèi)，同時(shí)調(diào)整減速機(jī)支撐彈簧高度至設(shè)計(jì)標(biāo)高172.5±2 mm。

2.3 第三次故障

2020年3月2日18：16，1#鍋爐停爐。19：45 1#爐A預(yù)熱器電流出現(xiàn)周期波動(dòng)并上升，20：00預(yù)熱器電流振幅明顯加大，最大電流約21 A，檢查發(fā)現(xiàn)A預(yù)熱器右側(cè)有刮蹭聲音，20：48對(duì)扇形板間隙進(jìn)行調(diào)整，刮蹭聲音明顯減小，電流下降到約21 A。

23：59電流再次出現(xiàn)周期波動(dòng)并上升，至0：22電流最大29.56 A，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱器左側(cè)扇形板與徑向密封片刮蹭，密封自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置向上提5 mm，電流下降至21 A左右并趨于穩(wěn)定。

0：35 A預(yù)熱器減速器軸承箱處有異音，立即停運(yùn)A預(yù)熱器。

3月3日拆卸預(yù)熱器減速機(jī)鎖緊盤(pán)，發(fā)現(xiàn)上軸承外套部分損壞，減速機(jī)損壞照片見(jiàn)圖6。

3 減速機(jī)三次故障原因分析

3.1 減速機(jī)軸承損壞表現(xiàn)

1#鍋爐空氣預(yù)熱器出現(xiàn)三次減速機(jī)損壞故障，綜合故障概況可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)共同點(diǎn)：

1)三次損壞均為A側(cè)減速機(jī)軸承；

2)故障出現(xiàn)時(shí)間均為停爐后，損壞時(shí)伴隨著電流周期波動(dòng)；

3)損壞部位均為軸承外圈。

3.2 相關(guān)檢查

3.2.1 減速機(jī)部分

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拆機(jī)過(guò)程分析得出，基本都是軸承外圈擋邊首先斷裂，之后滾子脫落導(dǎo)致軸承及其他零件進(jìn)一步損壞；

2)減速機(jī)采用斜齒輪嚙合，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向分力(見(jiàn)3.4節(jié)軸承受力分析)；

3)減速機(jī)支撐彈簧自由狀態(tài)為215 mm，冷態(tài)安裝后為172.5 mm，機(jī)組熱態(tài)后彈簧最大伸長(zhǎng)了15 mm在彈簧設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；同時(shí)測(cè)量了其彈力系數(shù)，與設(shè)計(jì)曲線符合。

3.2.2 空氣預(yù)熱器本體部分

1)減速機(jī)上軸直徑在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2)第二次損壞后，測(cè)量出轉(zhuǎn)子垂直度最大偏差為0.9/1 000 mm，超出設(shè)計(jì)值0.2/1 000 mm，后進(jìn)行調(diào)整。第三次損壞后測(cè)量出推力軸承水平度最大偏差為0.75/1 000 mm，超出設(shè)計(jì)值0.2/1 000 mm。從測(cè)量結(jié)果看，造成主軸垂直度超差的主要原因是主梁的膨脹支架座基準(zhǔn)超差，造成轉(zhuǎn)子整體偏斜[5]。

3.3 運(yùn)行分析

圖7-9分別為第一、二、三次減速機(jī)損壞時(shí)運(yùn)行參數(shù)曲線，其中曲線1-7分別為機(jī)組負(fù)荷、空氣預(yù)熱器A主電機(jī)電流、輔電機(jī)電流、導(dǎo)向軸承溫度、支撐軸承溫度、空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣溫度及出口煙氣溫度。

從圖中可以得出：

1)鍋爐運(yùn)行時(shí)，空氣預(yù)熱器入、出口煙氣溫度未出現(xiàn)明顯超溫情況，符合表2要求；

2)空氣預(yù)熱器導(dǎo)向軸承和支撐軸承溫度正常，不存在超溫現(xiàn)象；

3)停爐后，根據(jù)電流周期性波動(dòng)可以推斷出，由于空氣預(yù)熱器入口煙氣擋板關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致內(nèi)部受熱膨脹出現(xiàn)密封片摩擦情況。

3.4 軸承受力分析

從圖10可以看出減速機(jī)是經(jīng)過(guò)一根空心軸與空氣預(yù)熱器主軸作用，此處是主要受力處。此外圖右的兩根彈簧是用來(lái)平衡偏心力矩。

圖11中可以得出輸出軸是斜齒輪，所以會(huì)在扭矩傳遞時(shí)產(chǎn)生一個(gè)軸向分力作用在空心軸上繼而傳遞給軸承。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以得出齒輪受力情況[6]：

Fa=Ft×tanβ

式中：

T——齒輪傳遞的扭矩(Nm)；

η——減速機(jī)效率(%)；

P——電動(dòng)機(jī)功率(kW)；

n——輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)；

r——齒輪分度圓半徑(389.572 mm)；

α——齒輪法面壓力角(20°)；

β——齒輪螺旋角(14°)；

由計(jì)算得出：Ft=533 385 N；Fr=222 610 N；Fa=137 975 N(根據(jù)齒輪旋轉(zhuǎn)方向不同，此力可以向上或者向下)。

根據(jù)軸承手冊(cè)[7]，該軸承額定動(dòng)載荷Cr=1 250 000 N，軸向力Famax=240 314 N。且在冷態(tài)和熱態(tài)下軸承受力有所不同。

3.4.1 冷態(tài)

輸出軸承承受重量(冷態(tài))=減速機(jī)自重(6.7 t)+潤(rùn)滑油重(0.6 t)-空心軸重量(1.3 t)-彈簧支撐力(2.5 t)=3.5 t=35 000 N。

減速機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(軸向分力向下)：FaN=Fa+G=172 975 N

當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算公式 P=xFr+yFa[8]，其中x=0.92、y=0.4，F(xiàn)a取最大軸向合力，所以

P=0.92×Fr+0.4×FaN=273 991.2N

于是得出安全系數(shù)：Cr/P=4.56

載荷比：Fa/Fr=FaN/Fr=172 975/22 2610=0.77>0.4，因此需要改善軸承受力分布。

3.4.2 熱態(tài)

3.1.1中提到彈簧熱態(tài)下伸長(zhǎng)了15 mm，因此兩根彈簧總輸出力約為1.25 t。

輸出軸承承受重量(熱態(tài))=減速機(jī)自重(6.7 t)+潤(rùn)滑油重(0.6 t)-空心軸重量(1.3 t)-彈簧支撐力(1.25 t)=4.75 t≈50 000 N。

減速機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(軸向分力向下)：FaN=Fa+G=187 975 N

P=0.92×Fr+0.4×FaN=279 991.2 N

安全系數(shù)：Cr/P=4.46

載荷比Fa/Fr=FaN/Fr=172 975/222 610=0.84>0.4，因此需要改善軸承受力分布。

4 改進(jìn)措施及建議

4.1 增加兩根彈簧

增加彈簧是為了增加反推力，以改善軸承軸向合力。表4為增加彈簧后參數(shù),從表中可以得出，增加彈簧后使得安全系數(shù)提高了近10%。

表4 增加彈簧后參數(shù)

4.2 改變大齒輪旋向

將大齒輪旋向由逆時(shí)針改為順時(shí)針，可以將軸向分力改為向上。表5為改變旋向后參數(shù),從表中可以得出，改變旋向后使得熱態(tài)安全系數(shù)更加明顯提高。

表5 大齒輪旋向改變后參數(shù)

4.3 拓寬軸承外圈擋肩

三次減速機(jī)損壞均是先從外圈開(kāi)始,見(jiàn)圖12。因此可以拓寬軸承外圈擋肩使得外圈受力更均勻。圖13為拓寬擋肩前、后受力情況對(duì)比(上為拓寬前，下為拓寬后)，從圖中可得出拓寬擋肩后軸承外圈強(qiáng)度提升了30%。

4.4 停爐后建議

4.4.1 提升扇形板

將熱端扇形板提升至最高位 (+12 mm)，軸向密封間隙拉大(冷端13 mm，熱端16 mm)，做好標(biāo)記，下次啟爐前恢復(fù)至推薦值。

4.4.2 冷卻轉(zhuǎn)子

1)在導(dǎo)向軸承處加風(fēng)扇及壓縮空氣對(duì)上軸吹風(fēng)，加速軸部冷卻。

2)鍋爐熄火后繼續(xù)保持送引風(fēng)機(jī)運(yùn)行 10 min，風(fēng)量保持600～800 t/h,爐膛負(fù)壓保持-200 Pa 以上。

3)停風(fēng)機(jī)后，打開(kāi)鍋爐空氣側(cè)擋板、煙氣側(cè)擋板、二次風(fēng)箱風(fēng)門(mén)100%，形成鍋爐自然通風(fēng)冷卻空氣預(yù)熱器，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度保持30%，引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度10%。

4)若空氣預(yù)熱器電流持續(xù)上升，可以繼續(xù)通過(guò)開(kāi)大動(dòng)葉及靜葉開(kāi)度來(lái)增加鍋爐自然通風(fēng)量來(lái)降低空氣預(yù)熱器電流。

5)空氣預(yù)熱器電流峰值升高至25 A時(shí)啟動(dòng)單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟聯(lián)絡(luò)風(fēng)門(mén)對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行冷卻，引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度保持5%，爐膛負(fù)壓保持-200 Pa。當(dāng)空氣預(yù)熱器峰值電流降至19 A 以下時(shí)停止送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

6)若上述措施無(wú)效，空氣預(yù)熱器停轉(zhuǎn)，關(guān)閉空氣預(yù)熱器進(jìn)出口空氣側(cè)及煙氣側(cè)擋板。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合空氣預(yù)熱器減速機(jī)三次損壞特征、運(yùn)行情況及受力分析可以得出，減速機(jī)損壞是因?yàn)榘惭b精度偏差、空氣預(yù)熱器扇形板等部件受熱膨脹不均、軸承受力分布不合理和減速機(jī)外圈擋肩強(qiáng)度不夠等原因造成的。通過(guò)一系列的改造措施，成功解決了減速機(jī)損壞問(wèn)題。自改進(jìn)措施實(shí)施后，1#鍋爐已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行近半年，沒(méi)有出現(xiàn)任何過(guò)損壞事故。