1 000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)低轉(zhuǎn)速軸承燒瓦的分析及處理

蔣序東，許金峰

（華潤(rùn)電力溫州有限公司，浙江溫州325800）

發(fā)電技術(shù)

1 000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)低轉(zhuǎn)速軸承燒瓦的分析及處理

蔣序東，許金峰

（華潤(rùn)電力溫州有限公司，浙江溫州325800）

針對(duì)華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)1 000 MW機(jī)組的汽輪機(jī)以及華能海門發(fā)電廠1 000MW機(jī)組在停機(jī)惰走發(fā)生的可傾瓦燒瓦案例，介紹了可傾瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)了超超1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)可傾瓦產(chǎn)生瓦溫突升的原因，提出了解決方案，為以后同類型汽輪機(jī)安裝、調(diào)試、運(yùn)行提供借鑒。

1 000 MW；超超臨界；低轉(zhuǎn)速；可傾瓦；處理

火電機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的工作可靠性對(duì)汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著舉足輕重的作用，雖然各發(fā)電廠在預(yù)防汽輪機(jī)燒瓦事故上采取了不少預(yù)防措施，但有些措施做得不徹底，加之突發(fā)性，燒瓦事件屢見(jiàn)不鮮。

以下結(jié)合華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠2臺(tái)1 000 MW東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)組在停機(jī)惰走中出現(xiàn)的可傾瓦燒瓦事故，以及華能海門發(fā)電廠曾發(fā)生的類似情況，進(jìn)行分析并提出處理措施。

1 汽輪機(jī)設(shè)備概況

華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)汽輪機(jī)均為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、四缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)型號(hào)：N1008-25/600/600型，額定出力1 008 MW，最大連續(xù)出力1 055 MW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組分別于2014年1月和6月正式投入商業(yè)運(yùn)行。

機(jī)組軸系由汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子A、低壓轉(zhuǎn)子B及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所組成，各轉(zhuǎn)子均為整體轉(zhuǎn)子，無(wú)中心孔，各轉(zhuǎn)子間用剛性聯(lián)軸器連接。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中1，2，3，4號(hào)為可傾瓦式軸承，采用6瓦塊結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置。5—10號(hào)為橢圓形軸承。推力軸承位于高壓缸和中壓缸之間的2號(hào)軸承座，采用傾斜平面式雙推力盤結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

汽輪機(jī)汽缸共設(shè)有3個(gè)死點(diǎn)，分別位于中壓缸和低壓缸A之間的軸承箱以及低壓缸A和低壓缸B的中心線附近，死點(diǎn)處的橫鍵限制汽缸的軸向位移，同時(shí)在前、中軸承箱及2個(gè)低壓缸的縱向中心線前后設(shè)有縱向鍵，引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹而限制橫向跑偏。

圖1 1 000MW汽輪機(jī)軸系分布示意

2 故障情況

2.1 故障一

2號(hào)機(jī)組某次啟動(dòng)時(shí)，22∶54，汽輪機(jī)在中速暖機(jī)后由于F磨煤機(jī)事故跳閘，手動(dòng)打閘汽輪機(jī)，主汽門關(guān)閉后汽輪機(jī)開(kāi)始惰走。23∶23，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速268 r/min，2號(hào)瓦溫度開(kāi)始上升至66.7℃。23∶24磨煤機(jī)故障處理完畢，點(diǎn)火投粉成功，重新掛閘沖轉(zhuǎn)；23∶27汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至337 r/min時(shí)，2號(hào)瓦溫度上升至113.5℃，立即手動(dòng)打閘。23∶28 2號(hào)瓦溫度達(dá)到最大值130.1℃。機(jī)組停運(yùn)后翻瓦檢查發(fā)現(xiàn)，2號(hào)瓦出現(xiàn)齒形磨損，鎢金部分碾磨嚴(yán)重，3號(hào)瓦也出現(xiàn)不同程度的磨損。

2.2 故障二

1號(hào)機(jī)組某次按照調(diào)度要求停運(yùn)。23∶30負(fù)荷86.6 MW，打閘汽輪機(jī)，主汽門關(guān)閉，汽輪機(jī)開(kāi)始惰走，轉(zhuǎn)速下降時(shí)各可傾瓦溫度顯示變化如表1所示。

表1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)各可傾瓦溫度

2號(hào)瓦溫度最高顯示為138℃，溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

2.3 故障三

圖2 1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)各可傾瓦在大機(jī)惰走時(shí)的溫度變化

相同類型機(jī)組事故：華能海門發(fā)電廠一期2× 1 000 MW機(jī)組，其中1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)后首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化機(jī)組。在某次汽輪機(jī)低速惰走過(guò)程中2號(hào)軸承瓦溫突升，最高達(dá)到149℃，3號(hào)、4號(hào)軸承瓦溫也伴隨有升高。

根據(jù)2次由閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)得到的升降曲線，從2號(hào)瓦溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線可以看出，在2次降速滑停過(guò)程中均發(fā)生了瓦溫突升：第1次滑停時(shí)在388 r/min下，2號(hào)瓦溫度突升至108℃，時(shí)間大約3 min；第2次滑停時(shí)在584 r/min下，2號(hào)瓦溫度突升至84℃；在轉(zhuǎn)速下降到381 r/min時(shí)，2號(hào)瓦溫度突升至149℃，時(shí)間大約6 min。在對(duì)可傾瓦增加頂軸油管路后，再次啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，后因磨煤機(jī)故障機(jī)組跳閘，機(jī)組惰走至0 r/min，因盤車手動(dòng)投不上，轉(zhuǎn)子完全靜止8 min后直接沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)至1 686 r/min，因3，7，8號(hào)瓦振動(dòng)大停機(jī)至0 r/min。汽輪機(jī)再次沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，穩(wěn)約20min后，3，4號(hào)瓦振動(dòng)突升約70μm，而后緩慢上升。因軸瓦振動(dòng)大而停機(jī)惰走過(guò)程中，在汽輪機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)3號(hào)軸承瓦溫出現(xiàn)突升現(xiàn)象。

華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠發(fā)生的1與2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)2號(hào)可傾瓦與相同類型的華能海門發(fā)電廠1號(hào)汽輪機(jī)組的2號(hào)可傾瓦在低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生燒瓦事故情況相類似，都是在機(jī)組停運(yùn)惰走或者沖轉(zhuǎn)至大約300 r/min時(shí)發(fā)生可傾瓦溫度突升而燒瓦。在機(jī)組打閘后惰走過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的下降，可傾瓦軸承溫度都會(huì)出現(xiàn)短暫的上升，繼而下降，但唯有2號(hào)軸承在轉(zhuǎn)速低于300 r/min時(shí)溫度發(fā)生突升。

3 可傾瓦的特點(diǎn)分析

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

可傾瓦通常由3～5塊或更多塊能在支點(diǎn)上自由傾斜的弧形巴氏合金瓦塊組成。瓦塊在工作時(shí)可以隨轉(zhuǎn)速、載荷及軸承溫度的不同而自由擺動(dòng)，在軸徑四周形成多個(gè)油楔。每一塊瓦塊通過(guò)其背面的球面銷及墊片支撐在軸承套中，瓦塊可以繞其球面支撐銷擺動(dòng)；軸承中分面上部瓦塊、背面分別裝有彈簧，從瓦塊一端壓迫瓦塊，人為地建立油楔。潤(rùn)滑油從各瓦塊之間的間隙進(jìn)入軸承，從軸承的兩端油封環(huán)開(kāi)孔處排出。

如果忽略瓦塊的慣性，支點(diǎn)的磨擦力及油膜剪切內(nèi)磨擦力等的影響，每個(gè)瓦塊作用到軸徑上的油膜作用力總是通過(guò)軸徑的中心，不會(huì)產(chǎn)生引起軸徑渦動(dòng)的失穩(wěn)力，因此具有較高的穩(wěn)定性，理論上可以完全避免油膜震蕩的產(chǎn)生。

另外，由于瓦塊可以自由擺動(dòng)增加了支撐柔性，還具有吸收轉(zhuǎn)軸振動(dòng)能量的能力，即具有很好的減振性。可傾瓦剖面圖如圖3所示。

圖3 可傾瓦軸承剖面示意

3.2 可傾瓦的缺點(diǎn)

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，可傾瓦有許多優(yōu)點(diǎn)，可傾瓦軸承在穩(wěn)定性、承載力及功耗等性能方面均居各種支持軸承之首，三油楔軸承、橢圓軸承次之，圓筒形軸承最差。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝檢修較困難、成本較高。可傾瓦尚有以下缺陷：

（1）瓦塊鎢金磨損嚴(yán)重時(shí)需要更換瓦塊。

（2）調(diào)整墊片或銷磨損嚴(yán)重，凸面磨損或墊片碎裂時(shí)需要更換新銷與墊片。

（3）機(jī)組大修找中心軸瓦位置需要大幅調(diào)整，軸承墊鐵接觸不良，振動(dòng)大等。

3.3 可傾瓦的穩(wěn)定動(dòng)壓油膜

可傾瓦軸承潤(rùn)滑油膜中的壓力分布p（x，z），服從二維變粘度雷諾方程：

式中：h（x）為油膜厚度分布；m為其函數(shù)形式取決于軸頸工作時(shí)的偏心率；μ（x）為粘度分布；U為圓周速度，U=ωr；ω為角速度；r為軸頸半徑；x，z為軸承工作面上的周向和軸向坐標(biāo)。

式（1）壓力分布的合力即為油膜的承載力，由式（1）可看出，建立穩(wěn)定的動(dòng)壓油膜需具備的3個(gè)條件：

（1）相對(duì)運(yùn)動(dòng)2表面必須形成一個(gè)收斂楔形。

（2）被油膜分開(kāi)的2個(gè)表面必須有一定的相對(duì)滑動(dòng)速度v，其運(yùn)動(dòng)方向必須使?jié)櫥蛷拇罂诹鬟M(jìn)，小口流出。

（3）潤(rùn)滑油必須有一定的粘度，供油要充分。

同時(shí)可以看出楔形間隙進(jìn)出口截面油膜厚度之比越大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v越大，液體粘度越高，油膜承載能力越大。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸頸與軸瓦低部2個(gè)摩擦表面在相互滑動(dòng)時(shí)，每個(gè)表面都帶動(dòng)著1個(gè)附著油膜，形成2個(gè)摩擦表面之間的液體摩擦，這個(gè)壓力很高的油膜支撐著轉(zhuǎn)子重量在軸瓦中的滑動(dòng)。由滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的原理得知：軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小是油膜形成的一個(gè)關(guān)鍵原因，轉(zhuǎn)速低時(shí)形成的油膜厚度較薄且承載能力較差。

（2）制定相應(yīng)的優(yōu)惠政策。如高速公路服務(wù)區(qū)旅游廁所建設(shè)減免收投資許可證、行政事業(yè)單位免收公廁拆遷建設(shè)管理費(fèi)用等。

4 可傾瓦軸承燒瓦分析

瓦溫突升基本發(fā)生在汽輪機(jī)打閘后惰走至300 r/min左右，由于轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)潤(rùn)滑油油膜作用小。

華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠1號(hào)汽輪機(jī)惰走時(shí)1，3，4號(hào)溫度都在隨著轉(zhuǎn)速下降而下降，唯有2號(hào)瓦在低轉(zhuǎn)速時(shí)溫度突然上升，由于2號(hào)瓦比壓最大，在油膜失效后，軸頸與瓦塊鎢金之間發(fā)生了直接剛性摩擦，造成軸瓦磨損。

在汽輪機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子切向速度下降，受重力作用，軸頸下沉，使可傾瓦的徑向半徑太小，瓦塊潤(rùn)滑油進(jìn)油通道變小，進(jìn)油量不足，造成斷油。

由于1—4號(hào)瓦缺少頂軸油油路設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速下降后，油膜變薄，油質(zhì)中存在固體顆粒進(jìn)一步破壞潤(rùn)滑效果，使液體摩擦變成顆粒摩擦，導(dǎo)致軸頸與鎢金表面遭到破壞，軸頸也發(fā)生劃傷。在2號(hào)機(jī)組翻瓦時(shí)發(fā)現(xiàn)2號(hào)瓦有齒狀劃痕，同時(shí)在軸承濾網(wǎng)處發(fā)現(xiàn)有固體顆粒物，說(shuō)明有硬質(zhì)固體顆粒卡在軸頸與軸瓦之間，在旋轉(zhuǎn)的軸頸帶動(dòng)下，隨旋轉(zhuǎn)劃傷了軸頸與鎢金，進(jìn)一步加劇惡化了油膜的壓力分布，最終導(dǎo)致軸承鎢金被碾壓直至破壞，見(jiàn)圖4，5。

圖4 2號(hào)汽輪機(jī)2號(hào)軸頸磨損

圖5 2號(hào)汽輪機(jī)2號(hào)可傾瓦磨損

2臺(tái)機(jī)組都是在低轉(zhuǎn)速（300 r/min左右）發(fā)生2號(hào)可傾軸承燒瓦事件，但是其他可傾瓦都沒(méi)有明顯的溫度上升趨勢(shì)，機(jī)組振動(dòng)也未見(jiàn)明顯增大趨勢(shì)，說(shuō)明汽輪機(jī)軸系的設(shè)計(jì)上，2號(hào)瓦在低轉(zhuǎn)速下所受的壓比為最大，軸頸與軸瓦之間的油膜變稀薄，距離更為靠近，此時(shí)若油中存在不合格的顆粒物，很容易在低轉(zhuǎn)速下卡在軸頸與瓦之間，在軸頸旋轉(zhuǎn)中，出現(xiàn)齒狀的的碾磨。

5 防止可傾瓦燒瓦的預(yù)防處理措施

（1）摩擦檢查轉(zhuǎn)速調(diào)整。將汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)摩擦檢查轉(zhuǎn)速由200 r/min改為600 r/min，即汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，先以100 r/min的升速率升速至600 r/min，保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定進(jìn)行摩擦檢查。

（2）高壓缸正暖方式調(diào)整。汽輪機(jī)正暖方式調(diào)整為600 r/min摩擦檢查結(jié)束后，直接由中調(diào)門控制轉(zhuǎn)速升速至1 500 r/min，然后在工程師站手動(dòng)開(kāi)啟高調(diào)門至暖缸開(kāi)度（根據(jù)實(shí)際情況確定開(kāi)度），進(jìn)行高壓缸正暖。

（3）潤(rùn)滑油溫度控制。汽輪機(jī)啟動(dòng)期間，轉(zhuǎn)速＜1 500 r/min時(shí)，控制主機(jī)潤(rùn)滑油溫度在32℃左右，轉(zhuǎn)速≥1 500 r/min時(shí)，油溫按正常運(yùn)行油溫控制在38~45℃，啟機(jī)階段油溫控制均采取手動(dòng)設(shè)定目標(biāo)油溫方式控制油溫。汽輪機(jī)停機(jī)期間當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min下降至2 500 r/min時(shí)，自動(dòng)向主機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器出水調(diào)節(jié)門發(fā)出目標(biāo)油溫32℃的指令，自動(dòng)控制油溫，期間加強(qiáng)對(duì)油溫的監(jiān)視，必要時(shí)手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)，確保轉(zhuǎn)速＜1 500 r/min時(shí)，潤(rùn)滑油溫控制在32℃左右。

（4）汽輪機(jī)惰走控制。汽輪機(jī)停機(jī)惰走期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各軸瓦金屬溫度下降情況做對(duì)比（重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)2號(hào)軸瓦金屬溫度的監(jiān)視），若發(fā)生軸瓦金屬溫度出現(xiàn)異常升高或下降趨勢(shì)與其他存在明顯差異時(shí)，視情況調(diào)整凝汽器真空（緊急情況下可按破壞真空緊急停機(jī)處理），盡量縮短惰走時(shí)間。

（5）加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油質(zhì)的監(jiān)視，特別是在機(jī)組啟停時(shí)保證潤(rùn)滑油品質(zhì)，及時(shí)投入潤(rùn)滑油凈化裝置，特別在汽輪機(jī)停運(yùn)前，加強(qiáng)對(duì)油質(zhì)的取樣化驗(yàn)檢查。

（6）封堵1個(gè)回油孔或者縮小回油孔徑，保證軸頸浸油深度，以保證油膜厚度與冷卻效果。

（7）聯(lián)系廠家改變可傾瓦瓦片弧度，增大進(jìn)油量，提升冷卻效果。2號(hào)汽輪機(jī)可傾瓦已經(jīng)改成進(jìn)出油面間隙大一點(diǎn)的可傾瓦版本，從幾次啟停機(jī)情況來(lái)看，未發(fā)生汽輪機(jī)惰走時(shí)發(fā)生的瓦溫突升現(xiàn)象，效果有待繼續(xù)觀察。

（8）給1—4號(hào)軸承增設(shè)一頂軸油路，但會(huì)出現(xiàn)一些負(fù)面的因素，如加頂軸油路后管道會(huì)出現(xiàn)滲油，頂軸油壓加入會(huì)導(dǎo)致可傾瓦瓦片擺動(dòng)受阻卡澀等情況。

6 結(jié)語(yǔ)

華潤(rùn)蒼南發(fā)電廠2臺(tái)汽輪機(jī)可傾瓦燒瓦事故與華能海門發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組燒瓦情況類似，通過(guò)對(duì)瓦塊改造，保證低轉(zhuǎn)速下油膜厚度，能提高潤(rùn)滑油冷卻效果，在多次啟停機(jī)的過(guò)程中未再發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低速時(shí)可傾瓦溫度發(fā)生突升情況，取得了明顯的效果。

[1]喬廣.轉(zhuǎn)子可傾瓦軸承系統(tǒng)完全動(dòng)力模型及穩(wěn)定性分析[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2007.

[2]胡代舜.大型汽輪機(jī)事故及預(yù)防[J].電力安全技術(shù)，1999（2）∶5-7.

Analysis and Treatment on Bearing Pad Burning of Steam Turbine w ith Low Rotational Speed of 1 000 MW Ultra-supercritical Generating Units

JIANG Xudong，XU Jinfeng
（China Resources Power（Wenzhou）Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325800，China）

Through cases of tilting bearing pad burning in steam turbines of 1 000MW units No.1 and No.2 of China Resources Cangnan Power Plant as well as 1 000 MW units of Huaneng Haimen Power Plant during stop idling，the paper introduces structural characters of titling bearing pad burning；besides，it summarizes reasons of sudden temperature rise of tilting bearing pad at low rotating speed of steam turbines of 1 000 MW ultra-supercritical units，and presents solutions providing the same type of steam turbines with installation,commissioning and operation reference.

1 000MW；ultra-supercritical；low rotating speed；tilting pad；process

TK267

B

1007-1881（2016）01-0042-04

2015-06-09

蔣序東（1982），男，助理工程師，從事發(fā)電廠集控運(yùn)行工作。