王建峰

某余熱電站C 4.5-3.43/0.5汽輪機推力瓦燒損事故的原因分析及處理

Causes and Solutions for Burning Accident of C4.5-3.43/0.5 Steam TurbineThrust Bearing Pad in a Waste Heat Power Station

王建峰

針對某余熱電站抽汽凝汽式汽輪機運行中出現(xiàn)的六次推力瓦燒損現(xiàn)象，根據(jù)機組發(fā)生事故時的各項參數(shù)的變化，即旋轉(zhuǎn)隔板行程和抽汽管道內(nèi)的壓力突然變化和推力瓦溫度的急劇升高，結(jié)合DCS系統(tǒng)記錄的曲線進行各次事故的追溯，做出分析判斷，找出導致機組推力瓦燒損的原因，并綜述設(shè)計和安裝等方面因素的影響，提出機組預防推力瓦燒損和解決問題的處理方法。

抽汽凝汽式汽輪機；推力瓦燒損；中壓油動機行程；旋轉(zhuǎn)隔板；抽汽壓力；軸向推力

1　概述

某余熱發(fā)電工程是利用碳素生產(chǎn)線排放的廢氣余熱建設(shè)的中溫中壓余熱發(fā)電機組。其汽輪機系國產(chǎn)C4.5-3.43/0.5型號單缸、抽汽凝汽式汽輪機。主要設(shè)計參數(shù)如下：

新蒸汽壓力為3.43MPa，新蒸汽溫度為435℃，額定功率4.5MW。最大抽汽運行工況時，進汽量為23t/h，抽汽壓力為0.5MPa（a），抽汽量為12t/h。

機組自首次并網(wǎng)發(fā)電后，純凝工況運行。自機組準備第一次投入抽汽系統(tǒng)，中壓油動機（帶動旋轉(zhuǎn)隔板）突然關(guān)閉動作，導致推力瓦溫度迅速升高，鎢金燒損，中壓油動機行程連續(xù)出現(xiàn)三次從全開狀態(tài)100%到10%的突然動作（即旋轉(zhuǎn)隔板接近于關(guān)閉狀態(tài)），導致推力瓦鎢金溫度迅速升高造成燒損，共發(fā)生六次推力瓦燒損事故。

2　機組推力瓦燒損后的檢查情況和運行工況簡述

機組共進行了兩次揭缸檢查和處理（即推力瓦第二次和第四次燒損后）。

（1）機組純凝工況運行。準備第一次投入抽汽系統(tǒng)時，打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505發(fā)任何操作指令。中壓油動機行程瞬間動作，由100%關(guān)小至14%；同時，抽汽壓力迅速上升至1.0MPa，推力瓦溫由44℃迅速上升至100℃，軸向位移由0.36mm迅速上升至1.5mm，軸移報警并跳閘。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機瞬間幾乎滿行程關(guān)閉，導致旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉，抽汽壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大。

（2）機組純凝工況運行。打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥，準備第二次投入抽汽系統(tǒng)。在505發(fā)中壓油動機操作指令，中壓油動機無動作，隨后油動機行程瞬間又從100%關(guān)小至10%，抽汽壓力迅速上升，推力瓦溫迅速上升至120℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：因第一次燒瓦后，旋轉(zhuǎn)隔板迅速關(guān)閉，導致旋轉(zhuǎn)隔板與油動機連接裝置卡澀，動作不靈活，未做處理，再次試投抽汽時，瞬間全關(guān)，出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，抽汽壓力和軸向推力瞬間增大。

（3）汽機揭缸，對旋轉(zhuǎn)隔板與油動機連接裝置的卡澀問題進行了處理。機組純凝工況運行。電負荷為3MW，關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)，準備第三次投入汽輪機抽汽。在無任何操作、中壓油動機無任何動作及抽汽壓力無任何變化的工況下，推力瓦溫突然升高至120℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

（4）因幾次故障原因不明，所以在機組啟動后，一直未投入抽汽系統(tǒng)。機組大修前，投抽汽試驗。打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505發(fā)任何操作指令，中壓油動機行程瞬間由100%關(guān)小至8%。同時，抽汽壓力迅速上升，瓦溫迅速上升至150℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機瞬間幾乎滿行程關(guān)閉，導致旋轉(zhuǎn)隔板全關(guān)，抽氣口壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大。

（5）汽機揭缸檢查。機組試投自動方式抽汽運行時，在505上手動操作調(diào)節(jié)中壓油動機行程。當油動機行程逐漸減小，抽汽壓力逐漸增大時（最高0.497MPa），推力瓦溫迅速升高至118℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：抽汽壓力過大導致軸向推力大，推力瓦溫迅速升高并燒損鎢金。

（6）汽封管道改造方案。將接到抽汽管道上前軸封的第三段漏汽改接至減溫減壓器，以減小汽機的正向推力。機組試投自動方式抽汽運行時，電負荷波動較大。為機組的安全考慮，改為采用控制閥位運行，即控制閥位不變，靠調(diào)節(jié)抽汽手動閥來控制抽汽壓力的方式運行，抽汽壓力、抽汽量顯示均平穩(wěn)正常。經(jīng)3個月的運行，抽汽壓力突然由0.25MPa上升至0.42MPa，中壓油動機行程由設(shè)定的38%關(guān)小至10%，說明旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉，但505控制器油動機行程仍為38%未變。在505操作將中壓油動機行程調(diào)為80%，此時現(xiàn)場油動機行程為80%，恢復正常。為檢驗調(diào)整是否可靠，在505將中壓油動機行程由80%調(diào)為70%，此時現(xiàn)場中壓油動機行程關(guān)小至10%；再次在505操作調(diào)整油動機行程，恢復正常。為保證機組安全，退出抽汽，純凝工況運行。中壓油動機行程突然由100%關(guān)小至10%，抽汽壓力迅速升高，推力瓦溫迅速升至120℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)8只推力瓦鎢金均局部燒損。

原因初步分析：中壓油動機行程三次從100%關(guān)小至10%，關(guān)小迅速、沖擊大，至推力瓦溫迅速升高。在505未發(fā)操作指令的情況下（特別是第三次已處于純凝工況），中壓油動機行程出現(xiàn)三次關(guān)小問題，其原因有待進一步分析。

圖1　汽封管道原設(shè)計

3　機組推力瓦燒損的原因分析及檢查發(fā)現(xiàn)的問題

（1）從燒瓦情況簡述和停機后對機組各項參數(shù)所進行的故障追溯可以看出，第一、第四、第六次均有共同點：打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥，未在505上發(fā)指令，但中壓油動機瞬間滿行程動作，導致旋轉(zhuǎn)隔板全關(guān)，抽汽壓力瞬間增大，軸向推力瞬間增大，推力瓦燒損。

第二次推力瓦燒損原因基本同上。其區(qū)別是，由于第一次燒瓦時旋轉(zhuǎn)隔板迅速關(guān)閉，導致旋轉(zhuǎn)隔板與油動機連接裝置卡澀，旋轉(zhuǎn)隔板動作不靈活。

第五次推力瓦燒損原因是，隨著抽汽壓力的增大（最高至0.497MPa），正向推力增大，推力瓦溫迅速升高并燒損。

第五次燒瓦后，為了減小汽輪機的軸向推力，按汽封管道改造方案，將接到抽汽管道上前軸封的第三段漏汽改接至汽輪機減溫減壓器。

只有第三次推力瓦燒損原因較為復雜，這是在未打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥及中壓油動機無任何動作的工況下發(fā)生的推力瓦燒損。分析認為，其主要原因是，在關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)的蒸汽后，其蒸汽流量全部加在汽輪機，致使汽輪機軸向推力增加。這次燒瓦使我們對推力軸承安全系數(shù)的設(shè)計取值是否合理產(chǎn)生了疑問。

（2）在第六次燒瓦后的停機前，打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥，DDV閥和中壓油動機行程均不動作，二次脈沖油無油壓。一段時間后二次脈沖油壓又恢復正常。

幾次停機后進行靜態(tài)試驗，在打開中壓油動機至DDV閥油管路上的泄油閥時，中壓油動機有時會出現(xiàn)瞬間全開或全關(guān)。

解體檢查該處油管路通暢無堵塞。分析認為，這是不明電信號的干擾所致。正是這種導致中壓油動機動作的脈沖油壓變化的不明干擾信號的多次突發(fā)現(xiàn)象，造成中壓油動機非正常關(guān)閉。

（3）汽封管道設(shè)計不合理。

從圖1可以看出，原設(shè)計中汽封的第三段漏汽接至抽汽管道。

第五次燒瓦后的改造方案見圖2。從圖2可以看出，汽封管道改造后，汽封的第三段漏汽改接至減溫減壓器。改造后，油動機突然關(guān)閉時抽汽壓力隨之突升的現(xiàn)象得到了改善。

在汽封管道改造前，查曲線圖記錄發(fā)現(xiàn)，在抽汽壓力＞0.5MPa時出現(xiàn)過燒瓦。在汽封管道改造后，查運行曲線圖追溯記錄，當抽汽壓力≥1.0MPa時才會出現(xiàn)燒瓦。

在機組發(fā)生第六次推力瓦燒損事故后，因故未立即停機，繼續(xù)運行5天后才停機處理。燒瓦前原軸移14μm，軸移變?yōu)?8μm，振動值正常，推力瓦溫度約60℃以上，這說明由于汽封管道改進后，軸向推力減小，在中壓油動機突然關(guān)閉后，瓦燒損的程度有所減輕。

（4）抽汽管道的安全閥位置和安全閥起跳壓力設(shè)置不合理。

圖2　汽封管道改造

從圖3可以看出，汽機抽汽出口順序布置為：水控速關(guān)閥、水控逆止閥、手動閘閥和彈簧安全閥。投入抽汽時，關(guān)小手動閥調(diào)整壓力，由于關(guān)小手動閥，阻力增加，致使閥后管道內(nèi)的壓力傳遞速度緩慢，也就會使安全閥的起跳反應(yīng)速度緩慢。

查運行曲線圖記錄追溯，汽封管道改造前，當抽汽壓力＞0.497MPa時，就會出現(xiàn)燒瓦。汽封管道改造后，當抽汽壓力＞1.0MPa時，也會出現(xiàn)燒瓦。并且抽汽壓力從0.7MPa上升至1.0MPa，所需時間一般僅為3s左右，速度較快。安全閥的反映速度稍慢即出現(xiàn)燒瓦。

圖4為建議的抽汽管道改造方案。從圖4可以看出，安全閥直接布置在汽機抽汽出口處，目的是當抽汽壓力出現(xiàn)較大變化時，保證安全閥起跳迅速，避免軸向推力的迅速增大。

抽汽設(shè)計壓力為0.5MPa（a），安全閥的起跳壓力設(shè)置為0.7MPa。而安全閥廠家的設(shè)置一般是按表壓力設(shè)置的，即起跳壓力實際為0.8MPa（a），起跳值過大，在抽汽壓力增大，即軸向推力隨之增大時，顯然難以起到保護作用。

（5）機組推力間隙大。

測量檢查發(fā)現(xiàn)，機組推力間隙為0.78mm，顯然超過0.30～0.40mm的正常值。檢查推力盤平面基本無磨損，瓢偏測量值為＜0.02mm，說明不是由于推力瓦燒損并磨損推力盤造成的推力間隙增大。顯然，推力間隙過大屬于機組的安裝缺陷。

我們知道，機組推力間隙值的嚴重超標，對機組的安全運行所造成的影響無疑是嚴重的。這會使機組在負荷即軸向推力突變，特別是驟然甩負荷時造成推力盤反彈，瞬間沖擊非推力瓦塊。間隙越大，沖擊的動能越大，嚴重時會造成轉(zhuǎn)子動靜摩擦。

圖3　抽汽管道原設(shè)計

圖4　抽汽管道的改造

由上述分析可知，機組推力間隙值的嚴重超標，在機組驟然甩負荷時，僅會使瞬間沖擊非工作瓦塊的動能增大，對工作瓦塊影響似乎不大。然而在實際運行工況中，同樣會瞬間沖擊工作瓦塊。這是因為中壓油動機行程如果經(jīng)歷突然關(guān)閉、開啟、再關(guān)閉時，推力盤會先沖擊工作瓦，反彈沖擊非工作瓦，再沖擊工作瓦。

需要關(guān)注的是，上述推力盤的再沖擊工作瓦，則是以推力間隙（0.78mm）行程的沖擊動能來進行轉(zhuǎn)子的往復運動，即推力間隙值的嚴重超標，也同樣會以非正常的動能沖擊工作瓦。

這一問題的處理可結(jié)合通流間隙的調(diào)整，采用調(diào)整非推力瓦塊支持環(huán)后邊墊片的厚度的方法，來保證推力盤合理的推力間隙。

4　改善機組軸向推力變化的消缺處理

（1）推力瓦燒損基本都是在油動機突然關(guān)閉后造成的。為避免中壓油動機出現(xiàn)滿行程關(guān)閉的誤動作，其處理方案為，在油動機活塞上增加行程限位裝置，限位高度為35mm，中壓油動機只能在100%～35%范圍內(nèi)動作，則旋轉(zhuǎn)隔板最大只能關(guān)閉65%，即不能繼續(xù)關(guān)閉，從而避免了抽汽壓力的繼續(xù)升高，軸向推力增大。

抽汽設(shè)計參數(shù)為0.5MPa，12t/ h。根據(jù)運行記錄曲線追溯，當旋轉(zhuǎn)隔板完全關(guān)閉后，抽汽壓力一度上升至1.0MPa。因此認為，正常抽汽工況運行時沒有必要完全關(guān)閉旋轉(zhuǎn)隔板。

（2）如前所述，導致中壓油動機動作的脈沖油壓變化的不明電信號的多次突發(fā)干擾現(xiàn)象，造成中壓油動機非正常關(guān)閉。為了消除和屏蔽掉干擾信號，在505控制器至執(zhí)行器輸出的4～20mA電流的線路中，增加了信號隔離器。

（3）根據(jù)運行記錄曲線追溯，推力瓦溫度有至103℃時即出現(xiàn)燒瓦的記錄，為此增加了推力瓦溫度高的跳閘聯(lián)鎖保護，設(shè)置當推力瓦溫度＞90℃時機組跳閘。追溯燒瓦后溫度曲線，從90℃上升至103℃的時間僅為3s左右，應(yīng)修改為，當推力瓦溫度＞85℃時機組跳閘。

（4）抽汽安全閥的整改方案為，取消水控速關(guān)閥，因為水控速關(guān)閥和水控逆止閥都是保護閥，速關(guān)閥的作用是停機后迅速關(guān)閉，防止蒸汽倒流，逆止閥的作用也是防止蒸汽倒流導致汽輪機超速。在原速關(guān)閥處加一安全閥，設(shè)置起跳壓力為0.45MPa。

經(jīng)查供汽壓力曲線追溯記錄，一般為0.25MPa時即可保證供暖，因此設(shè)置安全閥0.45MPa的起跳壓力是較合理的。在增加新的安全閥后，再投入汽輪機抽汽。

5　幾點認識

（1）旋轉(zhuǎn)隔板油動機行程增加限位后，在電信號上也應(yīng)設(shè)置DDV閥與油動機最小行程改為一致（100%～35%），并應(yīng)由電調(diào)人員指導，進行抽汽自動的投入工作。

（2）推力軸承安全系數(shù)的設(shè)計取值偏小。

正常的抽汽機組，在關(guān)閉主汽旁路減溫減壓系統(tǒng)的蒸汽后，即其蒸汽流量全部加在汽輪機上，汽輪機軸向推力即使一度增加，也不會燒損推力瓦。然而根據(jù)機組的第三次燒瓦情況可以看出，推力瓦自身存在缺陷。

我們知道，推力軸承的作用是平衡軸向推力，保證轉(zhuǎn)子與隔板等靜止部件的相對定位并穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。由汽輪機原理可知，推力軸承的安全系數(shù)n與推力瓦塊的承壓面積A、推力瓦塊所能承受的壓力P成正比，與作用在動葉上的軸向推力FZ1、作用在葉輪輪面上的軸向推力FZ2、作用在軸的凸肩上的軸向推力FZ3成反比。推力軸承的安全系數(shù)n設(shè)計值一般為：

由式（1）可知，當總的軸向推力和推力瓦塊所能承受的壓力P為已知的設(shè)計值時，就可以確定選取推力瓦塊的承壓面積A。因推力瓦塊結(jié)構(gòu)受軸承箱內(nèi)的相對空間限制的原因，對增大布置推力瓦塊的承壓面積有一定限制。

4.5MW規(guī)格的汽輪機是非標產(chǎn)品，如果是在3MW汽輪機規(guī)格的基礎(chǔ)上改進，則推力軸承就應(yīng)核算安全系數(shù)n。

顯然，汽封管道改造后，軸向推力減小，也是提高推力軸承的安全系數(shù)的一種方式。

（3）將中壓油動機出現(xiàn)的突然關(guān)閉現(xiàn)象解釋為由于卡澀所致有些牽強，卡澀只是其中可能的原因之一。在汽輪機停機后做靜態(tài)試驗時，二次脈沖油壓一度莫名消失，后來又莫名恢復，即說明問題的復雜。另一解釋為505出現(xiàn)的死機現(xiàn)象，也同樣難以令人信服。

［1］馮慧雯.汽輪機課程設(shè)計參考資料［M］.水力電力出版社，1991.

［2］康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理［M］.中國電力出版社，2000.

TQ172.622.22

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