王 行,豆中州,孫首珩,司瑞才

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021)

汽輪機(jī)推力瓦的主要作用是平衡汽輪機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的軸向推力，使汽輪機(jī)通流部分保持動靜間隙，推力瓦塊磨損問題直接關(guān)系到汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前，絕大多數(shù)汽輪機(jī)推力瓦處均設(shè)置多個推力瓦溫度和軸向位移測點(diǎn)，用于監(jiān)測及分析汽輪機(jī)推力瓦運(yùn)行狀態(tài)[1]。若汽輪機(jī)推力瓦溫度長期超限運(yùn)行，極易導(dǎo)致推力瓦塊磨損甚至燒損，將造成汽輪機(jī)組設(shè)備重大損壞事故 。

1 機(jī)組概況

某300 MW汽輪機(jī)組為單軸、雙缸雙排汽、亞臨界、凝汽式汽輪機(jī)組，型號為N300-16.7/0.8/537/537，曾在2011年進(jìn)行通流部分改造。該汽輪機(jī)推力瓦工作面和非工作面分別裝有6塊推力瓦塊，各瓦塊裝在支承環(huán)內(nèi)由調(diào)整塊支承，并由定位銷實(shí)現(xiàn)支承定位。該機(jī)組配備唯一功率輸出線路，未配置備用輸出線路。

2 問題描述

20190724T20:08:22，事件發(fā)生前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)荷255.1 MW，轉(zhuǎn)速3 001 r/min，采用順序閥方式運(yùn)行，各高壓調(diào)節(jié)閥門(GV)GV1開度98.9%，GV2開度99.2%，GV3開度49.1%，GV4開度0.9%，GV5開度0.6%，GV6開度100%，中壓調(diào)節(jié)閥門(IV)IV1開度99.8%，IV2開度99.3%。

20:08:26，因惡劣天氣影響造成唯一功率輸出線路斷路器跳閘，但該機(jī)組發(fā)電機(jī)油斷路器未跳閘，造成機(jī)組在近80%額定負(fù)荷工況下甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速飛升至3 182 r/min，觸發(fā)超速保護(hù)控制單元(OPC)保護(hù)動作，高壓和中壓調(diào)節(jié)閥門(以下簡稱調(diào)門)迅速關(guān)閉，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)至3 000 r/min。

20:08:37，負(fù)荷突升至96.7 MW，轉(zhuǎn)速再次飛升至3 070 r/min，各調(diào)門GV1開度98.8%，GV2開度99.1%，GV3開度99.8%，GV4開度100%，GV5開度19.2%，GV6開度100%，IV1開度10.7%，IV2開度10.5%。

20:08:38，轉(zhuǎn)速升至3 099 r/min，觸發(fā)OPC動作，各調(diào)門再次迅速關(guān)閉。

此后機(jī)組負(fù)荷和轉(zhuǎn)速按上述過程反復(fù)波動共計10次，其中負(fù)荷波動幅度最大一次在2 s時間內(nèi)由16.38 MW突增至112.28 MW。在此期間汽輪機(jī)高壓調(diào)門開度在0～100%，而中壓調(diào)門開度在0～11%不斷重復(fù)開關(guān)過程。

20:09:52，該機(jī)組軸向位移瞬間由0.209 mm突增至2.005 mm，機(jī)組跳閘，首出為軸向位移大汽輪機(jī)主保護(hù)動作。

2019年7月25日，現(xiàn)場對推力瓦解體后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)瓦塊烏金局部磨損嚴(yán)重，磨損瓦塊均位于工作面，瓦塊烏金未發(fā)生脫胎或變形情況。

3 事件分析

3.1 軸向推力平衡原理

汽輪機(jī)在運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生由高壓側(cè)向低壓側(cè)的軸向推力，這部分推力主要由蒸汽通過動葉時產(chǎn)生的推力，轉(zhuǎn)子葉輪和軸封凸肩等處兩側(cè)的壓差下產(chǎn)生的軸向推力[2]。為減小軸向推力，目前高中壓合缸機(jī)組采用反向布置，低壓缸采用對稱雙分流布置，并在高中壓轉(zhuǎn)子間設(shè)計高中壓平衡盤結(jié)構(gòu)以平衡運(yùn)行中的軸向不平衡力，但仍有部分軸向推力會通過平衡盤作用在推力瓦上，若推力瓦形成油膜剛度差或軸向推力超限將會造成推力瓦塊磨損[3]。

3.2 推力瓦塊超溫和磨損原因分析

國內(nèi)外發(fā)生推力瓦塊溫度超標(biāo)或磨損問題有很多，是比較典型的汽輪機(jī)設(shè)備損壞事件，一般造成推力瓦塊溫度過高或磨損的原因如下。

a.設(shè)備設(shè)計或制造不合理，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)本身造成在帶大負(fù)荷運(yùn)行一定時間后出現(xiàn)異常。

b.安裝工藝或精度差，如將工作面推力瓦塊裝至非工作面會導(dǎo)致潤滑油未形成有效油膜即回至回油槽[4]。

c.機(jī)組變工況下運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)重偏離設(shè)計值。

該機(jī)組已經(jīng)歷長期考驗(yàn)，設(shè)備制造及安裝等方面存在問題的可能性很小，因此首先著重對事件發(fā)生過程機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，事件過程中負(fù)荷、轉(zhuǎn)速及各調(diào)門開度等參數(shù)變化情況見表1。

由表1可見，事件發(fā)展過程存在以下幾個特點(diǎn)：輸出線路故障后機(jī)組負(fù)荷及轉(zhuǎn)速出現(xiàn)頻繁振蕩；汽輪機(jī)軸向位移隨負(fù)荷突增而增大，負(fù)荷突降時軸向位移略有減小，但總體趨勢持續(xù)增大，推力瓦工作面(電端)逐漸溫度升高；在每次負(fù)荷突增時高壓調(diào)門接近全開，中壓調(diào)門均開至10%左右全行程位置，其運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計工況。

此外，排查主再熱壓力、汽溫、各監(jiān)視段溫度、壓力、上下缸進(jìn)水檢測點(diǎn)、真空、潤滑油供回油溫、油壓、軸振、脹差、絕對膨脹等參數(shù)后均未發(fā)現(xiàn)其他事故因素。結(jié)合以上特征及汽輪機(jī)軸向推力分布原理，綜合分析認(rèn)為該推力瓦塊磨損事件主要有三個原因。

一是，機(jī)組OPC動作解除后，機(jī)組仍按照正常指令增加負(fù)荷導(dǎo)致高壓主汽門和中壓主汽門迅速開啟，而高壓調(diào)門開啟速度明顯快于中壓調(diào)門，導(dǎo)致高、中壓缸進(jìn)汽量匹配嚴(yán)重失衡，引起軸向推力增大嚴(yán)重超出設(shè)計范圍。例如，第一次突增負(fù)荷時，汽輪機(jī)各個高壓調(diào)門反饋跟指令一致，但是中壓調(diào)門指令為100%，實(shí)際開度只達(dá)到10%(各調(diào)門開度變化見表1)。

表1 事件過程主要參數(shù)變化

二是，機(jī)組在此種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)多次，使軸向位移逐漸增大，推力瓦工作面瓦溫逐漸上升，多次軸向推力過大導(dǎo)致推力瓦磨損量逐漸增大。

三是，汽輪機(jī)電調(diào)控制邏輯中未設(shè)計電網(wǎng)故障控制措施，當(dāng)機(jī)組電網(wǎng)輸出開關(guān)跳閘后應(yīng)切換至轉(zhuǎn)速控制方式，避免機(jī)組負(fù)荷多次振蕩。

4 處理措施及建議

通過以上分析可知，本次推力瓦磨損事件的主要原因?yàn)槭鹿薁顟B(tài)下機(jī)組在嚴(yán)重偏離設(shè)計工況下運(yùn)行，軸向推力明顯超出推力瓦平衡范圍，機(jī)組負(fù)荷多次振蕩不斷加劇推力瓦磨損程度?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果采取處理措施如下。

a.更換推力瓦工作面磨損瓦塊，并將前箱殘留的鎢金碎末清理干凈，保證過濾潤滑油油質(zhì)合格。

b.建議完善電調(diào)控制邏輯，調(diào)整高、中壓調(diào)門動作速度匹配，在未跳閘情況下超速保護(hù)動作時應(yīng)切換至轉(zhuǎn)速控制，避免機(jī)組負(fù)荷和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)頻繁振蕩。

c.建議增設(shè)輸出線路零功率保護(hù)，其主要功能為在輸出線路故障時保護(hù)動作將發(fā)電機(jī)解列，使機(jī)組安全停機(jī)，避免事故擴(kuò)大。

該案例中機(jī)組在緊急事故狀態(tài)下負(fù)荷出現(xiàn)反復(fù)大幅度波動情況較為典型，對機(jī)組設(shè)備安全危害極大。此類事故發(fā)生后及時手動打閘停機(jī)，保證機(jī)組安全停運(yùn)是將事故損失降到最低的有效手段，但需要在場指揮人員迅速掌握事故性質(zhì)，準(zhǔn)確判斷事故的源頭及發(fā)展趨勢。