300 MW汽轮发电机组推力瓦非工作面温度偏高原因分析及处理

何冬辉， 李 杨， 叶振起

(1. 辽宁东科电力有限公司，沈阳 110006； 2. 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈尔滨 150040)

汽轮发电机组推力轴承用来承受蒸汽作用在转子上的剩余轴向推力，并确定转子的轴向位置。轴承工作面及非工作面均由6块自位式推力瓦块组成，轴向推力可通过压块板的摆动使各瓦块浇有巴氏合金的表面载荷中心都处于同一平面内[1]。推力轴承应用油膜原理，轴承始终浸在压力油中，油直接从主轴供油管道供给，当推力盘相对瓦块旋转时，每块瓦块进油侧和推力盘间形成一定厚度的楔形油膜[2]。笔者结合各种试验及翻瓦检查结果，根据汽轮机转子结构、受力分析，以及推力瓦结构特点，得出引起推力瓦非工作面温度升高的根本原因，对比分析了三种解决方法及效果。

1 机组概况

机组采用一次中间再热、单轴、冲动式、双缸双排汽凝汽式汽轮机，型号为N300-16.7/537/537。高压部分为1个冲动式调节级和12个反动式高压级，中压部分为9个反动式中压级，低压部分为正反向各7个反动式低压级。为了平衡高中压转子的轴向推力，高压级组和中压级组采取反向布置(见图1)，并设置了3个平衡活塞：在高压进汽区域内，转子上加有高、中压两级平衡活塞(见图1中圆圈部分)，用来平衡高压通流部分的轴向推力；高压缸排汽侧设有低压平衡活塞，用以平衡中压通流部分的轴向推力；最后剩余较小的正向推力指向发电机端由推力瓦承担[3]。推力瓦轴承金属温度99 ℃报警、107 ℃跳机。

图1 汽轮机平衡活塞及平衡管示意图

2 故障过程

机组空负荷时工作面及非工作面温度比较均匀，当机组并网带负荷后, 随着负荷增加, 非工作面的温度随负荷增加而上升，其过程如下：

(1) 2017年11月9日，首次启动，由于未带大负荷，推力瓦温度不高。

(2) 2017年11月12日，第二次启动，推力瓦非工作面1～4号测点温度随着负荷增加而上升，其中2号、4号测点温度明显大于1号、3号测点。当负荷升至143 MW时，推力瓦非工作面4号测点温度升至95 ℃；当负荷升至174 MW时，推力瓦非工作面4号测点温度最高为104 ℃(见图2)，轴位移最高升至-0.56 mm。

图2 推力瓦非工作面4号测点温度随负荷变化趋势

随后，采取变真空、切高压加热器、开高压旁路、切顺序阀等措施，但温度变化都不明显，没有较大的下降趋势。

(3) 2017年11月14日，决定停机翻瓦检查。

(4) 2017年11月23日，经过翻瓦检查，发现推力瓦非工作面个别瓦块局部边缘磨损(见图3(a))，每个瓦块都有高温灼烧的痕迹，上部两块装有温度测点的瓦的中心下凹小圆坑(见图3(b))。同时检查推力瓦进回油管无堵塞现象，两侧推力瓦块都能自定位活动。

图3 推力瓦检查结果

3 原因分析

3.1 2号、4号测点温度较高的原因

推力瓦润滑油从左上方进入，沿着推力盘旋转方向将油带入瓦块工作面形成一定厚度的楔形油膜, 起到润滑和冷却作用，从右上方排出(见图4(a))。2号、4号测点位于推力瓦中心， 1号、 3号测点位于推力瓦边缘(见图4(b))。一方面，1号、3号测点位于推力瓦边缘，推力瓦之间的间隙大，通过间隙的润滑油流量大，1号、3号测点冷却较快；另一方面，2号、4号测点位于推力瓦中心，温度元件紧贴钨金，轴向负推力增大时，引起非工作面推力间隙变小, 导致油膜厚度变薄, 非工作面冷却油流量变小，高速旋转摩擦使温度快速上升。

图4 推力瓦结构及温度测点示意图

3.2 推力瓦块局部磨损的原因

推力瓦块厚度不均，同侧的各瓦块厚度差不能大于0.02 mm。推力轴承安装位置倾斜，推力瓦块工作平面和转子上的推力盘面不平行，致使瓦块受力不均衡。

3.3 推力瓦块中心形成凹坑的原因

(1) 钨金(巴氏合金)60 ℃时硬度为21.1 HB，110 ℃时硬度为13.1 HB，144 ℃时硬度为8.85 HB[4]。钨金强度随着钨金的温度升高而降低。(2)温度元件安装于推力瓦中心，打孔深度几乎接近钨金，厚度薄。(3)推力瓦中心油膜压力高、温度高，高温高压下钨金强度下降，产生凹坑。

3.4 推力瓦非工作面温度高的根本原因

通过各种试验工况、运行参数变化及翻瓦检查结果，可以排除以下原因：

(1) 热工信号。温度的变化趋势与轴位移一致，且事后经热工人员检测温度测点无元件故障。

(2) 推力瓦安装问题。经检查可排除推力轴承球面接触不好、自位性较差，瓦块本身摆动不灵活等问题。

(3) 瓦块本身问题。制造无问题，材质无缺陷，各瓦块厚度均匀。

(4) 供油系统问题。润滑油压力、轴承回油温度正常，进、回油管无堵塞现象。

(5) 滑销系统卡涩问题。经检查，汽缸膨胀均匀, 缸胀与机前膨胀表变化一致。

(6) 油质不合格。润滑油检测结果为NAS7级，且翻瓦检查无金属颗粒等杂质。

结合推力瓦非工作面温度、轴向负位移与负荷密切且变化趋势一致等现象，经多方分析，引起推力瓦非工作面温度异常升高的根本原因是汽轮机轴向负推力随负荷上升而增加 (朝机头方向)。推力瓦在运转状态下最小油膜厚度随转速升高而加大，随油温升高而减小。轴向推力越大则油膜越薄，冷却油量越少，温度越高[5]。

4 处理方法

4.1 处理对策

汽轮机轴向力主要由三部分组成[6]：(1)蒸汽作用在动叶片的轴向推力；(2)蒸汽作用在叶轮轮面上的轴向推力；(3)蒸汽作用在汽轮机凸肩上的轴向推力。

由于反动式汽轮机动叶反动度较高，转子的轴向推力相应比较大，当转子轴向推力太大时，可能会造成推力轴承比压过大，甚至引起推力瓦烧毁。为了平衡高中压转子的轴向推力，采用以下方式：

(1) 高中压缸反向布置：蒸汽在汽轮机两汽缸内的流动成相反的方向，产生相反的轴向推力。

(2) 平衡活塞(平衡毂)：将轴封的直径加大，在转子上形成较大凸肩，当蒸汽通过凸肩的齿形间隙，由其一端流向另一端时，因节流作用而产生压降。由于凸肩两侧所承受的汽压不同，产生与转子通流部分固有推力方向相反的轴向附加力，并与轴向推力相平衡[7]。在高压进汽区域内，转子上加有高、中压两级平衡活塞，用来平衡高压通流部分的轴向推力；高压缸排汽侧设有低压平衡活塞，用以平衡中压通流部分上的轴向推力(见图1中圆圈部分)。在高压缸排汽处，引出两根(上、下)平衡管到高、中压缸中间；在中压缸排汽处引出四根(上、下)平衡管到高压缸排汽处(见图1)。

(3) 推力轴承：剩余的轴向推力则由推力轴承受力。

为平衡汽轮机轴向负推力，可采用直接降低轴向负推力或增大正推力的方法。最后决定通过增加汽轮机轴向正推力的方法来平衡其推力，即提高平衡活塞腔室压力，从而增加中压平衡活塞前后压差，来增加汽轮机正推力(朝发电机方向)。

图5为高中压平衡活塞的局部放大图，蒸汽通过导管进入调节级，调节级漏汽通过高压平衡活塞汽封环进入平衡活塞腔室，腔室中的蒸汽一部分通过中压平衡活塞漏至中压缸，一部分排至高压缸排汽管。通过图5中箭头蒸汽流向可以看出平衡活塞腔室的压力受三个因素影响：(1)高压平衡活塞漏汽量；(2)中压平衡活塞漏汽量；(3)平衡活塞腔室至高压缸排汽管的排汽量。

图5 高中压平衡活塞示意图

基于以上三个影响因素，可以从三个方面来提高平衡活塞腔室压力：

(1) 适当增大高压平衡活塞汽封环间隙，从而增大调节级漏汽通过高压平衡活塞至平衡腔室的漏汽量，进而增加平衡活塞腔室的压力。但此方法需要揭缸，周期长，且新蒸汽没有做功就通过平衡腔室排至高压缸排汽，降低了机组的经济性。

(2) 适当减小中压平衡活塞汽封环间隙，从而减小平衡腔室至中压缸的漏汽量，增加平衡活塞腔室的压力。但此方法同样需要揭缸，周期长，且汽封间隙减小，增加了动静碰摩的风险性。

(3) 在上、下高压平衡管安装节流孔板，减少平衡活塞腔室至高压缸排汽的排汽量，从而增加平衡活塞腔室的压力。节流孔板安装简单且安全可靠，但由于运行工况等因素影响，节流孔径计算存在一定误差，需多次计算更换节流孔板，增加机组启停次数。

4.2 处理过程及结果

4.2.1 第一次处理

(1)将上、下高压平衡管安装直径为17.5 mm的节流孔板，节流孔孔径底部与管道下部内径水平，便于疏水；(2)修刮磨损的推力瓦块，保证各瓦块厚度差<0.02 mm，调整推力瓦安装平行度<0.02 mm，确保推力瓦与推力盘的接触面积在75%以上，保证各瓦块受力均匀；(3)重新推轴，调整推力间隙为0.28 mm；(4)用新瓦更换有凹坑的推力瓦。

2017年11月28日，第3次启动，推力瓦非工作面4号测点温度随着负荷增加而上升，负荷升至250 MW时，温度上升到报警值99 ℃(见图6)，改造效果不明显。

图6 第一次处理结果

4.2.2 第二次处理

将上平衡管用盲板堵死，下平衡管节流孔板孔径由17.5 mm改成6 mm。

2017年12月4日，第4次启动，负荷升至300 MW时，推力瓦非工作面4号测点温度逐步上升至72 ℃，经过一段时间运行，温度由72 ℃缓慢下降到62 ℃。2017年12月6日，由于发电机故障信号跳机，第5次启动后，两次负荷升至300 MW时，推力瓦非工作面4号测点温度都上升至85 ℃，无下降趋势。锅炉吹灰阶段，随着主蒸汽温度下降，4号测点温度快速上升至91 ℃，随不稳定因素变化明显(见图7)。

图7 第二次处理结果

4.2.3 第三次处理

2017年12月15日，借锅炉水冷壁泄漏停机的机会，进行第三次改造：将下平衡管直径为6 mm的节流孔板换成不带孔的盲板堵死，同时在堵板前加疏水管路，从堵板前接到高压缸排汽管，疏水管安装手动阀和气动阀，便于启停机时疏水。

2017年12月20日，第7次启动，负荷升至300 MW时，推力瓦非工作面4号测点温度基本稳定在80 ℃左右(见图8)。

图8 第三次处理结果

5 结语

(1) 针对机组在带负荷阶段推力瓦非工作面温度异常升高，从运行参数、转子受力、推力瓦自身结构等角度分析，得出推力瓦温升高根本原因是汽轮机轴向负推力随负荷增大而增大。

(2) 提出降低汽轮机轴向负推力的三个方法并对比其利弊，采取减少平衡活塞腔室至高压缸排汽量的方法来降低轴向负推力。通过三次改造，机组带满负荷时推力瓦非工作面温度稳定在80 ℃左右。建议大修时适当减小中压平衡活塞汽封环间隙，减小漏汽量，提高平衡活塞腔室压力。