余熱發電機組軸承故障原因分析及解決

楊玉峰

（安徽銅陵有色金昌冶煉廠，安徽銅陵 244000）

1 余熱發電機組概述

為實現蒸汽的梯度利用，金昌冶煉廠引進了1套德國KK&K公司制造的、型號為AFA4 G5a的汽輪機組，配套德國NEWAGE-AVKSEG公司生產的發電機。機組利用奧斯麥特爐余熱鍋爐和轉爐余熱鍋爐產出的4.00 MPa中壓飽和蒸汽進行發電，出口產出0.50 MPa的低壓蒸汽進入廠低壓管網供用戶使用（表1）。該機組屬于齒輪箱傳動式透平機，結構緊湊，有較高的傳動效率；轉子采用懸臂式支撐結構，僅需1個軸封。與傳統的汽輪機與齒輪箱分離式結構相比，少了1個軸封，泄漏量約減少了50%。葉輪采用單排葉片，整體式結構，直接安裝在主軸的一端，允許葉輪端自由熱膨脹，這種結構設計可降低機組預熱時間，節約機組預熱所需的蒸汽消耗，提高蒸汽利用率，增加發電量。該機組采用3噴嘴設計，通過液壓系統實現自動調節，可實現25%～100%的變負荷運行，可適應多變的蒸汽工藝條件。

表1 機組的主要技術參數

該機組于2005年投運，投運初期，除去計劃性停車外，基本上都處于連續穩定運行狀態，年發電量達到了800萬kW·h，為金昌冶煉廠創造了可觀的經濟效益。但是從2009年開始，機組出現第一次軸承損壞，更換了1副進口軸承后，運行1 a之后仍然損壞。2011年，為了降低軸承的備件費用，與陜西鼓風機廠合作研發了新的軸承，將原有的可傾瓦軸承改為錯位軸承，軸承工作面材料由銅合金改為巴士合金，止推面結構形式仍然延用進口軸承的固定楔型。軸承國產化后，損壞情況未見好轉，尤其是在2012年，軸承損壞次數達到8次之多，更換軸承后最長運行時間僅3個月，最短運行時間僅幾分鐘就造成軸承損壞且軸承溫度并未達到正常狀態。故障主要表現為3個方面。

（1）機組運行時，齒輪箱振動值瞬間變大，超出測量范圍。該機組正常運行時，齒輪箱振動值僅為0.4 mm/s左右，但機組出現故障時，振動值瞬間達到2.3 mm/s（最大量程）以上，并發出異常聲音。

（2）軸承4（主止推軸承）溫度過高跳車。該機組正常運行時軸承4的溫度一般在（50～55）℃，報警溫度為80℃，跳車溫度為90℃。出現故障時，軸承溫度瞬間達到90℃以上，造成機組軸承超溫跳車，從溫度報警到機組超溫跳車時間僅需幾秒鐘，操作人員根本沒有時間手動停車。

（3）機組解體檢查后發現：①止推軸承燒毀，止推盤接觸面有明顯被灼燒的痕跡，主、副推力盤的間距由原來的86.01 mm增大到93.5 mm，移位了7.49 mm（圖1）；②主軸上驅動主油泵的齒輪磨損嚴重（圖2）；③機組出口管道沖刷痕跡明顯（圖3）。

2 故障原因分析

圖1 主推力盤受損

根據故障跳車統計，機組每次故障跳車均是由于軸承4（主止推軸承）溫度＞90℃造成的。經解體檢查分析，造成溫度超標跳車的原因主要是飽和蒸汽攜帶水或冷蒸汽進入汽輪機，而蒸汽中的水或冷蒸汽的密度比蒸汽密度大很多，因而在噴嘴內不能獲得與蒸汽同樣的加速度，出噴嘴時的絕對速度比蒸汽小很多，使其相對速度的進汽角遠大于蒸汽相對速度進汽角，汽流不能按正確方向進入動葉通道，對動葉進口邊的背弧進行沖擊。這除了對動葉產生制動力外，還產生一個軸向力，增大汽輪機軸向推力。實際運行中，軸向推力甚至可增大到正常情況時的數倍以上，使主推力軸承超載而導致止推面燒毀，溫度瞬間升高、跳車。

圖2 油泵齒輪受損

圖3 汽輪機蒸汽出口管道沖刷

3 處理措施

3.1 設備檢修措施

（1）在機組進口蒸汽工藝管線上增設1套汽水分離器裝置，同時檢查整條進口蒸汽管線，對破損的保溫層進行修復，更換進氣管線上損壞的疏水閥，防止帶水的蒸汽進入機組，造成水擊現象。

（2）將主軸送至專業機械制造廠家，對損壞的推力盤、磨損嚴重的主油泵驅動齒輪和傳動齒輪進行測繪，重新制造加工，同時保證安裝精度，確保推力盤工作面于轉子軸線垂直，垂直度<0.005 mm。將新的推力盤和主油泵驅動齒輪安裝好后，再送到專業廠家進行轉子整體動平衡試驗。

（3）根據雙向推力盤間隙確定止推間隙，更換新的軸承。

（4）該機組的軸瓦采用的是合金材質，曾多次發生燒瓦故障，有金屬碎屑進入潤滑油系統，因此，需對油箱進行全面清洗，并重新更換潤滑油，防止金屬碎屑進入潤滑油管路系統而再次帶入軸承。

3.2 管理措施

（1）從蒸汽源頭抓起，嚴格控制余熱鍋爐的汽包水位，避免汽包水位過高，造成蒸汽帶水情況發生。做好蒸汽管道的巡檢工作，出現保溫層破損或疏水閥故障要及時修復和更換。

（2）加強崗位之間的溝通和聯系，時時做好工藝調節，避免機組非機械故障性跳車。余熱發電機組的進口蒸汽是由奧爐余熱鍋爐和轉爐余熱鍋爐提供，受生產工藝影響，奧爐經常出現提槍現象，造成鍋爐蒸發量瞬間急劇減少，溫度降低，容易造成機組進口蒸汽溫度<240℃而跳車。因此，奧爐余熱鍋爐崗位與余熱發電崗位保持溝通，奧爐提槍或發生蒸發量急劇減少的情況下，要及時通知余熱發電崗位，提前作好手動停車工作。另外，該機組為背壓式結構，機組出口蒸汽壓力應控制在（0.38～0.62）MPa，否則機組將自動跳車，因此，應根據出口蒸汽壓力情況，及時調節機組進口旁通閥門和出口放空閥，將出口壓力控制在0.45 MPa左右。

（3）機組操作人員要嚴密監控機組軸承溫度的變化和機組振動值，當軸承溫度達到70℃或振動值突然增大時，應實施手動停車。待維修人員查明原因、排除故障后，方可再次開車。