660 MW機組空氣預熱器減速機故障原因分析及處理建議

王天龍，張夜雨,段海洲，張向群,朱立平，張哲華

(1.遼寧東科電力有限公司 遼寧 沈陽 110179；2.中國能源工程股份有限公司 北京 100037)

0 引言

作為鍋爐煙氣流程中最后一個受熱面，空氣預熱器是現代電廠鍋爐煙風系統中不可或缺的部件。空氣預熱器既可以降低排煙溫度從而提高鍋爐效率和電除塵效率，又可以通過回收煙氣熱量來強化燃料的著火和燃燒過程[1]。若空氣預熱器發生停轉，將會使得轉子驟冷和徑向隔板永久變形及焊縫開裂；同時由于其出口煙溫急劇升高，還會損壞脫硫塔部件[2]，空氣預熱器無法運行會影響鍋爐的安全和經濟運行。

空氣預熱器驅動方式主要分為兩種：圍帶驅動、中心驅動。如圖1所示，圍帶驅動結構是將齒輪安裝在減速機的輸出軸上，與圍帶上的圓銷齒嚙合以驅動空氣預熱器轉子轉動。圖2為中心驅動方式，其輸出軸與空氣預熱器轉子同軸直接帶動轉子轉動[3]。

孟加拉某電廠配置2臺660 MW超超臨界機組，鍋爐空氣預熱器采用上部中心驅動方式。1#機組在整套啟動期間發生鍋爐A側空氣預熱器減速機軸承三次損壞事故，通過調整轉子垂直度和軸承水平度、增加彈簧、改變大齒輪旋向和拓寬擋肩等方法嘗試解決減速機軸承損壞問題。

1 設備概況

本期660 MW超超臨界燃煤火力發電廠配備了2臺高效超超臨界參數變壓運行直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構；鍋爐采用露天布置、Π型布置鍋爐。鍋爐主要參數見表1。

鍋爐空氣預熱器為某鍋爐廠自主開發設計和制造的新型三分倉回轉式空氣預熱器，每臺鍋爐布置 2 臺預熱器，型號為LAP14236/2350。如圖3所示，通過空氣預熱器旋轉，高溫煙氣將熱量傳給蓄熱元件，再由蓄熱元件依次將熱量傳遞給二次風和一次風。但空氣預熱器旋轉方向并不絕對是固定的，可根據鍋爐運行需要進行反轉調整[4]。

每臺空氣預熱器配備一臺斜齒減速機，它共由三個齒輪箱組成，分別是變頻啟動主電機齒輪馬達、輔電機齒輪馬達和主減速機。表2和3分別為空氣預熱器熱力計算參數和減速機主要技術參數。

2 單側空氣預熱器減速機三次故障基本概況

2.1 第一次故障

2020年1月22日15：11電網震蕩導致全廠失電，1#機組跳閘。隨后柴發聯啟，A空氣預熱器輔電機聯鎖啟動，電流開始出現波動。16:20，400 KV電源恢復，A空氣預熱器切換電源時發生空開跳閘(鍋爐MCC段)，16:56，A空氣預熱器送電重新啟動動，主、輔電機啟動時均保持最大電流50 A(額定電流36.74 A)，停止A空氣預熱器電機運行，啟動A空氣預熱器氣動馬達進行盤車。1月25日發現A減速機有異響，停氣動馬達。檢查后發現空氣預熱器A減速機上軸承損壞，減速機損壞照片見圖4。

表2 空氣預熱器熱力計算參數

表3 減速機主要技術參數

由于此次減速機損壞時由氣動馬達驅動，沒有可供參考和分析的數據，所以在對減速機進行內部檢查后挪用2#爐A空氣預熱器減速機，繼續整套啟動試運。

2.2 第二次故障

2020年2月17日22：07，1#機組負荷從335 MW開始滑停，22:47降至10 MW，鍋爐MFT動作，空氣預熱器A電機電流17 A左右，至18日0：15電流開始有規律性地波動并逐漸升高，最高達22 A，至8：05電流波動變大，波動變為無規律，8：30瞬時電流最高為42.46 A(額定電流36.74 A)，減速機就地有異常聲響，8：44分空氣預熱器A手動停轉。檢查后發現空氣預熱器A減速機上軸承損壞，減速機損壞照片見圖5。

第二次故障發生后對減速機安裝尺寸進行了全面檢查，發現空氣預熱器軸的垂直度偏差為0.255 mm/m，大于廠家圖紙要求0.2 mm/m；另外，卡塊與減速機之間間隙較小。于是中心筒及短軸進行矯正，使中心筒及短軸的垂直度偏差在0.035‰之內，同時調整減速機支撐彈簧高度至設計標高172.5±2 mm。

2.3 第三次故障

2020年3月2日18：16，1#鍋爐停爐。19：45 1#爐A預熱器電流出現周期波動并上升，20：00預熱器電流振幅明顯加大，最大電流約21 A，檢查發現A預熱器右側有刮蹭聲音，20：48對扇形板間隙進行調整，刮蹭聲音明顯減小，電流下降到約21 A。

23：59電流再次出現周期波動并上升，至0：22電流最大29.56 A，發現預熱器左側扇形板與徑向密封片刮蹭，密封自動調節裝置向上提5 mm，電流下降至21 A左右并趨于穩定。

0：35 A預熱器減速器軸承箱處有異音，立即停運A預熱器。

3月3日拆卸預熱器減速機鎖緊盤，發現上軸承外套部分損壞，減速機損壞照片見圖6。

3 減速機三次故障原因分析

3.1 減速機軸承損壞表現

1#鍋爐空氣預熱器出現三次減速機損壞故障，綜合故障概況可以發現三個共同點：

1)三次損壞均為A側減速機軸承；

2)故障出現時間均為停爐后，損壞時伴隨著電流周期波動；

3)損壞部位均為軸承外圈。

3.2 相關檢查

3.2.1 減速機部分

1)通過現場拆機過程分析得出，基本都是軸承外圈擋邊首先斷裂，之后滾子脫落導致軸承及其他零件進一步損壞；

2)減速機采用斜齒輪嚙合，在運行過程中會產生一個軸向分力(見3.4節軸承受力分析)；

3)減速機支撐彈簧自由狀態為215 mm，冷態安裝后為172.5 mm，機組熱態后彈簧最大伸長了15 mm在彈簧設計范圍內；同時測量了其彈力系數，與設計曲線符合。

3.2.2 空氣預熱器本體部分

1)減速機上軸直徑在設計范圍內。

2)第二次損壞后，測量出轉子垂直度最大偏差為0.9/1 000 mm，超出設計值0.2/1 000 mm，后進行調整。第三次損壞后測量出推力軸承水平度最大偏差為0.75/1 000 mm，超出設計值0.2/1 000 mm。從測量結果看，造成主軸垂直度超差的主要原因是主梁的膨脹支架座基準超差，造成轉子整體偏斜[5]。

3.3 運行分析

圖7-9分別為第一、二、三次減速機損壞時運行參數曲線，其中曲線1-7分別為機組負荷、空氣預熱器A主電機電流、輔電機電流、導向軸承溫度、支撐軸承溫度、空氣預熱器進口煙氣溫度及出口煙氣溫度。

從圖中可以得出：

1)鍋爐運行時，空氣預熱器入、出口煙氣溫度未出現明顯超溫情況，符合表2要求；

2)空氣預熱器導向軸承和支撐軸承溫度正常，不存在超溫現象；

3)停爐后，根據電流周期性波動可以推斷出，由于空氣預熱器入口煙氣擋板關閉不嚴，導致內部受熱膨脹出現密封片摩擦情況。

3.4 軸承受力分析

從圖10可以看出減速機是經過一根空心軸與空氣預熱器主軸作用，此處是主要受力處。此外圖右的兩根彈簧是用來平衡偏心力矩。

圖11中可以得出輸出軸是斜齒輪，所以會在扭矩傳遞時產生一個軸向分力作用在空心軸上繼而傳遞給軸承。根據表3數據可以得出齒輪受力情況[6]：

Fa=Ft×tanβ

式中：

T——齒輪傳遞的扭矩(Nm)；

η——減速機效率(%)；

P——電動機功率(kW)；

n——輸出軸轉速(r/min)；

r——齒輪分度圓半徑(389.572 mm)；

α——齒輪法面壓力角(20°)；

β——齒輪螺旋角(14°)；

由計算得出：Ft=533 385 N；Fr=222 610 N；Fa=137 975 N(根據齒輪旋轉方向不同，此力可以向上或者向下)。

根據軸承手冊[7]，該軸承額定動載荷Cr=1 250 000 N，軸向力Famax=240 314 N。且在冷態和熱態下軸承受力有所不同。

3.4.1 冷態

輸出軸承承受重量(冷態)=減速機自重(6.7 t)+潤滑油重(0.6 t)-空心軸重量(1.3 t)-彈簧支撐力(2.5 t)=3.5 t=35 000 N。

減速機逆時針旋轉(軸向分力向下)：FaN=Fa+G=172 975 N

當量動載荷計算公式 P=xFr+yFa[8]，其中x=0.92、y=0.4，Fa取最大軸向合力，所以

P=0.92×Fr+0.4×FaN=273 991.2N

于是得出安全系數：Cr/P=4.56

載荷比：Fa/Fr=FaN/Fr=172 975/22 2610=0.77>0.4，因此需要改善軸承受力分布。

3.4.2 熱態

3.1.1中提到彈簧熱態下伸長了15 mm，因此兩根彈簧總輸出力約為1.25 t。

輸出軸承承受重量(熱態)=減速機自重(6.7 t)+潤滑油重(0.6 t)-空心軸重量(1.3 t)-彈簧支撐力(1.25 t)=4.75 t≈50 000 N。

減速機逆時針旋轉(軸向分力向下)：FaN=Fa+G=187 975 N

P=0.92×Fr+0.4×FaN=279 991.2 N

安全系數：Cr/P=4.46

載荷比Fa/Fr=FaN/Fr=172 975/222 610=0.84>0.4，因此需要改善軸承受力分布。

4 改進措施及建議

4.1 增加兩根彈簧

增加彈簧是為了增加反推力，以改善軸承軸向合力。表4為增加彈簧后參數,從表中可以得出，增加彈簧后使得安全系數提高了近10%。

表4 增加彈簧后參數

4.2 改變大齒輪旋向

將大齒輪旋向由逆時針改為順時針，可以將軸向分力改為向上。表5為改變旋向后參數,從表中可以得出，改變旋向后使得熱態安全系數更加明顯提高。

表5 大齒輪旋向改變后參數

4.3 拓寬軸承外圈擋肩

三次減速機損壞均是先從外圈開始,見圖12。因此可以拓寬軸承外圈擋肩使得外圈受力更均勻。圖13為拓寬擋肩前、后受力情況對比(上為拓寬前，下為拓寬后)，從圖中可得出拓寬擋肩后軸承外圈強度提升了30%。

4.4 停爐后建議

4.4.1 提升扇形板

將熱端扇形板提升至最高位 (+12 mm)，軸向密封間隙拉大(冷端13 mm，熱端16 mm)，做好標記，下次啟爐前恢復至推薦值。

4.4.2 冷卻轉子

1)在導向軸承處加風扇及壓縮空氣對上軸吹風，加速軸部冷卻。

2)鍋爐熄火后繼續保持送引風機運行 10 min，風量保持600～800 t/h,爐膛負壓保持-200 Pa 以上。

3)停風機后，打開鍋爐空氣側擋板、煙氣側擋板、二次風箱風門100%，形成鍋爐自然通風冷卻空氣預熱器，送風機動葉開度保持30%，引風機靜葉開度10%。

4)若空氣預熱器電流持續上升，可以繼續通過開大動葉及靜葉開度來增加鍋爐自然通風量來降低空氣預熱器電流。

5)空氣預熱器電流峰值升高至25 A時啟動單側送、引風機，開啟聯絡風門對空氣預熱器進行冷卻，引風機靜葉開度保持5%，爐膛負壓保持-200 Pa。當空氣預熱器峰值電流降至19 A 以下時停止送、引風機運行。

6)若上述措施無效，空氣預熱器停轉，關閉空氣預熱器進出口空氣側及煙氣側擋板。

5 結語

綜合空氣預熱器減速機三次損壞特征、運行情況及受力分析可以得出，減速機損壞是因為安裝精度偏差、空氣預熱器扇形板等部件受熱膨脹不均、軸承受力分布不合理和減速機外圈擋肩強度不夠等原因造成的。通過一系列的改造措施，成功解決了減速機損壞問題。自改進措施實施后，1#鍋爐已經連續運行近半年，沒有出現任何過損壞事故。