某300 MW汽轮机组推力瓦磨损问题分析及处理

王 行,豆中州,孙首珩,司瑞才

(国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021)

汽轮机推力瓦的主要作用是平衡汽轮机运行中产生的轴向推力，使汽轮机通流部分保持动静间隙，推力瓦块磨损问题直接关系到汽轮机安全、经济运行。目前，绝大多数汽轮机推力瓦处均设置多个推力瓦温度和轴向位移测点，用于监测及分析汽轮机推力瓦运行状态[1]。若汽轮机推力瓦温度长期超限运行，极易导致推力瓦块磨损甚至烧损，将造成汽轮机组设备重大损坏事故 。

1 机组概况

某300 MW汽轮机组为单轴、双缸双排汽、亚临界、凝汽式汽轮机组，型号为N300-16.7/0.8/537/537，曾在2011年进行通流部分改造。该汽轮机推力瓦工作面和非工作面分别装有6块推力瓦块，各瓦块装在支承环内由调整块支承，并由定位销实现支承定位。该机组配备唯一功率输出线路，未配置备用输出线路。

2 问题描述

20190724T20:08:22，事件发生前机组运行稳定，负荷255.1 MW，转速3 001 r/min，采用顺序阀方式运行，各高压调节阀门(GV)GV1开度98.9%，GV2开度99.2%，GV3开度49.1%，GV4开度0.9%，GV5开度0.6%，GV6开度100%，中压调节阀门(IV)IV1开度99.8%，IV2开度99.3%。

20:08:26，因恶劣天气影响造成唯一功率输出线路断路器跳闸，但该机组发电机油断路器未跳闸，造成机组在近80%额定负荷工况下甩负荷，转速飞升至3 182 r/min，触发超速保护控制单元(OPC)保护动作，高压和中压调节阀门(以下简称调门)迅速关闭，汽轮机转速逐渐恢复至3 000 r/min。

20:08:37，负荷突升至96.7 MW，转速再次飞升至3 070 r/min，各调门GV1开度98.8%，GV2开度99.1%，GV3开度99.8%，GV4开度100%，GV5开度19.2%，GV6开度100%，IV1开度10.7%，IV2开度10.5%。

20:08:38，转速升至3 099 r/min，触发OPC动作，各调门再次迅速关闭。

此后机组负荷和转速按上述过程反复波动共计10次，其中负荷波动幅度最大一次在2 s时间内由16.38 MW突增至112.28 MW。在此期间汽轮机高压调门开度在0～100%，而中压调门开度在0～11%不断重复开关过程。

20:09:52，该机组轴向位移瞬间由0.209 mm突增至2.005 mm，机组跳闸，首出为轴向位移大汽轮机主保护动作。

2019年7月25日，现场对推力瓦解体后进行检查，发现瓦块乌金局部磨损严重，磨损瓦块均位于工作面，瓦块乌金未发生脱胎或变形情况。

3 事件分析

3.1 轴向推力平衡原理

汽轮机在运行时，转子会产生由高压侧向低压侧的轴向推力，这部分推力主要由蒸汽通过动叶时产生的推力，转子叶轮和轴封凸肩等处两侧的压差下产生的轴向推力[2]。为减小轴向推力，目前高中压合缸机组采用反向布置，低压缸采用对称双分流布置，并在高中压转子间设计高中压平衡盘结构以平衡运行中的轴向不平衡力，但仍有部分轴向推力会通过平衡盘作用在推力瓦上，若推力瓦形成油膜刚度差或轴向推力超限将会造成推力瓦块磨损[3]。

3.2 推力瓦块超温和磨损原因分析

国内外发生推力瓦块温度超标或磨损问题有很多，是比较典型的汽轮机设备损坏事件，一般造成推力瓦块温度过高或磨损的原因如下。

a.设备设计或制造不合理，转子结构本身造成在带大负荷运行一定时间后出现异常。

b.安装工艺或精度差，如将工作面推力瓦块装至非工作面会导致润滑油未形成有效油膜即回至回油槽[4]。

c.机组变工况下运行参数严重偏离设计值。

该机组已经历长期考验，设备制造及安装等方面存在问题的可能性很小，因此首先着重对事件发生过程机组运行状态进行分析，事件过程中负荷、转速及各调门开度等参数变化情况见表1。

由表1可见，事件发展过程存在以下几个特点：输出线路故障后机组负荷及转速出现频繁振荡；汽轮机轴向位移随负荷突增而增大，负荷突降时轴向位移略有减小，但总体趋势持续增大，推力瓦工作面(电端)逐渐温度升高；在每次负荷突增时高压调门接近全开，中压调门均开至10%左右全行程位置，其运行工况严重偏离设计工况。

此外，排查主再热压力、汽温、各监视段温度、压力、上下缸进水检测点、真空、润滑油供回油温、油压、轴振、胀差、绝对膨胀等参数后均未发现其他事故因素。结合以上特征及汽轮机轴向推力分布原理，综合分析认为该推力瓦块磨损事件主要有三个原因。

一是，机组OPC动作解除后，机组仍按照正常指令增加负荷导致高压主汽门和中压主汽门迅速开启，而高压调门开启速度明显快于中压调门，导致高、中压缸进汽量匹配严重失衡，引起轴向推力增大严重超出设计范围。例如，第一次突增负荷时，汽轮机各个高压调门反馈跟指令一致，但是中压调门指令为100%，实际开度只达到10%(各调门开度变化见表1)。

表1 事件过程主要参数变化

二是，机组在此种状态循环往复多次，使轴向位移逐渐增大，推力瓦工作面瓦温逐渐上升，多次轴向推力过大导致推力瓦磨损量逐渐增大。

三是，汽轮机电调控制逻辑中未设计电网故障控制措施，当机组电网输出开关跳闸后应切换至转速控制方式，避免机组负荷多次振荡。

4 处理措施及建议

通过以上分析可知，本次推力瓦磨损事件的主要原因为事故状态下机组在严重偏离设计工况下运行，轴向推力明显超出推力瓦平衡范围，机组负荷多次振荡不断加剧推力瓦磨损程度。基于上述分析结果采取处理措施如下。

a.更换推力瓦工作面磨损瓦块，并将前箱残留的钨金碎末清理干净，保证过滤润滑油油质合格。

b.建议完善电调控制逻辑，调整高、中压调门动作速度匹配，在未跳闸情况下超速保护动作时应切换至转速控制，避免机组负荷和转速出现频繁振荡。

c.建议增设输出线路零功率保护，其主要功能为在输出线路故障时保护动作将发电机解列，使机组安全停机，避免事故扩大。

该案例中机组在紧急事故状态下负荷出现反复大幅度波动情况较为典型，对机组设备安全危害极大。此类事故发生后及时手动打闸停机，保证机组安全停运是将事故损失降到最低的有效手段，但需要在场指挥人员迅速掌握事故性质，准确判断事故的源头及发展趋势。