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顶轴油系统故障分析与治理

时间:2024-08-20    点击量:2

0 引言

   顶轴油系统是电站关键的汽轮机辅助配套系统, 其可靠性和稳定性对汽轮机的运转影响极大。本文主 要研究了某电厂二期 3# 、4# 机组顶轴油系统故障率高 的问题,并提出相关整改措施,取得了良好的治理效 果,可以为同类机组的运维提供参考借鉴。 1 系统设备及故障问题 1.1 系统概况 某电厂 3# 、4# 机组为 660 MW 超超临界二次中间 再热凝汽式汽轮机组,汽轮机润滑油系统配套有主机 顶轴油分系统(图 1)。主机顶轴油系统配套 3 台顶轴 油泵,每台泵出口经过 1 个模块后,3 路汇聚到 1 个总 模块再经母管分配套各个轴瓦。 1.2 存在的问题 3# 、4# 机组自 2018 年投产以来,顶轴油系统故障 率较高,主要故障现象为系统油压低、油压波动、不起 压等。顶轴油系统的频繁故障严重了威胁汽轮机的正 常运行。2021 年,该电厂在 3# 、4# 机 B 修期间对各轴瓦 进行检修,检查发现多个瓦的乌金损坏,特别是 1# ~3# 瓦出现乌金大块脱落,破损严重。主机顶轴油系统运行 异常导致汽轮机轴瓦损坏,影响机组安全。 由图 2 可以看出,3# 、4# 机组顶油油系统故障次数 呈上升趋势。顶轴油系统频繁故障已经成为影响机组安 全可靠运行的重大威胁,急需进行系统的分析和处理。

2 顶轴油系统故障原因分析

 电厂顶轴油系统故障主要分为液压模块故障和其 他故障,其他故障主要集中在顶轴油管脱落故障,且故 障频次有上涨趋势。

对顶轴油系统故障率高的原因进行系统查找,对人、 机、料、法、环 5 个要素进行要因分析,最终找到了 5 个影 响因素,分别是预防性检修计划周期设置过长、油泵出口 模块设计不合理、轴封漏汽量大、在线滤油机流量不 足、轴承软管接头选型不合理等,具体分析结果如下。

 2.1 预防性检修计划周期设置过长

 顶轴油系统模块为进口设备,按照说明书要求每 3年执行 1 次检修,每次检修需外委给专业的液压检修公 司进行检修和试验。另外,由于二次再热汽轮机轴瓦的 特殊设计,有的轴瓦在检修过程中翻入、翻出时,需要投 运顶轴油系统顶起汽轮机转子,否则无法翻瓦。这就造成 3# 、4# 机组在每次等级检修时,如果有轴瓦检修项目, 为了保证顺利翻瓦,顶轴油模块都未能外委出厂检修。 由此可知,设备未能按规定进行针对性的检查检修,预防性检修计划没有进行及时调整,检修周期不能 适应设备实际运行状况的需要,导致顶轴油系统每年 故障率居高不下。

 2.2 油泵出口模块设计不合理

 根据图 3 可知,顶轴油油泵出口通道至逆止阀前, 分别并联接入了 1 个调压阀(溢流阀)和 1 个电磁换向 阀。在泵启动前 10 s 内,电磁换向阀处于失电状态,与 回油管路联通,顶轴油泵出口油通道卸油。泵启动 10 s 后,电磁阀上电,关闭油路,油泵对顶轴油母管正常供 油。这样设计可以很好地排出空气,还可以避免油泵在 启动过程中突然全出力造成憋泵,以防止油泵损坏。

该电厂的电磁阀设计了 5 个通道,包括 2 个回油 通道、1 个压力油通道、1 个 A 路供油通道、1 个 B 路 供油通道。电磁阀的 2 个回油口对称布置,在电磁阀内 部是导通的。而用于安装电磁阀的模块则只设计了 4个 油口,也就使电磁阀的一个回油口处于闷死状态,这样 设计本身可以满足系统泄压流量要求。但是在当油质 较差的情况下,这种设计方式导致闷死的回油口由于没有油通过,使杂质容易在该位置聚集,长时间运行后 会导致电磁阀阀芯卡涩(图 4)。因此,油泵出口模块设 计不合理也是顶轴油系统故障率高的原因之一。

 2.3 轴封漏汽量大 

顶轴油泵出口切换 电磁阀故障是造成顶轴 油泵不出力或者出力低 的主要原因。除了模块设 计缺陷导致杂质聚集外, 其阀芯本身以及阀体生 锈也是造成卡涩的重要 原因,而油中带水是引起 液压系统电磁阀内部生 锈的主要原因。 经检测,3# 、4# 机组均 存在润滑油微水值经常超标的情况,导致电磁阀的阀 芯容易生锈、阀芯卡涩,油泵启动 10 s 后,电磁阀上电 后无法关严,压力油从电磁阀处卸走,顶轴油母管油压 无法建立,造成系统故障。 经过系统检查,发现油中水的来源主要是轴封漏 汽。通过对 3# 、4# 机每个缸的轴封进行专项检查,确定 3# 机的高压缸前、后轴封、4# 机的超高压缸前轴封漏汽 较大,在机组长期高负荷工况下漏汽量加大,导致润滑 油微水超标,是造成顶轴油系统故障率高的原因之一。

 2.4 在线滤油机流量不足

 3# 、4# 汽轮机的润滑油系统各配备了 1 台 HCP100 (PALL)型滤油机,最大处理流量为 100 L/min。然而在 水分较高的情况下,该滤油机无法满足滤油出力要求。 特别是机组长期高负荷运行期间,过滤时间长、过滤油 质无法达到合格值,这种情况可能引发油泵损坏、电磁 阀卡涩等问题。因此,配套的在线滤油机处理流量不 足,无法对油质进行有效控制,是导致顶轴油系统发生 故障的重要原因。

 2.5 轴承顶轴油软管接头选型不合理

 3# 、4# 机组轴承顶轴油供油软管经常发生脱落故 障,更换新接头也无法解决脱落的情况。对 3 家电厂同 类型的 6 台机组进行调研,发现上汽二次再热汽轮机 的轴承顶轴油管普遍存在易脱落的问题,对轴承油膜 刚度、顶轴油系统压力造成不利影响。顶轴油管频繁脱落问题普遍存在于同类机型,说 明该软管接头的选型存在严重问题。经过解体研究,该 类型活接的云头通过胀管方式固定在加长短管上,这 种连接方式在长期高压油作用下很容易脱开,造成泄 漏、脱落。因此,轴承顶轴油活结头选型不合理,是造成 顶轴油系统异常的重要原因之一。

 3 轴封漏汽问题解决

 3.1 漏汽点分析

 对 3# 、4# 汽轮机轴封漏汽情况进行检查,3# 机组为 高压缸前、后轴封泄漏,4# 机组为超高压缸前轴封泄 漏。由于二次再热机组大修周期为 10~12 年,而目前 机组只运行了 5 年左右,不具备开缸检修条件。机组停 机且盘车停运时用塞尺测量轴封间隙,发现 3# 机组高 压缸前后轴封左右间隙偏差较大,但总间隙在标准范 围内,说明是转子与缸体因运行膨胀等原因发生了偏 移,造成轴封某个方向间隙大,可以通过碰缸调整的方 式来解决。 4# 机超高压缸前轴封上下、左右间隙均较大,说明 轴封整体被磨损,已无法通过碰缸的方式进行修正,需 考虑其他方法解决。

 3.2 轴端漏汽挡汽装置设计

 为了解决 4# 机超高压缸前轴封磨损漏汽大的问 题,可以在轴封外侧再设计一道密封,把漏出蒸汽引 出,防止水汽通过轴承室进入油系统,造成顶轴油系 统异常。 挡汽环材料设计为 12Cr1MoV 钢,可以耐受外缸 高温(图 5)。利用现有端面上的运输环螺栓孔进行安 装固定,在保证机组安全运行的前提下安装一个具有 阻汽功能的挡板对端部汽封漏汽进行阻挡,同时在挡 汽环上部开漏汽孔,将轴封漏汽回收至轴加。 挡汽装置采用两半的形式,在现场进行拼装。为防止挡汽装置与轴颈发生碰磨,设计和安装时应充分考 虑挡汽环的径向定位。挡汽齿必须光滑,防止汽轮机运 行时转子与挡汽齿碰磨,以保证任何工况下挡汽环连 接管道的膨胀、收缩不影响挡汽环与轴颈的径向间隙, 造成轴颈损坏。 挡汽环设计充分考虑轴向上与轴承座、油封环、汽 缸、转子等部件之间的空间限制和间隙要求,保证机组 安全稳定运行要求。应依据可能出现的最高工作温度 和压力,并能在此温度、压力下长期正常工作。

 挡汽环包含与挡汽环配套的 8 套柔性管接、2 套 压力表、2 套钢管及相关管件、2 套阀门、2 套紧固件、2 套挡汽环外表面保温喷涂材料、2 套密封材料等配套 辅材以及现场安装所需的消耗性材料等。

 4 综合整治 

4.1 完善顶轴油设备的预防性检修计划

 4.1.1 研究顶轴油模块原理和检修工艺 由于顶轴油模块为进口设备,检修需要交给专业 的外委厂家处理,一般外委工期需要 10 d 左右。因盘 车冷却需要投运顶轴油,每次顶轴油设备外委检修往 往在机组检修开工 20 d 以后才能回厂。而上汽二次再 热机组汽轮机轴瓦检修需投运顶轴油,受工期限制,顶 轴油系统液压设备无法送出检修。依靠外委厂家检修 的方式无法满足设备维护的需要,因此研究在现场检 修顶轴模块的方法非常必要。 在没有内部结构原理图的情况下,为了弄清顶轴 油泵出口模块原理,对换下的旧模块进行拆卸研究,画 出内部原理结构图。对电磁阀进行解体,做好每个拆解 步骤的详细记录,并拍照留存。设计试验装置,包括压 力气瓶、试验底座、测量仪表等部件,可以对模块进行 相关性能试验,验证检修质量,确保设备能够正常使 用。通过不断的试验与改进,电厂设备管理人员最终成 功地研究出顶轴油系统模块检修技术,并制成检修文 件包,方便后续的日常检修。

 4.1.2 修改检修规程 2022 年 1 月,该电厂对顶轴油系统检修规程进行 了修订,将顶轴油系统检修周期由 3 年 1 次检修改为 每年 1 次本厂自修,3 年 1 次外委检修。自修主要以清 理、检查记录为主,外委检修主要是以修复试验为主, 保证了顶轴油系统的检修质量。

4.2 顶轴油泵出口模块改造

 顶轴油模块只有 4 个油口,与电磁阀的 5 个油口 不匹配(图 6)。虽然在功能上满足使用要求,但是在该 电厂油系统环境中,会导致该电磁阀回油口对应的阀 芯容易生锈、聚集杂质,造成电磁阀卡涩或开不到位, 引起顶轴油系统异常。 为了解决该问题,对模块进行改进,直接把 2 个回 油孔打通。另外在模块前新设置 1 个前置滤网,对油颗 粒进行过滤。

 4.3 解决轴封漏汽量大问题

 4.3.1 轴端漏汽挡汽装置 

为解决轴封漏汽问 题,电厂专门设计了一个 轴端漏汽挡汽装置。该装 置为左、右两半结构,包括 管路、仪表、阀门等辅件, 装置镶有密封齿,与轴的 单边间隙为 0.6 mm,装 置底部设计有排汽管路, 与轴加入口相连接。其原理是通过轴加风机抽气作用, 使装置腔室保持负压,轴封泄漏的蒸汽进入到挡汽装 置内腔室,通过装置排汽管路引至轴加,有效避免轴封 漏出的蒸汽漏出并进入轴承箱。

 4.3.2 汽轮机碰缸调整轴封间隙

 为解决 3# 机高压缸轴封漏汽问题,考虑到轴封总 间隙在合格范围内,可用碰缸的工艺使轴封上下间隙 和左右间隙在合格范围内,从而解决轴封漏汽问题。用 千分表测量轴与缸体的相对位置,拆卸缸体立销、猫抓 滑板,通过千斤顶、顶起螺栓对缸体进行整体移动,得 到偏差值,再通过调整立销和滑板厚度来调整缸体与 转子的相对位置。

 4.4 在线滤油机流量不足

 为了解决在线滤油机修理不足的问题,该电厂专 门采购了 1 台 PALL 公司生产的 HVP200 型滤油机, 其处理流量为 12 000 L/h。大流量滤油机采用真空脱 水,相比较原在线滤油机的聚结滤芯脱水方式,脱水效 率更高、维护成本更低。

 4.5 更改轴承顶轴油软管接头连接形式

 由于顶轴油管与轴瓦进油口接头的云头胀接在短管上,在高压使用环境下很容易脱落。为解决这个问 题,电厂去掉了中间短管和中间云头,直接用两端的螺 母接头相连(图 7)。

 5 效果检查 

(1)修改顶轴油系统设 备检修计划和规程后,根据 设备的实际情况开展检修, 合理安排检修计划。经过本 次活动,检修人员成功掌握 了进口液压设备的检修技 术和技能,能够更加方便灵 活地开展检修,使设备和系统保持在健康的工作状态。 

(2)顶轴油模块改造后,经过 1 年运行后对其解体 检查,结果表明电磁阀阀芯,特别是原闷死的单侧回油 口处,无任何杂质聚集。经过本次改造优化,有效避免 了杂质卡住电磁阀和模块安装部件,改造效果显著。

 (3)汽轮机轴封漏汽处安装挡汽装置以及碰缸调 整后,在不同负荷工况下多次检查汽缸外部,确认无任 何漏汽,润滑油微水值在滤油机不投运的情况下依然 能在较长时间保持合格,说明本次优化成功解决了轴 封漏汽对顶轴油系统的影响。 

(4)增加大流量滤油机后,整个油系统处理能力大 大增强,而且能和原有的在线滤油机共同使用,总处理 流量能达到 18 000 L/h。在某次机组开机过程中,对滤 油机性能进行试验,油颗粒度由 12 级过滤至 6 级只需 8 h,微水由 532 mg/L 过滤至 50 mg/L 以内只需 5 h, 较整治前的过滤效率提高了 4~5 倍。滤油机的处理能 力增强后,在面对未来油系统不可预知的油质变差情 况能够很快地对其处理,系统抗异常能力大大增强。 

(5)顶轴油管接头优化后,经过 1 年的观察,3# 、4# 机 组未再发生顶轴油管脱落故障。在 2023 年 4# 机 C 修期 间,对各轴瓦接头检修检查,每个接头都非常牢固可靠, 无任何泄漏,证明接头优化取得了非常好的预后效果。 顶轴油系统故障率高问题的综合整治工作在 2022 年 3 月全部完成,对 2022 年 4 月—2023 年 6 月 期间的设备运行情况进行统计和检查。在 1 年多时间 的运行中,顶轴油系统发生故障的次数为 0 次,相较整 治前故障频发的情况,整治工作效果明显,达到了预期 效果,为汽轮机安全运行提供了可靠保障(图 8)。

6 结论 

(1)顶轴油系统主要作用是为汽轮机转子提供正 常、稳定的顶起油压,其故障形式主要为油压异常,而 顶轴油系统异常往往是由油质异常引起的。 

(2)为提高顶轴油系统的运行可靠性,除了要考虑 维持油质合格外,还应考虑在油质异常等特殊工况下, 顶轴系统是否能够适应和满足稳定运行要求。如果不 能满足,则应该分析、研究改善的方法,通过技术改造 等方式提高顶轴油系统的稳定性。 

(3)对于进口设备的维护,不应过度依赖外委检 修,要敢于担当,大胆尝试,吃透设备的工作原理和工 艺流程,把设备维护的主动权掌握在自己手中。 

(4)在设备管理和维修工作中,通过对某一问题 的系统分析和研究,可以解决许多相互关联潜在隐 患。例如本文为解决顶轴油系统频繁故障的问题, 系统地摸排、寻找末端因素,同时解决了润滑油系统 油质差,汽轮机轴封漏汽等关联系统中存在的隐患 与问题,最终成功改善了机组设备的整体健康运行 状况。

 (5)顶轴油系统运行状况对汽轮机健康运转的影 响极大,作为设备管理者要引起高度重视,认真分析故 障原因,及时消除故障隐患。