汽輪機軸封抱死的原因及預(yù)防措施

王國琦，姚昌模，屈紫懿，魯冠軍

(1.廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東惠州516000;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053)

0 前言

西門子1000MW汽輪機由上海電氣集團聯(lián)合西門子公司設(shè)計，為單軸、四缸四排汽、反動凝汽式。廣東惠州平海發(fā)電廠一期2×1000MW超超臨界燃煤機組就選用上述汽輪機，由于西門子1000MW汽輪機高、中壓缸軸封間隙較小(約為0.3mm)，且使用的液壓盤車力矩較電動盤車力矩偏小。在機組運行時，當(dāng)主機軸封處溫度發(fā)生顯著變化時，高、中壓缸端部軸封及軸封處大軸會發(fā)生急劇冷卻收縮，有可能導(dǎo)致軸封或汽缸內(nèi)部動靜部分碰磨，進(jìn)而導(dǎo)致汽輪機大軸在軸封處抱死，影響單元機組的正常運行。

目前國內(nèi)西門子1000MW汽輪機在浙江玉環(huán)電廠、上海外高橋電廠、天津國投北疆電廠均發(fā)生過軸封抱死的問題。為了避免上述問題給電廠安全和經(jīng)濟性造成影響，下面從廣東惠州平海發(fā)電廠軸封系統(tǒng)的作用、結(jié)構(gòu)及軸封供汽控制系統(tǒng)特點出發(fā)，分析有可能導(dǎo)致軸封抱死的原因及預(yù)防措施。

圖1 1000MW汽輪機軸封系統(tǒng)

1 軸封系統(tǒng)的作用及結(jié)構(gòu)特點

1.1 軸封系統(tǒng)的作用

軸封系統(tǒng)的主要作用是向汽輪機、給水泵小汽輪機的軸封提供密封蒸汽，同時將各汽封的漏汽合理導(dǎo)出或抽出。在汽輪機的高壓區(qū)段，軸封系統(tǒng)的正常功能是防止蒸汽向外泄漏;在汽輪機的低壓區(qū)段，則是防止外界的空氣進(jìn)入汽輪機內(nèi)部，保證汽輪機有盡可能高的真空，以確保汽輪機組的高效率。

1.2 軸封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

1.2.1 軸封系統(tǒng)供汽汽源

如圖1所示，該廠軸封蒸汽系統(tǒng)有兩路汽源:在啟動及停機時軸封蒸汽的汽源來自于輔汽聯(lián)箱，輔汽經(jīng)過減溫減壓后進(jìn)入軸封供汽母管，其中輔汽聯(lián)箱的汽源又來自于本機四抽、冷再、鄰機及啟動鍋爐;隨著機組負(fù)荷的增加，軸封供汽切至高中壓主汽閥、高中壓調(diào)閥及補氣閥等門桿漏汽供汽。在軸封供汽的母管上共有7路，分別引至高、中、低壓缸的端部軸封處。

1.2.2 軸封結(jié)構(gòu)

在汽輪機的高、中、低壓缸中，汽缸內(nèi)外壓差較大。正常運行時，高壓缸軸封要承受很高的正壓差，中壓缸軸封次之，而低壓缸則要承受很高的負(fù)壓差，因此，這三個汽缸的軸封設(shè)計有較大的區(qū)別。為實現(xiàn)蒸汽不外漏、空氣不內(nèi)漏的軸封設(shè)計準(zhǔn)則，除通過結(jié)構(gòu)設(shè)計較小通過軸封的蒸汽(或空氣)的通流量外，還必須借助外部調(diào)節(jié)控制手段阻止蒸汽的外泄或空氣的內(nèi)漏，因此汽缸軸封必然設(shè)計成多段多腔室結(jié)構(gòu)。為阻止蒸汽不外泄到大氣，避免軸承的潤滑油中帶水，應(yīng)使與大氣交界的腔室處于微真空狀態(tài);為防止空氣漏入汽缸，應(yīng)使與蒸汽交界的腔室處于正壓狀態(tài)。

該廠西門子1000MW汽輪機軸封采用交錯汽封片聯(lián)鎖密封和汽封齒式非聯(lián)鎖迷宮密封兩種形式，如圖2所示。在相對膨脹較小的區(qū)域采用交錯汽封片聯(lián)鎖密封，在相對膨脹較大的區(qū)域則采用汽封齒式非聯(lián)鎖迷宮密封。

1)高壓缸軸封

圖2 1000MW汽輪機軸封的兩種結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，汽輪機高壓缸有兩個軸封，由于高壓缸前端軸封漏汽的壓力、溫度較高，因此高壓缸前端軸封較長，由五段四個腔室組成，后端軸封由四段三個腔室組成。機組正常運行時，為了不使高溫汽流向外泄漏，軸封汽直接送入高壓缸第三個前軸封汽室(由內(nèi)往外數(shù)，下同)和后端第二個軸封汽室。高壓缸第二個前軸封汽室和第一個后軸封汽室內(nèi)的漏汽直接引至中壓缸排汽管，而第四個前軸封和第三個后軸封汽室的漏汽通過高壓缸軸封回汽閥匯集至低壓汽封漏汽母管。

2)中壓缸軸封

如圖1所示，中壓缸前、后兩端各有三段兩個汽室，軸封汽被分別送入兩端第一段軸封后的汽室，而兩端第二個軸封汽室內(nèi)的漏汽同樣通過軸封回汽閥進(jìn)入低壓汽封漏汽母管。

3)低壓缸軸封

如圖1所示，低壓缸的前、后端軸封均由三段兩個汽室組成，兩端第一個軸封汽室與軸封母管相連，兩端第二個軸封汽室內(nèi)的漏汽匯集至低壓汽封漏汽母管。

2 軸封供汽控制系統(tǒng)的特點

該廠軸封供汽系統(tǒng)設(shè)有軸封壓力控制回路和溫度控制回路，其中軸封壓力控制回路是通過調(diào)節(jié)軸封供汽調(diào)門、溢流調(diào)門的開度來實現(xiàn)的，并且兩個閥門是由一個控制器實現(xiàn)的，即兩個閥門不能同時開啟，當(dāng)軸封壓力高于設(shè)置值時，供汽調(diào)閥逐漸關(guān)小，直到軸封供汽調(diào)閥全關(guān)后才允許軸封溢流調(diào)閥開啟。

在啟動階段，軸封供汽由輔助蒸汽供給，來自輔助聯(lián)箱的輔汽經(jīng)過減溫器減溫后，一路至小機軸封供汽，一路至主機軸封供汽。主機軸封供汽經(jīng)軸封供汽調(diào)壓閥減壓后，供至軸封供汽母管，分別供至高中低壓缸的各個軸封段，即通過軸封供汽調(diào)門來維持軸封壓力，軸封溫度靠供汽調(diào)門前的減溫器來控制，該廠軸封系統(tǒng)對于軸封溫度要求非常嚴(yán)格，軸封供汽調(diào)門前的溫度與高壓轉(zhuǎn)子計算溫度成對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 汽輪機軸封供汽溫度控制曲線

當(dāng)主機高壓轉(zhuǎn)子計算溫度大于300℃時，軸封供汽調(diào)門前的溫度應(yīng)控制在280～320℃;當(dāng)主機高壓轉(zhuǎn)子計算溫度低于200℃時，即冷態(tài)沖轉(zhuǎn)時，軸封供汽調(diào)門前的溫度可適當(dāng)降低為240～300℃，允許的進(jìn)汽溫度為圖3中兩條折線之間的部分，如果出現(xiàn)溫度過高或者過低，或者供汽調(diào)門前蒸汽過熱度過低，均會強關(guān)軸封供汽調(diào)門。

隨著機組負(fù)荷的增加，軸封系統(tǒng)進(jìn)入到自密封階段，此時軸封供汽調(diào)門保持關(guān)閉，溢流調(diào)門來調(diào)節(jié)軸封壓力，當(dāng)軸封母管的壓力高于設(shè)定值3.5kPa后，軸封溢流閥開啟，使多余的蒸汽進(jìn)入凝汽器來調(diào)節(jié)軸封壓力在設(shè)定值，此時當(dāng)軸封供汽母管的溫度高于310℃時，溫度控制回路會產(chǎn)生積分量動作于軸封供汽調(diào)門，使軸封供汽調(diào)門微開，靠節(jié)流產(chǎn)生的部分冷氣來調(diào)節(jié)軸封供汽母管的溫度。此時軸封供汽調(diào)門前蒸汽允許進(jìn)汽溫度為圖4中曲線下面的部分，同時必須有5℃以上的過熱度，否則軸封供汽調(diào)閥會強制關(guān)閉。

圖4 汽輪機軸封冷卻蒸汽溫度控制曲線

3 汽輪機軸封抱死的原因

3.1 輔助蒸汽溫度低

機組正常運行時該廠輔助蒸汽系統(tǒng)的汽源來自于本機四抽，冷再作為備用;在機組啟停階段，輔汽來自于相鄰機組或者啟動鍋爐。在機組正常運行階段，輔助蒸汽系統(tǒng)用戶很少，幾乎為死汽，有可能造成軸封溫度較低。

機組啟停時，輔汽聯(lián)箱至主機軸封的供汽主要來自于啟動鍋爐或鄰機輔汽聯(lián)箱，該廠啟動鍋爐設(shè)計出口溫度為350℃，正常運行時鄰機輔汽聯(lián)箱溫度在350℃左右，考慮到啟動鍋爐和鄰機輔汽聯(lián)箱至本機輔汽聯(lián)箱的距離較遠(yuǎn)，啟停機時，尤其是停機的時候，如果管路疏水不當(dāng)，會造成輔汽聯(lián)箱的蒸汽溫度較低。

冷段再熱蒸汽是本機輔汽聯(lián)箱的備用汽源，在機組低負(fù)荷運行或停機過程中，由于四抽壓力較低，可能會短時采用冷再熱蒸汽供輔汽。在高旁開啟時，為控制高旁后的蒸汽溫度，高旁減溫水會投入，如果減溫水調(diào)閥調(diào)節(jié)不好或者減溫水調(diào)閥關(guān)閉后存在內(nèi)漏，均會造成輔汽溫度較低，進(jìn)而造成軸封溫度較低。

3.2 軸封減溫水內(nèi)漏

該廠主機軸封和小機軸封的減溫水設(shè)計為同一個減溫器，正常運行時減溫水以主機軸封溫度設(shè)定值作為調(diào)節(jié)的對象，為了保證主機軸封溫度的穩(wěn)定，減溫水調(diào)閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)要保證良好，減溫器后面的溫度測點一定要遠(yuǎn)離減溫器，避免溫度變化太敏感造成減溫水調(diào)閥調(diào)節(jié)擺動，另外要求減溫水調(diào)閥關(guān)閉后能防止內(nèi)漏。

3.3 冷空氣漏入

在機組正常運行中，高中壓主汽門、調(diào)門及補氣閥的門桿漏氣溫度很高，此時主機軸封供汽調(diào)閥起著調(diào)節(jié)軸封溫度的功能，當(dāng)軸封母管溫度高于310℃時，軸封供汽調(diào)閥微開啟，靠節(jié)流減溫的形式來降低軸封母管溫度，但同時軸封供汽調(diào)閥的開關(guān)受其之前的溫度限制，當(dāng)軸封供汽調(diào)閥前的溫度高于320℃時，軸封供汽調(diào)閥強制關(guān)閉，從而造成軸封母管壓力不斷地波動，有可能造成外部的冷空氣進(jìn)入汽缸的端部。

3.4 軸封系統(tǒng)疏水不當(dāng)

為防止軸封蒸汽溫度低，該廠軸封系統(tǒng)在軸封減溫器后、主機軸封供汽調(diào)閥前、軸封供汽母管上以及軸封供汽母管至各軸封段的分支上均設(shè)計有疏水門。在投用軸封時，如果疏水不當(dāng)或者疏水時間太短，將造成冷水、冷汽進(jìn)入軸封系統(tǒng)。尤其對于低壓缸段軸封，由于低壓缸段軸封供汽管道需經(jīng)過凝汽器內(nèi)部方可到達(dá)低壓軸封處，軸封蒸汽很容易被冷卻。

4 防止汽輪機軸封抱死的措施

為保證汽輪機安全、經(jīng)濟運行，可采取以下措施防止汽輪機軸封抱死。

(1)DCS及大屏聲光報警中，引入“輔汽聯(lián)箱溫度低”及“軸封母管溫度低”報警。

(2)高旁減溫水的關(guān)閉邏輯要考慮好，確保高旁減溫水能夠關(guān)嚴(yán)，防止高旁減溫水竄入輔汽系統(tǒng)。

(3)機組啟停時，輔汽需切至鄰機或啟動爐時，需加強沿途管道的疏水，確保輔汽聯(lián)箱的溫度高于280℃。

(4)主機軸封供汽站前的溫度測點應(yīng)遠(yuǎn)離軸封減溫器，軸封減溫水調(diào)門調(diào)節(jié)品質(zhì)應(yīng)良好，能夠保證軸封汽溫度的穩(wěn)定;另外，軸封減溫水的零位應(yīng)校正好，防止減溫水調(diào)門關(guān)閉后，仍有減溫水進(jìn)入軸封系統(tǒng)。

(5)軸封供汽調(diào)閥前疏水器的旁路門應(yīng)改為電動門，并將軸封供汽調(diào)閥前的溫度引入其開關(guān)的邏輯中去。因為在機組正常運行中，軸封供汽調(diào)閥經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，這就造成軸封供汽調(diào)閥前的蒸汽為死汽，溫度降低后凝結(jié)成水，可以通過疏水器排走，但形成的低溫蒸汽不能及時排走，有必要將此處的手動門更改為電動門，可及時地排走冷水冷汽。

(6)在軸封供汽調(diào)閥開始調(diào)溫時，如軸封供汽調(diào)閥前溫度高于320℃，軸封供汽調(diào)閥會強制關(guān)閉?？稍谶壿嬛性O(shè)置積分量，使軸封供汽調(diào)閥緩慢關(guān)閉，防止軸封供汽調(diào)閥關(guān)閉太快，造成軸封母管壓力波動。

(7)在軸封供汽母管至各段軸封處增設(shè)溫度監(jiān)視測點，將現(xiàn)有的高、中壓段疏水手動門更換為電動門，并且將各段溫度引入各電動門的開關(guān)邏輯中，當(dāng)軸封溫度低時，能迅速自動開啟疏水電動門疏水。

(8)該廠輔汽系統(tǒng)正常運行中沒有連續(xù)供汽用戶，長期運行輔汽聯(lián)箱溫度會逐步下降，運行中嚴(yán)格控制輔汽聯(lián)箱溫度大于280度，溫度低時及時開啟疏水旁路，提高輔汽溫度。

5 總結(jié)

由于汽輪機軸封系統(tǒng)運行的好壞直接關(guān)系到汽輪機組能否安全、經(jīng)濟地運行。因此，為了防止汽輪機軸封抱死對整個電廠運行的影響，在機組運行中應(yīng)加強監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取有效措施，防止事故的擴大。

［1］ 吳春潮，王峰，諶麗.1000MW汽輪機啟、停過程中防止軸封抱死的措施［J］.華電技術(shù)，2011，(6).

［2］ 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院.汽輪機設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［3］ 胡念蘇.超超臨界機組汽輪機設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.