核電汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

趙巍巍

（中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021）

汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)的功能是向汽輪機(jī)端部軸封提供密封蒸汽，防止汽輪機(jī)在正常運行、啟動和停止時，環(huán)境中的空氣從軸封處漏入汽輪機(jī)或汽缸中的蒸汽漏入外界環(huán)境中，并回收汽輪機(jī)端部軸封和汽機(jī)進(jìn)汽閥閥桿的漏汽。目前，國內(nèi)已投運的百萬等級核電站中，無論是全速汽輪機(jī)還是半速汽輪機(jī)均無法達(dá)到自密封，即汽輪機(jī)正常運行（達(dá)到一定負(fù)荷）時，高中壓缸的端軸封漏汽的汽量和品質(zhì)無法滿足低壓缸端軸封的供汽要求，還需要外汽源供汽。文獻(xiàn)［1］對核電半速與全速汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)進(jìn)行了比較，半速汽輪機(jī)（嶺澳二期）啟停時的軸封蒸汽來自于輔助蒸汽，正常運行時的軸封蒸汽來自于主蒸汽；全速汽輪機(jī)（嶺澳一期）啟停時的軸封蒸汽來自于輔助蒸汽或主蒸汽，正常運行時不需外供汽源，由主汽門后的主蒸汽導(dǎo)管供高壓缸及低壓缸軸封蒸汽，此方案依然不能稱為自密封，主汽門后的主蒸汽導(dǎo)管供汽其實質(zhì)還是主蒸汽供汽。汽輪機(jī)正常運行時采用主蒸汽供軸封蒸汽，勢必減少汽輪機(jī)進(jìn)汽量，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。某核電汽輪機(jī)軸封耗汽量達(dá)到9.7t/h，約占蒸發(fā)器額定產(chǎn)汽量（6 144t/h）的0.16%，因此，有必要優(yōu)化汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)設(shè)計，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

1 某核電工程汽輪機(jī)主要參數(shù)及軸封供汽系統(tǒng)

某核電工程選用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的單軸、四缸六排汽（一個高壓缸、三個低壓缸）汽水分離中間再熱凝汽式半速汽輪機(jī)，汽輪機(jī)額定工況數(shù)據(jù)：

a.蒸發(fā)器的額定產(chǎn)汽量是6 144t/h，主汽閥進(jìn)口處壓力5.84 MPa（絕對壓力，下同），蒸汽濕度小于0.5%。

b.汽輪機(jī)高壓缸排汽（再熱冷段蒸汽）參數(shù)0.987 MPa，179.3 ℃（濕蒸汽，濕度約12.7%）。

c.啟動階段軸封蒸汽用量26.8t/h，正常運行階段軸封蒸汽用量為9.7t/h。

d.輔助蒸汽來自于已投運的機(jī)組的抽汽，0.85 MPa，濕度13%。

核電汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)見圖1，軸封供汽設(shè)有兩路汽源，一路是啟動汽源至輔助蒸汽，另一路是低壓缸端軸封工作汽源至主蒸汽。機(jī)組啟停時，輔助蒸汽經(jīng)高壓缸端軸封供汽調(diào)節(jié)閥和低壓缸端軸封供汽調(diào)節(jié)閥減壓后向高壓缸及低壓缸端軸封提供密封蒸汽，蒸汽壓力為0.13 MPa，所需最大蒸汽量為26.8t/h。當(dāng)機(jī)組功率高于15%額定功率時，高壓缸端軸封處于自密封狀態(tài)，溢流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)高壓缸端軸封壓力，多余的軸封蒸汽全部溢流至1號低加；低壓缸端軸封蒸汽全部由主蒸汽供給，消耗量高達(dá)9.7t/h，較文獻(xiàn)［1］中某制造廠的半速汽輪機(jī)耗汽量大，原因是文獻(xiàn)［1］中的汽輪機(jī)低壓缸端軸封蒸汽由主汽閥門桿漏汽、高壓缸端軸封漏汽和主蒸汽混合后供給，從而節(jié)省了主蒸汽耗量。

圖1 核電汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)

2 核電汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 汽輪機(jī)軸封啟動汽源的優(yōu)化

軸封蒸汽的溫度應(yīng)加以限制，軸封蒸汽溫度過高，會造成軸封部位由于熱應(yīng)力而造成轉(zhuǎn)子損壞；軸封蒸汽溫度過低，可能產(chǎn)生軸封處不均勻的熱變形，引起摩擦、振動，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水。在任何情況下軸封蒸汽過熱度不小于14℃，高中壓缸軸封蒸汽與轉(zhuǎn)子金屬溫度之間溫差小于110 ℃，低壓軸封蒸汽溫度在121～177 ℃之間［2］。

本工程現(xiàn)有的輔助蒸汽濕度較大，即使節(jié)流減壓到0.13 MPa后，依然有9%左右的濕度，不滿足軸封蒸汽的過熱度要求。替代現(xiàn)有的輔助蒸汽需要新建輔助鍋爐，增加工程的初投資及日后的運行、維護(hù)費用，較為可行的提高輔助蒸汽品質(zhì)（干度）的方案有2種。

第1種方案：設(shè)置電加熱器加熱輔助蒸汽。按照軸封供汽過熱度14 ℃計算，將26.8t/h的輔助蒸汽加熱到所需要求，經(jīng)計算，電加熱功率至少為1 600kW，設(shè)備投資較大，占地面積大、布置困難，且需增加機(jī)組啟動用變壓器的容量。

第2種方案：設(shè)置汽水分離器除濕，提高蒸汽干度（見圖2）。從分離器分離出來的疏水進(jìn)入疏水箱，疏水箱配有調(diào)節(jié)閥控制水位，疏水最終回收入凝汽器。按最大軸封蒸汽量（26.8t/h）設(shè)置的汽水分離器、疏水箱、水位調(diào)節(jié)閥及相關(guān)管道等，增加投資約70萬元。

圖2 再熱冷段供軸封蒸汽系統(tǒng)

比較2種方案，利用汽水分離器除濕，提高蒸汽干度的方案更合理。

2.2 汽輪機(jī)低壓缸端軸封工作汽源的優(yōu)化

汽輪機(jī)低壓缸端軸封的工作汽源采用主蒸汽，耗量達(dá)到9.7t/h，約占額定主蒸汽量（6 144t/h）的0.16%，影響機(jī)組出力，有必要為低壓缸端軸封尋找替代的工作汽源。由于汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)與輔助蒸汽參數(shù)相當(dāng)，可以采用汽輪機(jī)高壓缸排汽替代主蒸汽作為低壓缸端軸封的工作汽源。

設(shè)置由汽輪機(jī)再熱冷段蒸汽（高壓缸排汽）到軸封系統(tǒng)供汽的管路，與輔助蒸汽共用汽水分離器，機(jī)組正常運行時，約有11.1t/h的高壓缸排汽流經(jīng)汽水分離器除濕后，向低壓缸端軸封提供約9.7t/h的工作蒸汽。

機(jī)組啟動時，高低缸端軸封的蒸汽均由輔助蒸汽提供，在主蒸汽具備條件時，可以由主蒸汽提供軸封蒸汽，減小鄰機(jī)輔助蒸汽量。當(dāng)機(jī)組達(dá)到15%額定負(fù)荷時，高壓缸端軸封處于自密封狀態(tài)，關(guān)閉高壓缸端軸封供汽調(diào)節(jié)閥，主蒸汽僅向低壓缸端軸封提供軸封蒸汽，當(dāng)汽輪機(jī)高壓缸排汽達(dá)到0.85 MPa時，可以逐步切換到再熱冷段經(jīng)汽水分離器，除濕后供汽。當(dāng)汽水分離器或汽輪機(jī)再熱冷段蒸汽故障時，聯(lián)鎖投入主蒸汽軸封供汽調(diào)節(jié)閥向軸封供汽。主蒸汽作為低壓缸端軸封工作汽源的備用汽源，提高了供汽系統(tǒng)的可靠性。

3 經(jīng)濟(jì)性比較

以圖1中所示的核電汽輪機(jī)軸封供汽系統(tǒng)（簡稱原方案）為基準(zhǔn)，與圖2所示的采用汽輪機(jī)高壓缸排汽作為低壓缸端軸封的工作汽源的優(yōu)化方案（簡稱優(yōu)化方案）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，比較結(jié)果見表1。

由表1 可知，優(yōu)化方案的初投資僅增加70 萬元，但機(jī)組額定出力（熱平衡計算所得）由1 177 MW增加到1 178 MW，每年增加收入191萬元，當(dāng)年即可收回初投資，每臺機(jī)組壽期（60年）內(nèi)可增加收入約11 460萬元。

表1 原方案與優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性比較

4 結(jié)論

本文根據(jù)工程的特點，對某核電汽輪機(jī)的軸封供汽系統(tǒng)的啟動汽源及工作汽源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。針對軸封供汽的啟動汽源濕度較大的情況，核電汽輪機(jī)優(yōu)先選用汽水分離器除濕，提高蒸汽干度，提出的軸封供汽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，具有如下優(yōu)點。

a.適應(yīng)性強(qiáng)。不需要改變汽輪機(jī)本體設(shè)計，僅調(diào)整軸封供汽系統(tǒng)。

b.可靠性強(qiáng)。不改變原有軸封的供汽汽源，增加一路供汽汽源，供汽可靠性更強(qiáng)。

c.經(jīng)濟(jì)性好。采用高壓缸排汽作為低壓缸端軸封工作汽源可以提高汽輪發(fā)電機(jī)組效率約0.05%。

對于將主蒸汽作為汽輪機(jī)低壓缸端軸封工作汽源的軸封供汽系統(tǒng)，有必要結(jié)合工程的具體條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理選擇低壓缸端軸封的工作汽源，提高汽輪發(fā)電機(jī)組效率。本文提出的優(yōu)化方案已獲得國家實用新型專利［3］。

［1］ 王小剛，范瑞波.核電半速與全速汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)的比較與優(yōu)化［J］.熱力透平，2010，39（4）：239－242.

［2］ 王旭.汽輪機(jī)低壓軸封蒸汽溫度瞬間突降分析及對策［J］.華北電力技術(shù)，2003，（1）：38－39.

［3］ 劉向明，裴育峰，趙巍巍.一種汽輪機(jī)低壓缸端軸供汽系統(tǒng)：中國，ZL201420295509.9［P］.2014－10－29.