背壓汽輪機(jī)運(yùn)行中的問題分析及解決

張 義，周小林，鹿文彬

（克拉瑪依石化公司熱電廠，新疆克拉瑪依 834003）

0 概述

克拉瑪依石化公司熱電廠（簡稱熱電廠）共有4臺(tái)130 t/h中壓煤粉鍋爐，配套建有2×12 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪發(fā)電機(jī)組額定抽汽量為60 t/h，同時(shí)配有2臺(tái)能力為2×120 t/h的減溫減壓器（3.5～1 MPa）。熱電廠負(fù)責(zé)向石化煉油裝置提供中壓蒸汽和低壓蒸汽，低壓蒸汽主要由汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)工業(yè)抽汽和減溫減壓器供給，而減溫減壓器存在一定的節(jié)流熱損失。熱電廠2010年通過安裝一臺(tái)背壓汽輪機(jī)來拖動(dòng)給水泵，這樣既實(shí)現(xiàn)了蒸汽能量的梯級(jí)利用，也節(jié)約了廠用電耗量。但是背壓汽輪機(jī)安裝投運(yùn)以來，主要存在排汽溫度高、汽輪機(jī)前后軸承溫度高、氣封冷卻器工作失常等問題，嚴(yán)重影響著機(jī)組的長周期安全運(yùn)行。

1 背壓汽輪機(jī)組工藝流程（圖1）

背壓汽輪機(jī)的新蒸汽經(jīng)主蒸汽電動(dòng)門、汽輪機(jī)速關(guān)主汽門至汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽缸，經(jīng)噴嘴組沖動(dòng)葉輪做功后排入背壓低壓蒸汽母管，供入煉油裝置。在低壓母管前聯(lián)動(dòng)有手動(dòng)、電動(dòng)放空閥及彈簧安全閥，在機(jī)組背壓過高時(shí)可將被壓蒸汽自動(dòng)排入大汽，以確保機(jī)組安全。從機(jī)組組合汽閥和汽缸中來的凝結(jié)疏水以及背壓管網(wǎng)中的凝結(jié)疏水直接排入地溝。汽輪機(jī)前后氣封漏汽排入氣封冷卻器。

圖1 背壓汽輪機(jī)組工藝流程

背壓汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)：型號(hào)B0.51-3.6/1.3，單級(jí)背壓式，設(shè)計(jì)功率510 kW，額定轉(zhuǎn)速2980 r/min，跳閘轉(zhuǎn)速3220～3280 r/min，蒸汽壓力3.6 MPa，蒸汽溫度435℃，排汽壓力1.3 MPa，杭州大路汽輪機(jī)廠生產(chǎn)。

2 背壓汽輪機(jī)運(yùn)行中存在的問題及原因分析

2.1 汽輪機(jī)排汽溫度高原因分析

熱電廠的單級(jí)背壓式汽輪機(jī)，進(jìn)汽為鍋爐產(chǎn)出的中壓蒸汽，參數(shù)基本穩(wěn)定，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功拖動(dòng)給水泵負(fù)載，安裝試運(yùn)過程中發(fā)現(xiàn)排汽溫度過高，溫度高達(dá)370℃，說明背壓汽輪機(jī)內(nèi)效率較低。造成效率低的因素主要是噴嘴結(jié)垢、葉片結(jié)垢、噴嘴和葉片因工況變化而變形嚴(yán)重。但熱電廠背壓汽輪機(jī)是剛出廠首次投入運(yùn)行，機(jī)組噴嘴和葉片均無結(jié)垢，故排除以上原因。根據(jù)與廠家技術(shù)人員的溝通，確定排汽溫度高是由于廠家設(shè)計(jì)問題，并非運(yùn)行和設(shè)備問題。

2.2 汽輪機(jī)氣封漏汽量大原因分析

熱電廠的背壓汽輪機(jī)前后氣封為梳齒式迷宮氣封，梳齒式氣封因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠且易于安裝，結(jié)構(gòu)如圖2所示。疏齒式密封的密封原理是利用逐級(jí)節(jié)流膨脹增加流阻的方法來抑制泄漏，由于受設(shè)備軸向長度的限制，其泄漏量一般比較大。

梳齒式迷宮氣封主要有以下缺點(diǎn)：傳統(tǒng)迷宮密封在實(shí)際運(yùn)行過程中，并不能完全保證設(shè)計(jì)間隙，由于起機(jī)過臨界、異常振動(dòng)、氣流激振等原因，都會(huì)使氣封齒造成永久性的磨損，導(dǎo)致密封間隙的成倍增加，也就是說，調(diào)整好的氣封間隙很有可能在第一次啟動(dòng)過臨界時(shí)就被磨大了。因此考慮到轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)，梳齒式迷宮氣封安裝時(shí)徑向間隙一般為0.6～0.8 mm，根據(jù)轉(zhuǎn)子不同情況，有的間隙更大。由于軸封漏汽量較大（尤其在氣封齒被磨損后），蒸汽對(duì)軸的加熱區(qū)段長度有所增加，并且溫度也有所升高，使脹差變大，軸上凸臺(tái)和氣封塊的高、低齒發(fā)生相對(duì)位移而倒伏，造成漏汽量增加，密封效果得不到保證。

2.3 汽輪機(jī)氣封冷卻器工作失常原因分析

圖2 梳齒式氣封結(jié)構(gòu)

熱電廠的背壓汽輪機(jī)氣封冷卻器的作用是將背壓汽輪機(jī)前后氣封漏出的蒸汽通過抽汽器抽出進(jìn)入氣封冷卻器一級(jí)。一級(jí)冷卻軸封蒸汽，內(nèi)部是真空，其真空靠一級(jí)軸封抽氣器抽出不凝結(jié)氣體及蒸汽冷凝產(chǎn)生。二級(jí)冷卻的是一級(jí)軸封抽氣器的動(dòng)力蒸汽，壓力是常壓，根據(jù)氣封冷卻器的工作原理可知，氣封冷卻器一級(jí)內(nèi)部是真空，才能將背壓汽輪機(jī)前后氣封漏汽抽出，所以氣封冷卻器一級(jí)腔體必須是與大氣隔絕的密閉腔體，在抽氣器投入運(yùn)行時(shí)才能形成負(fù)壓，熱電廠背壓汽輪機(jī)安裝時(shí)將氣封冷卻器安裝在廠房零米位置，一、二級(jí)疏水直排地溝，造成軸封啟動(dòng)時(shí)，第一級(jí)真空不能很好建立，造成氣封冷卻器工作失常。

3 背壓汽輪機(jī)改造方案

3.1 汽輪機(jī)排汽溫度高改造方案

在機(jī)組運(yùn)行中排汽壓力正常，僅排汽溫度一項(xiàng)超過規(guī)定值，可以通過在排汽管道上安裝排汽減溫水裝置來降低排汽溫度。在蒸汽管道中最簡單的排汽減溫水裝置是采用不可調(diào)節(jié)的單孔噴嘴，它是將具有一定壓力的減溫水從噴嘴中成霧狀噴出，與管道內(nèi)的蒸汽混合熱交換從而達(dá)到降低蒸汽溫度的目的。因此減溫噴嘴霧化效果的好壞直接關(guān)系到機(jī)組的運(yùn)行安全性，若霧化效果不好，不但起不到減溫效果，而且會(huì)形成大量的未霧化的水柱流，可能造成管道水擊，對(duì)蒸汽管網(wǎng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

噴嘴減溫水的霧化取決于噴嘴前的水壓和所采用的噴嘴形式，減溫水的壓力和凈度是減溫器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的2個(gè)要素，為了避免減溫水在噴嘴處蒸發(fā)結(jié)垢堵塞噴嘴，就要求減溫水應(yīng)是充分清潔的，同時(shí)根據(jù)減溫原理，減溫水壓力必須高于排汽壓力，減溫水溫度必須低于背壓汽輪機(jī)排汽溫度，從而達(dá)到減溫目的，根據(jù)以上條件，熱電廠減溫水裝置選定中壓除氧水作為減溫水。減溫水量，通過在給定的蒸汽流量下，減溫水吸收的熱量和蒸汽被減溫后放出的熱量之間的熱平衡計(jì)算求得。

減溫噴嘴形式的確定是決定減溫效果好壞的另一個(gè)要素，不同的噴嘴會(huì)有不同的霧化效果，目前比較常見的噴嘴有旋流式和離心式兩種。根據(jù)查閱相關(guān)資料和了解其他企業(yè)的使用情況，熱電廠選用離心式噴嘴。利用給水泵出口中壓除氧水作為減溫水，在排汽管道直管段上安裝噴水減溫裝置。

3.2 汽輪機(jī)軸承溫度高技術(shù)改造方案

根據(jù)檢修人員揭缸檢查情況和運(yùn)行中機(jī)組軸封漏汽量大情況進(jìn)行分析，確定熱電廠汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)動(dòng)靜摩擦，導(dǎo)致氣封與氣缸間隙變大，氣封漏汽量增大。根據(jù)分析結(jié)果，要徹底解決氣封漏汽問題，可對(duì)汽輪機(jī)氣封齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，熱電廠背壓機(jī)組改造前的氣封形式為梳齒型平齒氣封（圖3），此種氣封齒漏汽量非常大，計(jì)算得到的平齒漏汽總量為250 kg/h，而平齒實(shí)際的漏汽量要達(dá)到500 kg/h。氣封與氣缸之間間隙為20 mm，氣封齒高度也只有20 mm，受背壓汽輪機(jī)前后氣封尺寸的限制，對(duì)前后氣封進(jìn)行較大改造不易實(shí)現(xiàn)，故可將氣封平齒密封形式改為高低齒型氣封。優(yōu)化后的氣封結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。更改后的氣封結(jié)構(gòu)能減少漏汽量到200 kg/h 這樣機(jī)組在運(yùn)行過程中不會(huì)存在漏汽現(xiàn)象，可大大提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益性能。

圖3 改造前氣封結(jié)構(gòu)

圖4 改造后的高低齒氣封結(jié)構(gòu)

3.3 汽輪機(jī)氣封冷卻器技術(shù)改造方案

氣封冷卻器的工作原理是汽輪機(jī)前后氣封漏汽進(jìn)入氣封冷卻器第一級(jí)冷凝，在冷卻過程中，蒸汽凝結(jié)成水，會(huì)形成微負(fù)壓，而內(nèi)部一些不凝結(jié)氣體由抽汽器帶走，隨新蒸汽一起排到放到第二級(jí)腔室內(nèi)，從而保證氣封漏汽可以順利排入氣封冷卻器，氣封冷卻器簡圖見圖5。由于熱電廠背壓汽輪機(jī)安裝時(shí)將氣封冷卻器安裝在廠房0 m位置，一、二級(jí)疏水直排地溝，第一級(jí)腔體內(nèi)具有一定的真空，這就導(dǎo)致氣封冷卻器第一級(jí)疏水無法自然排出，隨著第一級(jí)腔室內(nèi)的疏水增多，換熱面積減小，真空降低，導(dǎo)致氣封漏汽就無法順利排入氣封冷卻器。根據(jù)分析原因，可將氣封冷卻器安裝高度提高，同時(shí)一二級(jí)疏水采用U形水封，一般情況，U形管距離保持在600 mm以上。第二級(jí)冷卻器由于內(nèi)腔是微正壓，所以疏水比較順暢。

圖5 氣封冷卻器

4 背壓汽輪機(jī)改造方案實(shí)施

4.1 安裝排汽減溫水裝置

4.1.1 減溫水量的計(jì)算

查閱資料，排汽壓力1.3 MPa、溫度370℃的蒸汽焓值h1=3193 kJ/kg；排汽壓力1.3 MPa、溫度320℃的蒸汽焓值h2=3085 kJ/kg；減溫水壓力5.5 MPa、溫度104℃的減溫水焓值h0=440 kJ/kg。根據(jù)減溫減壓熱量和質(zhì)量平衡公式，得出減溫1000 kg 蒸汽所需減溫水量公式q=（h1-h2）（/h1-h0）q=0.039 t。背壓汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大進(jìn)汽量為12 t/h，所需最大減溫水量0.468 t/h。

4.1.2 減溫水管道的選擇

所需減溫水量大概范圍確定后，選取減溫水管道需要進(jìn)行計(jì)算。如果選的過大，會(huì)影響日常操作，減溫水不易調(diào)整，另外減溫水閥門長期處于節(jié)流狀態(tài)，容易引起閥門沖刷內(nèi)漏，增加檢修工作量。如果選的過小，那將不能達(dá)到排氣減溫的目的，所以選擇合適的減溫水管道非常重要。根據(jù)計(jì)算得到的減溫水量，查閱無縫鋼管流體流量、流速對(duì)照表，給水管道流速一般選1.2，根據(jù)對(duì)照表，選擇DN20 mm以下管道即可。為方便安裝和控制，可選擇Φ14×3 mm的儀表引壓管和針芯閥作為冷卻水管和控制閥門。為保證減溫效果，在減溫水管兩側(cè)各安裝一路減溫水噴嘴進(jìn)行減溫。

4.1.3 噴嘴的制作及實(shí)驗(yàn)

確定采用Φ14×3 mm的儀表引壓管作為冷卻水管，為方便噴嘴與減溫水管路的連接，采用直徑20 mm鋼圓鋼制作噴嘴，利用車床加工，具體樣式見圖6。噴嘴制作完成后，將噴嘴與無鹽水管線連接，來驗(yàn)證噴嘴的噴水霧化效果，實(shí)驗(yàn)一次性成功，表明自行委托加工的噴嘴符合噴水減溫要求，可以安裝。

圖6 減溫水噴嘴

4.1.4 噴嘴及減溫水管線的安裝試運(yùn)

背壓汽輪機(jī)排汽管道管徑為DN250 mm，為保證減溫效果，采取對(duì)稱兩側(cè)安裝減溫水噴嘴，減溫水從汽動(dòng)給水泵出口再循環(huán)DN65 mm管線上接兩路Φ14×3 mm管線作為冷卻水管線（圖7），每一路冷卻水管線上安裝減溫水一次門和二次門進(jìn)行調(diào)整。排汽減溫裝置安裝后，投入背壓汽動(dòng)給水泵進(jìn)行試運(yùn)，背壓汽輪機(jī)滿負(fù)荷情況下，試運(yùn)效果良好，在全開一路減溫水的情況下，即可將排氣溫度降至330℃，另一路投入可將排汽溫度降至300℃，排汽管道運(yùn)行正常，未出現(xiàn)水擊和振動(dòng)，說明本次技術(shù)改造解決了背壓汽輪機(jī)排汽高的問題。

4.2 背壓汽輪機(jī)前后氣封改造

根據(jù)梳齒式迷宮氣封的特點(diǎn)，傳統(tǒng)迷宮密封在實(shí)際運(yùn)行過程中，并不能完全保證設(shè)計(jì)間隙，由于起機(jī)過臨界、異常振動(dòng)、氣流激振等原因，都會(huì)使氣封齒造成永久性的磨損，導(dǎo)致密封間隙成倍的增加，造成軸封漏汽量增大。由于受背壓汽輪機(jī)前后氣封尺寸的限制，對(duì)前后氣封進(jìn)行較大改造不易實(shí)現(xiàn)，故熱電廠將前后氣封由平齒密封形式改為高低齒型氣封，更改后的氣封結(jié)構(gòu)能減少漏汽量到200 kg/h，經(jīng)過一年的運(yùn)行，機(jī)組在運(yùn)行過程中漏汽量明顯減少，同時(shí)前后軸承溫度也大大降低。一定程度上提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益性能。

圖7 噴嘴減溫水安裝

4.3 氣封冷卻器改造實(shí)施

根據(jù)改造技術(shù)方案，將氣封冷卻器安裝高度提高到2 m，一二級(jí)疏水同時(shí)采用U形水封，U形管安裝高度1800 mm，U形水封高度為200 mm，改造示意見圖8。改造后背壓汽輪機(jī)投入運(yùn)行，汽輪機(jī)前后氣封漏汽量明顯減少，通過玻璃水位計(jì)觀察，氣封冷卻器一級(jí)疏水液位1/3高度，氣封冷卻器工作正常。

圖8 氣封冷卻器抬高改造示意

5 結(jié)論

經(jīng)過一年的多的運(yùn)行，對(duì)背壓汽輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造以后，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。改造后，機(jī)組在各種工況下，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，排汽溫度均可調(diào)整至工藝卡片要求參數(shù)范圍內(nèi)。氣封漏汽量明顯減少，前后軸承溫度下降，機(jī)組運(yùn)行時(shí)噪音值降低至正常值。解決了背壓汽輪機(jī)氣封冷卻器一級(jí)滿水問題，氣封冷卻器工作正常，疏水回收至疏水箱。

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