軸封管路疏水不暢造成的影響及改進(jìn)方案

程途，俞立凡

(1.江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000； 2.杭州華電下沙熱電有限公司，杭州 310018)

0 引言

軸封系統(tǒng)是汽輪機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的輔助系統(tǒng)。其作用是阻止外界空氣漏入汽缸并回收汽缸高壓端漏出的蒸汽，提高凝汽器真空度和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，減小蒸汽對(duì)油系統(tǒng)、其他設(shè)備和環(huán)境的污染。軸封系統(tǒng)由管道、各種閥門、疏水器、汽水分離器等組成。在投用及運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)異常情況，軸封系統(tǒng)會(huì)對(duì)汽輪機(jī)本體造成影響，從而影響機(jī)組的啟動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成重大事故。

1 故障現(xiàn)象

某單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自投產(chǎn)以來一直存在投軸封時(shí)軸封母管溫度波動(dòng)較大的問題。 圖1為某次軸封投用時(shí)因軸封管路暖管不充分而導(dǎo)致母管溫度嚴(yán)重下跌的情況。波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)還造成一次汽輪機(jī)高、中壓缸軸承振動(dòng)過大而啟動(dòng)失敗的情況:機(jī)組轉(zhuǎn)速升至1 200 r/min后，#3瓦、#4瓦振動(dòng)迅速上升；轉(zhuǎn)速升至1 590 r/min時(shí)，#4軸承處軸振達(dá)0.22 mm，運(yùn)行人員立即手動(dòng)緊急停機(jī);經(jīng)機(jī)組重新進(jìn)行軸封疏水、暖管、投送軸封(記錄投送時(shí)間為57 min)；再次啟動(dòng)，機(jī)組啟動(dòng)正常。

2 故障分析

由圖1可知，在暖管階段軸封母管壓力呈階梯形升高，送軸封期間壓力幾乎無下降。軸封管路在暖管期間(10：30：00—11：01：00)，母管溫度逐步上升并達(dá)到需求值，軸封母管壓力的上升也基本平穩(wěn)，管內(nèi)水擊現(xiàn)象輕微；投送軸封后(11：01：00)，軸封母管溫度開始急速下跌，最低時(shí)至100 ℃左右，對(duì)應(yīng)軸封母管壓力為40 kPa，軸封蒸汽已達(dá)到飽和(根據(jù)飽和蒸汽溫度與壓力對(duì)照，表壓40 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為109 ℃)，有嚴(yán)重蒸汽帶水情況；二次溫度下跌時(shí)(11：02：00—11：11：00)，軸封蒸汽再次達(dá)到飽和，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9 min，在溫度急跌和快速升高的區(qū)段，管內(nèi)壓力明顯波動(dòng)、水擊現(xiàn)象明顯。

圖1 軸封投用時(shí)軸封蒸汽溫度、壓力變化曲線

在暖管時(shí)，管道水擊現(xiàn)象比較輕微，汽水流速相對(duì)平穩(wěn)，管道中有汽水分層情況，進(jìn)一步證明了管道暖管疏水量不足，疏水位置設(shè)置不合理、有死區(qū)。當(dāng)投送軸封后，蒸汽流動(dòng)加快，蒸汽裹挾大量水分，壓力曲線波動(dòng)明顯，水擊嚴(yán)重。當(dāng)?shù)蜏貛魵膺M(jìn)入汽輪機(jī)軸封套后，正處于高溫的軸封套及汽輪機(jī)軸封齒受冷快速收縮，造成部件局部變形。變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看，輔助蒸汽及軸封管道布置情況如圖2所示。該機(jī)組啟停用輔助蒸汽來自于供熱管道，整個(gè)輔助蒸汽及軸封管道全長(zhǎng)約90 m，管道為水平加垂直布置，其中水平管道長(zhǎng)度約67 m，彎頭25個(gè)，沿途設(shè)疏水點(diǎn)6個(gè)。

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)及管道布置情況進(jìn)行分析，造成軸封管路暖管不充分的主要原因?yàn)檩o助蒸汽至軸封蒸汽調(diào)節(jié)站管路較長(zhǎng)、水平管較多、彎頭較多、管道疏水點(diǎn)設(shè)置不合理、管道疏水量不足。彎頭多會(huì)造成蒸汽在流動(dòng)時(shí)局部阻力損失較大，特別是在管道暖管初期，水汽變化劇烈，蒸汽整體流速下降，大段的水平管道水此時(shí)易產(chǎn)生上下溫差，引起管道熱彎曲變形。疏水點(diǎn)的設(shè)置存在不合理之處，垂直管道受熱膨脹造成的水平管出現(xiàn)高低起伏，水平管上的低位點(diǎn)易產(chǎn)生積水，低流速的蒸汽又會(huì)在水平管道內(nèi)形成汽水分層，水平管內(nèi)的水自流性較差，造成整個(gè)管道在暖管過程中蒸汽溫度快速升高而管道中依然存在大量積水。投用軸封后，由于軸封用汽量大，蒸汽流速加快，破壞了汽水分層流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)，造成蒸汽帶水、蒸汽溫度急劇下降。當(dāng)帶水蒸汽進(jìn)入高溫軸封套時(shí)，高溫軸封套冷卻變形，動(dòng)、靜部分的間隙和形狀改變。若形變維持到機(jī)組啟動(dòng)，造成動(dòng)靜部分的嚴(yán)重碰磨，后果會(huì)更加嚴(yán)重。

圖2 輔助蒸汽及軸封管道布置

3 處理措施與建議

3.1 優(yōu)化系統(tǒng)布置

由于出現(xiàn)了因軸封溫度波動(dòng)而造成的機(jī)組啟動(dòng)失敗，機(jī)組進(jìn)行了軸封系統(tǒng)的技改工作：在高壓軸封供汽端加裝電加熱裝置，在投送高、中壓缸軸封時(shí)，將軸封蒸汽進(jìn)行即時(shí)加熱，抬高軸封蒸汽溫度，從而防止低溫軸封蒸汽進(jìn)入高溫軸封套。優(yōu)化后的系統(tǒng)布置如圖3所示。優(yōu)化后的系統(tǒng)操作為：軸封供汽前先投用電加熱裝置，裝置將供汽預(yù)加熱至300 ℃；機(jī)組啟動(dòng)后待高壓調(diào)門開到15%后，停用軸封電加熱裝置。

圖3 改造后高壓軸封電加熱布置

經(jīng)過系統(tǒng)改造后機(jī)組啟動(dòng)的安全性大幅提高，再?zèng)]有出現(xiàn)因軸封溫度導(dǎo)致的啟動(dòng)振動(dòng)異常及啟動(dòng)失敗的情況。但軸封暖管及投送過程中軸封母管溫度下降的現(xiàn)象依然存在。該現(xiàn)象是系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝造成的，短時(shí)間內(nèi)無法更改，根據(jù)上述分析提出如下建議。

3.2 改水平管道為坡管

將供熱蒸汽至輔汽管道、輔汽至軸封蒸汽調(diào)節(jié)站和軸封蒸汽調(diào)節(jié)站至各軸封套的長(zhǎng)距離水平管改為與水平呈5°左右夾角的坡管，分別沿氣流方向、氣源方向向下傾斜。

該設(shè)計(jì)改造根據(jù)伯努利方程

(1)

式中：p1為管道入口壓力，MPa；p2為管道出口壓力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3；h1及h2為參考面的高度，m；v1為管道入口液體速度，m/s；v2為管道出口液體速度，m/s。

當(dāng)管道內(nèi)外壓差一定時(shí)，提高高度差可以提高流速，加快疏水的排出，管道內(nèi)積水將難以積存。

坡度=ΔH÷D，

(2)

ΔH=L×sinα，

(3)

D=L×cosα，

(4)

式中：ΔH為高度差，m；L為管道長(zhǎng)度，m；D為水平距離，m；α為管道水平夾角，(°)。

由式(3)和式(4)可知，當(dāng) 1 根長(zhǎng)10 m、 內(nèi)直徑0.3 m的管道以5°水平略傾斜布置時(shí)，高度差為0.872 m，管道水平距離為9.962 m，陂度為0.088。假定P1=P2(管道內(nèi)壓力不變)、水的密度不變、管道入口水流速為0 m/s，代入式(1)可得此時(shí)水的出口理想自流流速為0.427 m/s，管道平均流速為0.427/2=0.213 (m/s)。疏水由入口流至出口時(shí)長(zhǎng)小于1 min，疏水的流動(dòng)時(shí)間短，不易存積。

暖管時(shí)，由于出現(xiàn)汽水分層，導(dǎo)致管道產(chǎn)生熱脹、彎曲并向上拱起，上、下壁線生成同心、同角圓弧，如圖4所示。

管道長(zhǎng)度= 管道原長(zhǎng)×{1+(加熱后溫度-加熱前溫度)×鋼管膨脹系數(shù)} ,

(5)

(6)

式中：L1為管道下壁膨脹后長(zhǎng)度，m；L2為管道上壁膨脹后長(zhǎng)度，m；R1為管道下壁膨脹后產(chǎn)生的弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的圓半徑，m；h為管道直徑，m。

圖4 管道熱彎曲示意

若管道上壁溫為250 ℃，下壁溫為100 ℃(假定管道上、下壁溫及壁溫差沿管長(zhǎng)均勻分布)，鋼管膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，以冷態(tài)25 ℃為基準(zhǔn)計(jì)算管道產(chǎn)生弧形變化，根據(jù)式(5)計(jì)算出L1、L2分別為10.027 m和10.009 m；將數(shù)據(jù)代入式(6)計(jì)算出R1為166.817 m，圓心角為3.439°(由于管道直徑熱膨脹的變化小于0.001 m，計(jì)算中的管道直徑取0.3 m)。通過三角形角度計(jì)算可知，管道下壁頂點(diǎn)所處的切線與水平線的夾角為3.28°，代入式(2)，(3)，(4)可推導(dǎo)出該彎管最高處的坡度近似值為0.06。

對(duì)于汽、水逆向流動(dòng)的管道，如軸封蒸汽調(diào)節(jié)站至各軸封套管路，陂度越大越有利于疏水逆流流出。上述計(jì)算出的相關(guān)坡度值滿足，甚至超過DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中關(guān)于軸封管道設(shè)計(jì)所要求的順流管道坡度不小于0.02和逆流管道坡度不小于0.06的要求[1]。此設(shè)計(jì)加快疏水速度，縮短暖管時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)性。

3.3 加裝疏水罐疏水器

疏水罐疏水器一般安裝在蒸汽管道的上下垂直彎頭處的下部。疏水罐一般選用與蒸汽管道直徑相等或略小的口徑直接焊接在蒸汽管道上。由于疏水罐疏水器的疏水截流能力強(qiáng)，在供熱管道至軸封蒸汽調(diào)節(jié)站入口處的多個(gè)水平管道的上下垂直彎頭處，有選擇地加裝疏水罐疏水器，可以充分截流管道中凝結(jié)的水分，防止疏水被帶入下一級(jí)管道，有利于加速暖管過程并減少水擊情況的發(fā)生；同時(shí)疏水罐的存在可以幫助確認(rèn)管道暖管狀態(tài)，方便運(yùn)行人員進(jìn)行過程判斷，對(duì)提高暖管經(jīng)濟(jì)性和安全性都有很大的幫助。

4 結(jié)論

軸封母管溫度波動(dòng)是由于疏水點(diǎn)設(shè)置的不合理、現(xiàn)場(chǎng)安裝的不規(guī)范等原因造成的。本機(jī)組現(xiàn)采用了投用電加熱裝置進(jìn)行了處理，取得了一定的效果，但沒有從根本上解決問題；改水平管道為坡管和加裝疏水罐疏水器則是系統(tǒng)性的改造，涉及面廣、難度大，很難一步到位，但可為其他在基建的電廠同類型問題技術(shù)改造時(shí)能提供一定借鑒和參考。