汽輪機(jī)軸封蒸汽溫度波動(dòng)原因分析與解決方案

(國(guó)家電投集團(tuán)鄭州燃?xì)獍l(fā)電有限公司，鄭州 450000)

0 引言

汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)的主要功能是防止蒸汽向外泄漏，以確保汽輪機(jī)效率，軸封蒸汽溫度穩(wěn)定對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行非常重要?！峨娏κ鹿识屙?xiàng)反措》和 DL/T 834—2003《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防止進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則》中明確要求,要保證軸封蒸汽溫度穩(wěn)定，以防止蒸汽帶水進(jìn)入汽輪機(jī)軸封而損壞汽輪機(jī)。某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠采用SIEMENS公司生產(chǎn)的H30-25，E-30-25-1×12.5(TCF1)型三壓、再熱、雙缸凝汽式汽輪機(jī)，室內(nèi)安裝，全周進(jìn)汽，無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，主要以滑壓方式運(yùn)行，與燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)通過(guò)同步自動(dòng)換擋(SSS)離合器聯(lián)軸，構(gòu)成完整的單軸配置，采用高壓、中壓和低壓蒸汽旁路系統(tǒng)。汽輪機(jī)高、中壓軸封和低壓軸封采用輔助蒸汽母管汽源，分別調(diào)壓調(diào)溫后供汽封運(yùn)行。2018年以來(lái)，該電廠低壓軸封蒸汽溫度調(diào)節(jié)出現(xiàn)頻繁波動(dòng)，筆者對(duì)此現(xiàn)象展開(kāi)分析，查找原因，以找出解決方案。

1 低壓軸封蒸汽溫度波動(dòng)情況

1.1 系統(tǒng)概況

該電廠汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)汽源由輔助蒸汽母管提供，該汽源日常運(yùn)行壓力為0.35～0.65 MPa，溫度為150～160 ℃，經(jīng)電加熱器加熱至280 ℃后分別供給高、中壓軸封和低壓軸封。高、中壓軸封汽源在汽輪機(jī)投入運(yùn)行后切為高壓缸漏汽以實(shí)現(xiàn)自密封，低壓軸封始終采用輔助蒸汽。為防止輔助蒸汽經(jīng)長(zhǎng)管道輸送后帶水，同時(shí)保證該路汽源隨時(shí)能夠作為高、中壓軸封的備用汽源，低壓軸封汽始終使用輔助蒸汽。高、中壓軸封汽參數(shù)為3.5 kPa/280 ℃，低壓軸封汽參數(shù)為3.5 kPa/150～170 ℃。軸封系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖1所示。

1.2 低壓軸封蒸汽溫度波動(dòng)情況介紹

2018年年初至今，該電廠低壓軸封蒸汽溫度在110～170 ℃間規(guī)律性波動(dòng)，減溫水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在0%～100%間波動(dòng)，如圖2所示。

圖1 軸封蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面Fig.1 Operation interface of shaft seal steam system

圖2 低壓軸封蒸汽溫度波動(dòng)曲線Fig.2 Fluctuation curve of low-temperature shaft seal steam temperature

從圖2可以看出，低壓軸封蒸汽溫度在1 min內(nèi)可由170 ℃突降至110 ℃。如果蒸汽溫度真的發(fā)生了如此劇烈的變化，那么汽輪機(jī)運(yùn)行安全性無(wú)疑會(huì)受到嚴(yán)重威脅。然而此時(shí)減溫水的開(kāi)度和供應(yīng)量是連續(xù)線性調(diào)整的，不可能造成蒸汽溫度如此劇烈的變化。但是，在平穩(wěn)運(yùn)行的過(guò)程中，蒸汽流量與減溫水流量均穩(wěn)定時(shí)，仍有蒸汽溫度突降的情況。如果蒸汽平均溫度不是發(fā)生了實(shí)質(zhì)性降低，那么是什么原因造成測(cè)溫變送器出現(xiàn)如此巨大的變化呢？

2 原因分析

2.1 減溫水因素

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量減溫水噴嘴流量(噴嘴外露，手動(dòng)截止閥全開(kāi)，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，測(cè)量減溫水噴量)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、流量對(duì)應(yīng)關(guān)系為：100%，0.76 L/min；50%，0.70 L/min；10%，0.66 L/min。按照理想熱能轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算，如果減溫水全部用于降低蒸汽溫度，質(zhì)量和熱平衡方程如下：

qV1h1+qVjhj=qV2h2，

qV1=(qV2h2-qVjhj)/h1，

式中：qV1為來(lái)汽流量；qVj為減溫水流量；qV2為減溫器后蒸汽流量；h1為來(lái)汽比焓；hj為減溫水比焓；h2為減溫器后蒸汽比焓。

根據(jù)公式計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為8.52～7.40 kg/min，然而實(shí)測(cè)低壓軸封蒸汽的流量并沒(méi)有這么大。由此判斷，噴入的減溫水不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，大部分是在減溫水噴嘴后管道中以汽液共存的形式存在的。也就是說(shuō)，下游管道中的氣流是裹挾大量小水珠的3.5 kPa/155 ℃的蒸汽，小水珠的直徑大小視噴嘴霧化效果和蒸發(fā)速度而定。

經(jīng)過(guò)減溫減壓的蒸汽在下游管道中首先沖擊10 MAW24CT002測(cè)點(diǎn)的熱電偶套管，然后是10 MAW24CT001測(cè)點(diǎn)(如圖3所示)。由于蒸汽中裹挾著大量小水珠，在蒸汽混流不均(小水珠局部過(guò)密)區(qū)域，水珠附著在熱電偶套管表面，由于水的汽化潛熱作用，水膜吸收套管熱量并降低熱電偶溫度，即使蒸汽流溫度較高，但測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度不會(huì)升高(3.5 kPa下水的沸點(diǎn)為110 ℃左右)。如果因蒸汽流量、流速造成蒸汽混流不均區(qū)域前移或后移，一旦該區(qū)域接觸某個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，可能造成該溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量值快速下降。

圖3 軸封蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)示意Fig.3 Schematic of measurement points for shaft seal steam temperature

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為40%～45%時(shí)調(diào)節(jié)線性不太好。如供汽壓力為0.48 MPa，蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為40.4%時(shí)，測(cè)得閥后管段內(nèi)蒸汽壓力為1.19 kPa；蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為44.4%時(shí)，測(cè)得閥后管段內(nèi)蒸汽壓力為4.30 kPa。而低壓軸封蒸汽的設(shè)計(jì)壓力為3.50 kPa，剛好在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)線性不佳的區(qū)間，調(diào)節(jié)閥的微小波動(dòng)都可能造成下游蒸汽流量出現(xiàn)較大變化，蒸汽混流不均區(qū)域被汽流推動(dòng)至溫度測(cè)點(diǎn)處，就可能對(duì)下游的溫度測(cè)量造成較大干擾。將蒸汽調(diào)節(jié)閥打至手動(dòng)模式，控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變，下游蒸汽壓力跟隨汽源壓力變化，則不會(huì)出現(xiàn)蒸汽溫度大幅波動(dòng)的情況，說(shuō)明如果蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性均勻，單一變量(汽源壓力)造成的波動(dòng)不易造成蒸汽混流不均區(qū)域大范圍移動(dòng)。

2.2 測(cè)點(diǎn)因素

對(duì)就地兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)10 MAW24CP001，002進(jìn)行多次校準(zhǔn)、調(diào)整，將壓力引出口改至同一水平高度，避免了高度差可能造成的測(cè)量偏差(如圖4所示)。在穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)非常接近，測(cè)量偏差及變化趨勢(shì)基本一致，但在運(yùn)行中仍會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差，特別是工況變化較大時(shí)，汽壓變化越劇烈，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)偏差越大。由于蒸汽調(diào)節(jié)閥是單沖量調(diào)節(jié)，僅靠下游壓力反饋數(shù)值調(diào)整閥門開(kāi)度，而作為調(diào)整依據(jù)的壓力數(shù)值就是CP001，002測(cè)點(diǎn)的綜合計(jì)算值，基本是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。在一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值較準(zhǔn)確(判斷是CP001測(cè)點(diǎn))，而另一個(gè)測(cè)點(diǎn)偏離實(shí)際值較大時(shí)，計(jì)算得到的值也會(huì)偏離實(shí)際值，從而造成調(diào)節(jié)閥設(shè)定值偏離實(shí)際需求。特別是當(dāng)不準(zhǔn)確測(cè)點(diǎn)測(cè)量值偏小時(shí)，計(jì)算值也偏小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大于實(shí)際需求，等該測(cè)點(diǎn)受上升汽壓和本身的波動(dòng)特性影響恢復(fù)正常后，調(diào)節(jié)閥再次關(guān)小。進(jìn)汽流量反復(fù)調(diào)節(jié)，混流不均區(qū)域隨之移動(dòng)，測(cè)量汽溫也形成大幅波動(dòng)，從而形成惡性循環(huán)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of field pressure measuring points

通過(guò)分析運(yùn)行曲線和就地觀察，CP001測(cè)點(diǎn)測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)可信度較高。在蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)整頻繁、蒸汽壓力波動(dòng)劇烈時(shí)，兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)引出管溫度差別非常大。蒸汽在由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)會(huì)釋放大量的熱量，CP002測(cè)點(diǎn)引壓管較熱，說(shuō)明該管道換熱效應(yīng)明顯。因此懷疑CP002測(cè)點(diǎn)管道布置不合理，導(dǎo)致管道內(nèi)凝結(jié)效應(yīng)較強(qiáng)，凝結(jié)后液柱回流對(duì)壓力測(cè)點(diǎn)影響較大，造成該壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)波動(dòng)大、偏差大。

2.3 管道布置因素

在選定合適的傳感器后，怎樣正確地安裝，將影響流動(dòng)工質(zhì)動(dòng)壓測(cè)量的精度。傳感器安裝時(shí)主要考慮振動(dòng)影響和管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。振動(dòng)主要是由傳感器安裝部位傳到測(cè)壓傳感器上來(lái)的，一方面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與振動(dòng)有關(guān)的干擾信號(hào)，另一方面，振動(dòng)加速度會(huì)造成傳感器過(guò)早被破壞。一般是將傳感器安裝在一個(gè)質(zhì)量較大的聯(lián)接件上，聯(lián)接件再通過(guò)剛度較小的零件與被測(cè)設(shè)備聯(lián)接。管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題主要是管道的濾波效應(yīng)問(wèn)題，在通過(guò)傳壓管道測(cè)量流體壓力時(shí)，要考慮傳壓管道系統(tǒng)的頻率特性，盡可能使傳感器直接與被測(cè)工作介質(zhì)接觸，即采取齊平安裝方式。在不能保證此種安裝方式的情況下，就需要考慮怎樣消除傳壓管道對(duì)壓力測(cè)試精度的影響[1]。

現(xiàn)場(chǎng)低壓軸封蒸汽壓力測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，兩個(gè)壓力變送器壓力信號(hào)取自蒸汽母管垂直向上引出的引壓管側(cè)壁處，10 MAW24CP001測(cè)點(diǎn)垂直于氣流方向，10 MAW24CP002測(cè)點(diǎn)平行于氣流方向。由于布置方式不同，這兩路壓力信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能不一致，從而導(dǎo)致靜態(tài)情況下均正常的兩個(gè)壓力變送器測(cè)量流體壓力時(shí)出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響蒸汽調(diào)節(jié)閥的調(diào)整。想要消除動(dòng)態(tài)響應(yīng)不一致的影響，需要統(tǒng)一兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的引出位置。

3 解決方案

(1)改善壓力測(cè)點(diǎn)引出位置，使汽壓、汽流變化對(duì)兩個(gè)壓力變送器影響一致，減小測(cè)量波動(dòng)?？梢詫蓚€(gè)壓力變送器引出管接在引壓管端部，以減少測(cè)量偏差。

(2)嘗試降低低壓軸封進(jìn)汽壓力設(shè)定值，減小供汽量，下游管道內(nèi)混流不均區(qū)域會(huì)前移，脫離溫度測(cè)點(diǎn)區(qū)間。

(3)可以考慮將溫度測(cè)點(diǎn)后移，遠(yuǎn)離蒸汽混流不均區(qū)域。這樣，即使蒸汽流量發(fā)生變化，溫度測(cè)點(diǎn)也不會(huì)受到混流不均區(qū)域的影響，汽溫不會(huì)出現(xiàn)突降。

(4)更換減溫水噴嘴，選擇霧化效果更好的噴嘴，減小噴出水滴的直徑，降低混流不均區(qū)域出現(xiàn)的可能性。

4 實(shí)施效果

該電廠于2018年5月對(duì)低壓軸封蒸汽壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行改造，由原布置方式改為引自引壓管端部，在不影響汽輪機(jī)真空度的前提下，將低壓軸封進(jìn)汽壓力設(shè)定值降至3.0 kPa，改造后機(jī)組啟停及運(yùn)行過(guò)程中基本沒(méi)有出現(xiàn)溫度波動(dòng)情況。未來(lái)準(zhǔn)備進(jìn)行減溫水噴嘴的改造，對(duì)減溫水噴出顆粒、線型、方向進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到最佳效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

軸封供汽溫度對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行至關(guān)重要，維持穩(wěn)定的軸封供汽溫度不能僅從減溫水調(diào)節(jié)入手，還應(yīng)擴(kuò)大調(diào)查范圍，從蒸汽流量調(diào)節(jié)、測(cè)點(diǎn)布置、管道布置等多方面分析，找到汽溫波動(dòng)的根本原因，從而解決問(wèn)題。