汽輪機(jī)低壓軸封系統(tǒng)存在問題分析及改進(jìn)措施

郭春暉 ，趙培山，宋益純

(國家能源集團(tuán)山東電力有限公司，濟(jì)南 250101)

軸封系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)組中的重要熱力系統(tǒng)。其低壓軸封依靠軸封蒸汽進(jìn)行密封，以防止空氣進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸，保證凝汽器有足夠真空。 軸封供汽溫度的高低和穩(wěn)定直接影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性。軸封供汽溫度正常要保持在121～177 ℃，供汽壓力在27 kPa(表壓)左右，其飽和蒸汽溫度為106 ℃。因噴水減溫不當(dāng)則軸封供汽溫度低于供汽壓力下的飽和溫度，變成不飽和蒸汽或汽水兩相流，或低壓缸兩側(cè)軸封供汽溫度偏差大。軸封供汽溫度過低，則起不到汽封作用，造成漏真空，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)不飽和水或汽水兩相流進(jìn)入軸封造成蒸汽與金屬產(chǎn)生很大的溫度差，汽封區(qū)域轉(zhuǎn)子金屬的熱應(yīng)力過高，影響軸封片和轉(zhuǎn)子的壽命，同時(shí)引起汽輪機(jī)低壓缸差脹增大，甚至出現(xiàn)動(dòng)靜摩擦，葉片損壞以及大軸彎曲，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。忽高忽低的軸封供汽溫度對(duì)汽封及轉(zhuǎn)子造成交變熱應(yīng)力，不僅縮短機(jī)組壽命，也會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)跳機(jī)或軸瓦損壞的嚴(yán)重事故。

1 存在的主要問題

在近幾年的節(jié)能評(píng)價(jià)、指標(biāo)查評(píng)中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)電廠汽輪機(jī)低壓缸軸封蒸汽系統(tǒng)存在噴水減溫器后溫度測(cè)點(diǎn)波動(dòng)大、各低壓缸軸封進(jìn)汽溫度偏差大且無合適的調(diào)整手段等問題。部分軸封供汽溫度波動(dòng)最低達(dá)102 ℃，很容易導(dǎo)致低壓軸封蒸汽帶水、機(jī)組漏真空、軸承振動(dòng)過大。具體問題包括：減溫器后溫度波動(dòng)較大；離減溫器近的低壓軸封進(jìn)汽溫度偏低；離減溫器遠(yuǎn)的低壓軸封進(jìn)汽溫度偏高；通過調(diào)整軸封減溫器后的溫度設(shè)定值，難以兼顧多個(gè)低壓軸封，容易出現(xiàn)一個(gè)低壓軸封空氣內(nèi)漏、另一個(gè)低壓軸封蒸汽外漏；為避免做真空嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)不合格，部分電廠做試驗(yàn)時(shí)提高軸封母管蒸汽壓力，試驗(yàn)過后，擔(dān)心蒸汽從低壓軸封處外漏，又人為降低軸封母管壓力，真空嚴(yán)密性試驗(yàn)雖然合格，但試驗(yàn)結(jié)果代表性差。實(shí)際運(yùn)行中空氣內(nèi)漏時(shí)有發(fā)生，并存在機(jī)組壽命降低、動(dòng)靜摩擦、振動(dòng)增大等不安全事故的隱患。

2 原因分析

a.軸封減溫水壓力高調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能差。由于軸封減溫水壓力過高，軸封減溫水調(diào)閥調(diào)節(jié)性能差，造成減溫水忽高忽低，不能精確控制軸封溫度。

b.低壓軸封蒸汽減溫器噴嘴的霧化效果不好。減溫水壓力的大小嚴(yán)重影響減溫器噴嘴霧化的程度。由于運(yùn)行工況和減溫水調(diào)閥的自動(dòng)調(diào)整，減溫水壓力時(shí)刻在變化，無法保證減溫水噴嘴在最佳運(yùn)行狀態(tài)[1]。

c. 低壓軸封供汽離軸封減溫器距離短。軸封減溫器后蒸汽中往往含有未完全汽化的水，蒸汽管道上部為溫度較高的過熱蒸汽，下部為溫度較低的飽和蒸汽甚至是濕蒸汽。由于受現(xiàn)場空間和設(shè)備布置的限制，減溫器與第一支軸封供汽支管距離較近，混合不均勻的蒸汽很快到達(dá)靠近噴水減溫器的第一個(gè)低壓軸封處，然后再抵達(dá)離噴水減溫器較遠(yuǎn)的第二個(gè)低壓軸封，兩個(gè)低壓軸封進(jìn)汽溫度普遍存在偏差大的問題，而只能通過調(diào)整減溫水量兼顧兩個(gè)低壓軸封進(jìn)汽溫度不超出規(guī)定的范圍，但兩個(gè)低壓軸封難以在最佳工況工作實(shí)現(xiàn)最佳密封效果。

3 改進(jìn)方案

針對(duì)上述軸封減溫器后溫度波動(dòng)及不均的原因，電廠均進(jìn)行了技術(shù)改造，但因軸封供汽參數(shù)低，過熱度低，易發(fā)生相變的特性，改造效果不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)加裝了軸封蒸汽強(qiáng)制混合裝置，并對(duì)軸封減溫系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，徹底解決了低壓軸封供汽溫度波動(dòng)或不均的問題。

3.1 設(shè)計(jì)蒸汽強(qiáng)制混合裝置

通過分析研究軸封蒸汽減溫系統(tǒng)工藝過程設(shè)計(jì)中的缺陷，找出減溫器后各個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)偏差大的原因；確認(rèn)了減溫器后管道中蒸汽參數(shù)分布及流動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)了提高蒸汽混合均勻性的混溫器。

在軸封蒸汽噴水減溫器后，設(shè)計(jì)安裝曲面板式蒸汽強(qiáng)制混合裝置 。其工作原理是：將緩慢扭曲的鋼板安裝在蒸汽管道內(nèi)部，此曲面板沿蒸汽管道軸向?qū)⑵湟环譃槎?，并且曲面板的兩個(gè)端線相對(duì)扭轉(zhuǎn)180°，當(dāng)蒸汽流經(jīng)曲面板時(shí)，下部溫度較低的蒸汽被強(qiáng)制輸送到管道的上部，而上部溫度較高的蒸汽被強(qiáng)制輸送到管道的下部，由于溫度高的蒸汽密度低、溫度低的蒸汽密度高，這兩部分蒸汽在后面的管道中進(jìn)一步擴(kuò)散、混合，從而提高了均勻性。扭曲的曲面板將蒸汽進(jìn)行了擾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，使蒸汽和水在最短的時(shí)間和距離內(nèi)充分混合。進(jìn)一步地，將所述曲面板上遠(yuǎn)離減溫水入口的邊緣線與平面板水平連接，所述平面板上設(shè)有若干通孔。當(dāng)蒸汽流經(jīng)第二邊緣線時(shí)，原來下部的蒸汽換到管道的上部，原來上部的蒸汽換到下部，進(jìn)入平面板；平面板上的孔使蒸汽流動(dòng)時(shí)形成湍流，加強(qiáng)了混合；同時(shí)上下部位的蒸汽在孔處接觸，由于上部的蒸汽密度大、溫度低，會(huì)向下部擴(kuò)散；下部的蒸汽溫度高、密度小，會(huì)向上部上升，因此加強(qiáng)了蒸汽的混合；當(dāng)蒸汽從平面板上流過后，其混合得更加均勻；同時(shí)，流出平面板的蒸汽如仍沒有充分混合，由于上部的蒸汽溫度較低、密度較高，下部的蒸汽溫度較高、密度較低，二者則會(huì)進(jìn)一步上下相互擴(kuò)散、混合，從而提高蒸汽混合的均勻性。

設(shè)計(jì)的混溫器長約60 cm，安裝在軸封減溫器后，和軸封減溫器緊鄰相接，既節(jié)省了空間，又解決了混合不均的難題。

3.2 優(yōu)化噴水減溫系統(tǒng)

a.針對(duì)軸封減溫水壓力過大，軸封調(diào)節(jié)閥開度過小的問題，將軸封減溫水由凝結(jié)水改為凝輸水供，凝輸水壓力穩(wěn)定，解決了因凝泵變頻運(yùn)行，凝水壓力時(shí)高時(shí)低的影響。

b.對(duì)減溫水裝置噴頭進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)凝輸水壓力選擇合適的噴頭孔徑，并進(jìn)行霧化試驗(yàn)，保證噴水達(dá)到最佳的霧化效果，防止蒸汽帶水[2]。

c.更換軸封減溫水調(diào)閥或優(yōu)化其調(diào)節(jié)特性，保證軸封供汽溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

3.3 調(diào)整運(yùn)行方式

a.提高低壓軸封供汽溫度，溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定值由 145 ℃提高至 165 ℃，以增加軸封供汽溫度的裕度。

b.在軸封溫度波動(dòng)較大或較小時(shí)，可在保證軸封供汽壓力正常的情況下，常開啟軸封減溫器后的第一路疏水至凝汽器門進(jìn)行疏水，或?qū)⑵涫杷凛S加軸封回汽管進(jìn)行回收。

4 實(shí)施效果

2019年初，在國家能源集團(tuán)下屬的兩座電廠1號(hào)機(jī)組應(yīng)用上述方案進(jìn)行改進(jìn)。運(yùn)行半年多，再未出現(xiàn)軸封供汽溫度波動(dòng)或偏差大的問題，低壓軸封供汽溫度平穩(wěn)、無波動(dòng)，軸封減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)良好，調(diào)節(jié)性能指標(biāo)優(yōu)良；機(jī)組真空嚴(yán)密性試驗(yàn)合格，提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)安裝蒸汽強(qiáng)制混合裝置和軸封減溫水的改造，徹底解決了低壓軸封供汽溫度波動(dòng)或不均的現(xiàn)象，軸封減溫水自動(dòng)控制調(diào)節(jié)良好，消除了軸封溫度過高、過低對(duì)汽輪機(jī)安全的影響，保證了汽輪機(jī)的

安全運(yùn)行；避免了因供汽溫度過低影響汽封效果，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。