對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)真空度低故障檢修思路的探討

余海威

(湛江海濱船廠，廣東 湛江 524005)

1 基本構(gòu)成

汽輪發(fā)電機(jī)主要由單缸汽輪機(jī)、減速器、發(fā)電機(jī)、冷凝器、空氣抽氣器、冷卻水泵、水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。汽輪發(fā)電機(jī)排氣口與冷凝器集汽波紋管法蘭連接，冷卻水泵與冷凝器冷卻水腔進(jìn)水連接，冷卻水工作完直接排出舷外?？諝獬闅馄髋c冷凝器喉部下部(一般在凝水水位之上)連接。要使汽輪發(fā)電機(jī)凝汽系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要滿足以下條件：保持一定的真空度，凝水過冷度最小,凝水質(zhì)量符合要求。對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)來說，增加負(fù)荷則首先要提高驅(qū)動(dòng)能力，提升拖帶負(fù)荷能力。隨著負(fù)荷增加，工作后排入冷凝器的蒸汽量(通常稱為工作廢蒸汽，因其具有一定的剩余溫度和壓力，可以通過凝汽系統(tǒng)凝結(jié)成水進(jìn)行回收)隨之增加，增大了冷凝器內(nèi)部空間的介質(zhì)密度。同時(shí)冷凝器導(dǎo)入冷卻水量、冷卻水溫等參數(shù)變化，都會(huì)引起冷凝器內(nèi)部真空度出現(xiàn)變化。如冷凝器真空度降低1%，汽輪發(fā)電機(jī)的蒸汽耗汽量平均增加1%～2%，既增加鍋爐的供汽負(fù)荷，也影響汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定。凝氣系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 凝氣系統(tǒng)示意圖

冷凝器喉部溫度是流經(jīng)冷凝器的冷卻水與排入其中的工作廢蒸汽溫度熱量混合交換的直觀參數(shù)，兩者之間正常的溫差在3～10 ℃，該參數(shù)變化顯示工作廢蒸汽在冷凝器中被冷凝成水的過程，溫度過高，就需要增加冷凝器冷卻水量和流速，加快工作廢蒸汽凝結(jié)并降低溫度；溫度過低則說明冷凝器缺少接收工作廢蒸汽量，操作方法就是相應(yīng)減少冷卻水。在冷凝器能量交換中，需要控制汽輪機(jī)排入冷凝器的工作廢蒸汽壓力，使壓力維持在0.10～0.15 MPa之間，以保證其順利流向冷凝器。工作廢蒸汽壓力過高，冷凝器過度充盈且導(dǎo)致工作廢蒸汽冷凝和抽氣不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致真空度下降；壓力過低則流進(jìn)冷凝器的汽量減少，凝結(jié)水量減少，冷凝器凝水工作水位降低。因此冷凝器喉部溫度值和工作廢蒸汽壓力值這2個(gè)外觀參數(shù)值變化會(huì)影響冷凝器的凝水效果和真空度的穩(wěn)定，但工作廢蒸汽壓力是由汽輪機(jī)排汽結(jié)構(gòu)所確定的，一般常規(guī)操作增減負(fù)荷不會(huì)產(chǎn)生故障變化，因此，冷凝器喉部溫度在汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行操作、維護(hù)管理中是需要予以調(diào)整并控制的。如某海區(qū)水溫在26～32 ℃之間，發(fā)電機(jī)冷凝器的正常工作喉部溫度應(yīng)在29～42℃較為適宜。汽輪發(fā)電機(jī)實(shí)際操作時(shí)，該溫度值往往偏高一點(diǎn)，但不能超過50 ℃。

綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)工作時(shí)，冷凝器真空度可以維持在一定的范圍，一是由于其低壓工作廢蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成水，氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，介質(zhì)體積改變，同樣的空間密度較??；二是空氣抽氣器從冷凝器中抽出由汽輪機(jī)漏入的未凝結(jié)成水的空氣后，冷凝器內(nèi)部空間介質(zhì)密度減少。2種效應(yīng)產(chǎn)生的共同結(jié)果，就形成了冷凝器內(nèi)部空間真空狀態(tài)，同時(shí)也為冷凝器繼續(xù)接收汽輪機(jī)排出的工作廢蒸汽進(jìn)行凝結(jié)創(chuàng)造條件?？諝獬闅馄鞒闅饨涌谠O(shè)置在冷凝器喉部附近，其工作狀態(tài)與凝水的水位沒有直接的關(guān)聯(lián)，但凝水的水位上升會(huì)浸沒冷卻水管，影響冷凝器的冷卻管冷凝蒸汽效果，而且單靠空氣抽氣器無法完全抽出汽輪機(jī)排放出來的全部混合氣體，這將妨礙冷凝器真空度維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。冷凝器正常運(yùn)行真空度維持在-0.088 MPa到-0.098 MPa之間，汽輪機(jī)高負(fù)荷時(shí)由于工作蒸汽量增大，相應(yīng)的排汽量增加，導(dǎo)致進(jìn)入冷凝器工作廢蒸汽密度也增大，冷凝器會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)真空度降低的現(xiàn)象，如系統(tǒng)此時(shí)再漏入大量空氣，真空度控制措施失衡，就會(huì)導(dǎo)致無法恢復(fù)到規(guī)定真空度范圍，造成汽輪發(fā)電機(jī)停機(jī)。在整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)正常情況下，直至負(fù)荷穩(wěn)定，冷凝器真空度是可以由操作者通過對(duì)冷卻水泵、空氣抽氣器及凝水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)操作，適應(yīng)性地調(diào)整冷凝器的冷卻水量、空氣抽氣量以及凝水水位等指標(biāo)，恢復(fù)并維持系統(tǒng)正常真空度的穩(wěn)定狀態(tài)，否則就需要進(jìn)行故障檢修。

空氣抽氣器是建立和維持冷凝器真空度的重要設(shè)備，其單級(jí)射流抽氣器結(jié)構(gòu)原理示意圖見圖2。

圖2 單級(jí)射流抽氣器結(jié)構(gòu)原理示意圖

一個(gè)單級(jí)射流抽氣器抽真空能力，最高只可以使冷凝器真空度達(dá)到-0.065 MPa左右，要滿足汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行冷凝器的高真空度-0.095 MPa以上，就需要配置1臺(tái)雙級(jí)空氣抽氣器。雙級(jí)空氣抽氣器就是由2個(gè)不同級(jí)別壓縮功射流泵串聯(lián)組合成的，其作用是建立高真空度，將凝汽系統(tǒng)中混合了漏入空氣的混合氣體由一級(jí)冷凝器中抽出，并被二級(jí)接力加壓至大氣壓力以上，排向大氣，雙級(jí)空氣抽氣器工作示意圖見圖3?？諝獬闅馄麟p級(jí)噴嘴工作介質(zhì)是溫度250～260 ℃、壓力1.2～1.6 MPa的蒸汽，采用雙級(jí)主要是在降低空氣抽氣器壓縮功的同時(shí)，更有利于排出空氣。擴(kuò)壓管外壁由冷卻水流經(jīng)，冷卻管內(nèi)混合氣里的蒸汽，使其快速凝結(jié)，進(jìn)一步與混雜的空氣分離，凝結(jié)水從各自疏水閥排出，難以被冷凝分解的空氣由排空氣閥排出。

圖3 雙級(jí)空氣抽氣器工作示意圖

2 真空度低故障

依據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)凝汽系統(tǒng)工作原理，冷凝器真空度下降的表現(xiàn)是其帶負(fù)荷工作時(shí)，本體真空度不足-0.080 MPa。主要檢查以下方面：①冷卻水量不足或水溫過高；②冷凝水管臟堵；③冷凝器外接管路、法蘭或閥門泄漏；④汽輪發(fā)電機(jī)軸頸汽封平衡箱蒸汽壓力不足，無法形成汽輪發(fā)電機(jī)外露軸頸汽封裝置的密封；⑤汽輪發(fā)電機(jī)軸頸汽封抽氣器工作不正常；⑥空氣抽氣器工作蒸汽壓力不足；⑦冷凝器空氣抽氣器冷卻水量不足等。出現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)工作過程中真空度下降情況，就需要降低汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷輸出，至真空度不降為止，同時(shí)檢查冷凝器連接各管路閥門的開關(guān)情況、冷凝器喉部溫度、凝水水位、冷凝器冷卻水泵的工作壓力及狀態(tài)、汽輪發(fā)電機(jī)軸頸汽封平衡箱與空氣抽氣器工作蒸汽壓力及其冷卻水溫度等實(shí)際情況，對(duì)有異常變動(dòng)的裝置和參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，如確定無法恢復(fù)正常，將汽輪發(fā)電機(jī)脫開負(fù)荷，停機(jī)修理存在的故障。

此次故障現(xiàn)象為機(jī)組啟動(dòng)后，未帶負(fù)荷時(shí)真空度最高只達(dá)到-0.086 MPa，并且隨著汽輪發(fā)電機(jī)拖帶負(fù)荷增加，真空度逐漸下降，冷凝器水位不穩(wěn)，喉部溫度最高升至64 ℃，調(diào)整冷凝器外部補(bǔ)水、排水等措施，希望通過維持冷凝水水位來達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，但沒有起到恢復(fù)真空度的作用。

2.1 檢修順序及問題排除

1)檢查汽輪發(fā)電機(jī)軸頸汽封平衡、汽封抽氣系統(tǒng)。查出汽封平衡箱工作蒸汽減壓閥卡滯，導(dǎo)致蒸汽壓力不穩(wěn)，進(jìn)行修復(fù)。

2)檢查冷凝器冷卻水泵工作狀態(tài)。海水冷卻水泵吸入端真空值顯示存在微小的真空度，鑒于該泵位于水線下，懷疑海底閥箱格柵有堵塞，通過潛水員摸查，消除堵塞隱患。

3)檢查冷凝器凝水泵。該泵軸密封填料裝填過緊，有燒蝕軸套的現(xiàn)象，且此處與泵吸入口相通，同時(shí)接駁冷凝器，有漏入空氣的隱患。采用更換新填料，調(diào)整預(yù)緊程度，維持泵軸有向外輕微漏水狀態(tài)，以此產(chǎn)生水封作用，阻擋泵軸旋轉(zhuǎn)的空隙將空氣吸入。

4)檢查冷凝器空氣抽氣器。疏通噴嘴、擴(kuò)壓管的流道，同時(shí)檢查一級(jí)、二級(jí)間凝水疏水管道的順暢狀態(tài)，檢查2個(gè)疏水閥的關(guān)閉密性，檢查2個(gè)新工作蒸汽閥的開啟狀態(tài)。檢查2個(gè)新工作蒸汽閥時(shí)，發(fā)現(xiàn)供汽閥箱未設(shè)置疏排水措施，導(dǎo)致空氣抽氣器的蒸汽含水量多，一級(jí)、二級(jí)抽氣噴嘴內(nèi)噴孔均有汽蝕、破損跡象，由于2組噴嘴在抽氣過程中仍可以維持真空度-0.086 MPa，暫時(shí)決定先不拆換噴嘴。

5)檢查冷凝器蒸汽凝聚腔安全閥，該閥作用是防止汽輪發(fā)電機(jī)排入冷凝器汽腔蒸汽壓力超過設(shè)定壓力(0.10～0.15 MPa)，超過設(shè)定壓力的蒸汽可通過撐開閥芯壓緊彈簧，打開該閥芯的密封，系統(tǒng)排出蒸汽降壓，保護(hù)冷凝器腔體安全，但如出現(xiàn)漏氣則可導(dǎo)致冷凝器真空下降。采取對(duì)該閥的閥芯閥座密封面研磨、水壓密性試驗(yàn)并調(diào)整起跳壓力至0.20 MPa。

6)檢查冷凝器與汽輪發(fā)電機(jī)排汽膨脹連接短管法蘭安裝密性。在停機(jī)狀態(tài)給冷凝器本體泵風(fēng)(用0.02 MPa壓縮空氣往整個(gè)蒸汽流通空間加壓，通過檢查空氣泄漏情況進(jìn)行排故檢查)，用肥皂水鼓氣泡來試漏，排除漏入空氣的故障點(diǎn)，同時(shí)排查冷凝器對(duì)外接口管路、閥門的漏氣狀況。

7)檢查冷凝器水位計(jì)。排除因外接口漏氣，真空度下降的現(xiàn)象；疏通導(dǎo)水孔，排除產(chǎn)生虛假水位的問題。

8)檢查冷凝器冷卻水排出狀況。排除出口閥因開度不足而影響冷凝效果的現(xiàn)象。

2.2 存在問題分析

1)經(jīng)過篩查，冷凝器喉部溫度在汽輪機(jī)組運(yùn)行、空氣抽氣器介入抽真空后，由室溫30 ℃左右逐漸上升，此時(shí)調(diào)整凝水輸入、輸出相應(yīng)水位以及調(diào)整冷卻水泵進(jìn)排水量等措施，均不能降低冷凝器喉部溫度，懷疑喉部溫度升高是導(dǎo)致冷凝器真空度下降的主要原因。

2)空氣抽氣器新工作蒸汽供汽閥箱未設(shè)置疏水管路，導(dǎo)致空氣抽氣器的前期工作蒸汽含水量多，影響空氣抽氣器的抽氣容積效應(yīng)，而且較高壓力蒸汽中的水霧珠對(duì)噴嘴、擴(kuò)壓管的流道內(nèi)壁沖擊汽蝕加大，沖蝕磨損導(dǎo)流噴射錐，使其射流抽氣的能力進(jìn)一步降低。而且含水量多的蒸汽經(jīng)過冷凝后凝結(jié)水量增多，容易使抽氣器疏排水管路疏排不順暢，造成抽排氣一級(jí)轉(zhuǎn)二級(jí)之間空間疏排阻礙，影響抽氣效果。從空氣抽氣器二級(jí)噴嘴的抽氣效果來看，可以起到抽氣的作用，但是噴嘴能力發(fā)揮不足，汽輪機(jī)未帶功率狀態(tài)下的真空度只下降到-0.086 MPa，也是冷凝器真空度下降，且不能維持汽輪發(fā)電機(jī)提升功率要求的原因。

3)在冷凝器喉部溫度升高到64 ℃之前，核查工作中的空氣抽氣器與連接冷凝器抽氣閥，感覺由冷凝器端進(jìn)閥和出閥兩側(cè)連接管外表溫度的變化有異常，是抽氣器一側(cè)先熱起來，并逐漸通過抽氣閥傳輸?shù)嚼淠鬟M(jìn)閥一側(cè)，由溫度的疏導(dǎo)方向來分析，這是不正常的現(xiàn)象。正常情況下，如果抽氣管內(nèi)的氣體從冷凝器進(jìn)閥一側(cè)流通過來，再被空氣抽氣器吸出，即使抽氣器混合室連接管端初期有部分溫度散發(fā)出來，但隨著較低溫度的空氣由冷凝器抽出并流動(dòng)過來，抽氣閥出口這一側(cè)管壁手感應(yīng)該是會(huì)由熱逐漸變涼至不燙手?，F(xiàn)在出現(xiàn)溫度反常倒流，說明空氣抽氣器在喉部溫度升高后存在抽不出空氣的問題，基本可以確認(rèn)這是冷凝器喉部溫度高、真空度下降的重要原因。

2.3 故障排除及驗(yàn)證

1)經(jīng)過對(duì)凝水、冷卻水進(jìn)排管路進(jìn)行一系列的調(diào)整，未解決喉部溫度高的問題，確定了冷凝器冷卻能力不是真空度下降的原因。

2)給空氣抽氣器新工作蒸汽閥箱增設(shè)疏水管閥，因汽輪發(fā)電機(jī)所處的機(jī)艙沒有凝水收集艙，需要另設(shè)管道才能連通到主機(jī)艙的凝水艙進(jìn)行回收，且改造工作量太大，因此該閥箱的疏水只好設(shè)置成直接排至本機(jī)艙底，經(jīng)過改造，可以充分改善空氣抽氣器工作蒸汽的質(zhì)量，提高抽氣的效率。但未解決冷凝器喉部溫度高的問題，因此也不是導(dǎo)致冷凝器喉部溫度高、真空度低問題的主要原因。

3)將空氣抽氣器的一級(jí)、二級(jí)噴嘴及座體整個(gè)拆下，分解噴嘴與座體，在取出一級(jí)噴嘴后，發(fā)現(xiàn)噴嘴與座體連接螺紋體被汽蝕穿透，形成一個(gè)導(dǎo)氣流道，本來應(yīng)全部進(jìn)入噴嘴噴射錐汽腔的蒸汽，有一部分近250 ℃的工作蒸汽從噴嘴與座體螺紋體的氣道泄漏射出，偏離擴(kuò)散管口，不參與抽氣工作，噴嘴連接螺紋貫穿故障示意圖見圖4。該蒸汽流斜向噴入混合汽腔吸入口，在此處建立起高壓區(qū)，此處的高壓蒸汽既阻礙了空氣從冷凝器經(jīng)過抽氣閥抽吸過來，同時(shí)由于冷凝器已初步建立了真空度，泄漏工作蒸汽壓力高于冷凝器的真空壓力，蒸汽往壓力低的冷凝器喉部流動(dòng)，順著抽氣連接管、閥倒沖回到冷凝器喉部，提升了冷凝器的汽輪發(fā)電機(jī)工作廢蒸汽原冷凝器喉部溫度，阻礙空氣抽出，也降低冷凝器對(duì)工作廢蒸汽的冷凝效果，冷凝器凝水效果變差，并產(chǎn)生凝水水位調(diào)節(jié)失效故障現(xiàn)象。在反沖蒸汽進(jìn)入冷凝器，使喉部溫度升高后，冷凝器真空度維持能力持續(xù)下降。更換掉損壞的噴嘴及噴嘴座2組零件后，空氣抽氣器功能恢復(fù)正常，真空度低的故障排除，同時(shí)冷凝器水位問題也得到排除。證實(shí)了空氣抽氣器噴嘴螺紋穿孔、蒸汽倒灌冷凝器，是導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)真空度低故障的主要原因。

圖4 噴嘴連接螺紋貫穿故障示意圖

3 結(jié)束語

1)空氣抽氣器工作蒸汽含水量多的問題是導(dǎo)致噴嘴與座體螺紋體汽蝕的主要原因，進(jìn)而產(chǎn)生冷凝器真空度低故障。根本原因是原蒸汽供汽管路系統(tǒng)暖通管功能不完整，存在缺陷。對(duì)連接鍋爐蒸汽輸出與空氣抽氣器工作噴嘴之間的新蒸汽閥箱采取的加裝疏水管、疏水閥措施，是符合船舶管系蒸汽管道輸送暖通管相關(guān)規(guī)范要求的。

2)與操作者溝通，做好技術(shù)交底，按照正確的操作條例啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)?？諝獬闅馄鲊娮煨抡羝_通之前，要先排凈閥箱積水，至符合要求后，再關(guān)閉閥箱疏水閥，順序打開通往空氣抽氣器的一級(jí)、二級(jí)蒸汽閥，使空氣抽氣器投入工作。該措施能保證抽氣器工作狀態(tài)維持穩(wěn)定，并且使空氣抽氣器噴嘴、擴(kuò)散管的工作損耗符合設(shè)備可靠性的要求。