2 150 kW背壓式汽輪機(jī)節(jié)能改造實(shí)踐與運(yùn)用

朱家績，魏林松，田文軍，楊澤友

（云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司，云南昆明650113）

云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司（以下簡稱海口磷業(yè)）330 kt/a硫磺制酸裝置于2002年建成投產(chǎn)，裝置的主要?jiǎng)恿τ? 150 kW汽輪機(jī)拖動(dòng)離心式鼓風(fēng)機(jī)提供。汽輪機(jī)投入生產(chǎn)運(yùn)行近18年時(shí)間，在后期汽輪機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行故障頻繁，隔板汽封間隙增大、前后汽封泄漏嚴(yán)重，使得汽輪機(jī)的運(yùn)行能效急劇下降，蒸汽消耗明顯增加，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽封泄漏嚴(yán)重時(shí)蒸汽泄漏量達(dá)到6 t/h。為了有效解決存在的問題，?？诹讟I(yè)根據(jù)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)對汽輪機(jī)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 汽輪機(jī)簡介

1.1 汽輪機(jī)的概述

該機(jī)組是沖動(dòng)背壓式汽輪機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，汽輪機(jī)的排汽用于工業(yè)管道保溫。機(jī)組采用單汽缸結(jié)構(gòu)，安裝在1個(gè)底盤上，汽輪機(jī)進(jìn)汽是通過直接固定于汽缸上的主汽閥進(jìn)入。調(diào)節(jié)閥室與汽缸下半部分鑄成一體，調(diào)節(jié)閥室的法蘭與調(diào)節(jié)閥相連。機(jī)組有2個(gè)調(diào)節(jié)閥，各個(gè)閥的閥桿分別與各自的油動(dòng)機(jī)相連。蒸汽從調(diào)節(jié)流經(jīng)噴嘴室，噴嘴進(jìn)入調(diào)節(jié)級，而后流經(jīng)各壓力級。調(diào)節(jié)級采用雙列速度級，其動(dòng)片設(shè)計(jì)成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，采用的自帶圍帶。葉根采用倒“T”型結(jié)構(gòu)固定。壓力級由4個(gè)沖動(dòng)級組成，各級葉片圍帶都采用鉚接圍帶，若干片1組，全周由若干組組成，各級葉根均采用倒“T”型葉根，末葉片插入鎖口用銷釘鎖緊，機(jī)組各組圍帶與鑲于導(dǎo)葉環(huán)和隔板上的阻汽片相密封。汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

轉(zhuǎn)向?qū)~環(huán)，分成上下兩半，均用鍛件制成，下半固定在噴嘴環(huán)上，上半和下半在中分面用螺栓固定，這樣即保證中心不變又固定牢靠。

圖1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意

各隔板采用堅(jiān)固的焊接結(jié)構(gòu)。冷軋靜葉片焊接成柵格后與隔板外環(huán)和隔板體焊接成一體。隔板在汽缸上的固定采用懸掛銷和底鍵，保證了運(yùn)行中能自由膨脹又確保對中。

轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過膜片柔性聯(lián)軸器與風(fēng)機(jī)連接。轉(zhuǎn)子上位于前汽封高壓段部位做成臺階結(jié)構(gòu)，構(gòu)成平衡活塞，以平衡轉(zhuǎn)子的部分軸向力。轉(zhuǎn)子通過2個(gè)徑向軸承支承。前軸承為徑向推力聯(lián)合軸承，安裝在前軸承座上。前軸承座內(nèi)裝有液壓控制、保安部套。電轉(zhuǎn)換器CPC安裝在前軸承座的上面。前軸承座下半和汽缸下半采用法蘭連接。在汽缸下半的前底部與彈性支承連接并固定在總底盤上，后軸承安裝于后軸承座上，后軸承座則通過半圓法蘭與汽缸后部相連接。汽缸后部通過下半兩側(cè)的后座架支承在底盤上，汽缸的后端部還通過汽缸支架固定在底盤上，以確保汽缸的徑向位置。通過汽缸的前底彈性支承和后缸兩側(cè)的支座、后端部的支架，組成了機(jī)組的滑銷系統(tǒng)，保證了機(jī)組運(yùn)行中軸和橫向的自由膨脹又確保中心不變。汽機(jī)的軸向線和后架橫向銷的中心線的交點(diǎn)形成了機(jī)組的膨脹死點(diǎn)。

汽輪機(jī)的汽缸為單缸結(jié)構(gòu)，為了加工方便，分為前后缸，從中心面分成上下兩半并用螺栓連接。下半前部有噴嘴室，前端與軸承座連接，下端有彈性支撐，后缸下半有排汽口，后端部與后軸承座相連。后缸下半的兩側(cè)有座架并支承在總底盤上。蒸汽在通流部分做功后由排汽管排入管網(wǎng)，作為工業(yè)用汽。

電動(dòng)盤車裝置安裝在風(fēng)機(jī)的后端，汽輪機(jī)動(dòng)前，必須停用盤車裝置，才能沖轉(zhuǎn)汽輪。

1.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)概述

進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽經(jīng)過主汽閥后，由2個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。主汽閥由液壓油動(dòng)機(jī)控制，而2個(gè)調(diào)節(jié)閥也分別由各自的油動(dòng)機(jī)控制。調(diào)節(jié)用油即分配油和潤滑油由電動(dòng)主油泵供給，電動(dòng)油泵出口的高壓油，通過濾油器過后分成兩路，一路為分配油與前軸承座相連供調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油；另一路為潤滑油，通過節(jié)流閥節(jié)流經(jīng)冷器冷卻后流向各個(gè)軸承。

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速由電子調(diào)速器 WOODWARD Peak150控制，2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器MPU將轉(zhuǎn)速信號輸入調(diào)速器，調(diào)速器將汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)值比較求得差值，然后調(diào)整其輸出信號(4～20 mA)，電液轉(zhuǎn)換器CPC的輸出液壓信號(二次油0.1～0.4 Pa)也隨之變化，通過調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)控制調(diào)節(jié)閥調(diào)整其開度和進(jìn)汽量，從而使轉(zhuǎn)速趨向目標(biāo)值。

汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)必須保持正確的功能，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高至定轉(zhuǎn)速值的109%～110%時(shí)，超速保護(hù)裝置動(dòng)作，將保護(hù)裝置中的操作油關(guān)閉，引起快閉油突然泄掉，主汽閥立即關(guān)閉。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的前端部，布置了位移傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向位移發(fā)生變化時(shí)，使傳感器信號發(fā)生變化，這種變化超過允許值時(shí)，使電磁閥動(dòng)作，泄掉速關(guān)油和二次油，主汽閥和調(diào)節(jié)閥立即關(guān)閉。

油系統(tǒng)是根據(jù)其作用分為潤滑油系統(tǒng)和分配油(調(diào)節(jié)油)系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)是供汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)各軸承的潤滑油。分配油則提供液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保安系統(tǒng)的用油。為了運(yùn)行的方便，這兩個(gè)系統(tǒng)共用1套油系統(tǒng)。油系統(tǒng)包括油箱、主油泵、備用泵、直流危急油泵、冷油器，濾油器和所連接的油管道組成完整的油站。

2 2 150 kW汽輪機(jī)運(yùn)行能效降低原因分析

2.1 汽輪機(jī)缸體出現(xiàn)塑性變形

機(jī)組投入運(yùn)行將近18年，服役時(shí)間較長，存在一定程度的老化問題，相關(guān)部件磨損較為嚴(yán)重。在硫酸裝置大檢修、反復(fù)開停車、負(fù)荷的增減時(shí)產(chǎn)生交變應(yīng)力作用導(dǎo)致汽輪機(jī)缸體結(jié)合面出現(xiàn)塑性變形[1]，發(fā)生塑性變形存在安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，而且塑性變形是不可逆的，還會(huì)影響汽輪機(jī)的整體密封性能，間接增加蒸汽的泄漏。

2.2 隔板汽封、前后端汽封泄漏嚴(yán)重

2018年打開汽缸上半部分檢查，隔板汽封間隙在0.6～2.0 mm，間隙較大，主要是機(jī)械設(shè)備長期運(yùn)行的正常使用損耗，而且是不可逆的，要徹底解決需要整體更換隔板阻汽片、前后端汽封組件，修復(fù)難度大。隔板汽封間隙增加導(dǎo)致各壓力級之間竄汽，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)組的運(yùn)行能效，造成優(yōu)質(zhì)的蒸汽資源浪費(fèi)。

汽輪機(jī)的前后汽封在使用了10年之后，汽封漏汽開始惡化，每次大檢修測汽封間隙a、b測量值在0.5～0.8 mm。前、后汽封局部示意見圖2。

圖2 前、后汽封局部示意

2012年大檢修時(shí)更換了汽輪機(jī)前后汽封環(huán)，汽封間隙a、b測量值在0.4～0.6 mm，仍然不能消除汽封泄漏的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽封泄漏最嚴(yán)重時(shí)蒸汽泄漏量達(dá)到6 t/h。2016年對汽封結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改型，由梳齒型改為蜂窩密封，改型投入運(yùn)行后效果依然不理想，平均蒸汽泄漏量仍有3 t/h左右，未能達(dá)到預(yù)期的效果。

蒸汽的泄漏不僅增加蒸汽的消耗，降低設(shè)備的運(yùn)行能效，還帶來了噪聲污染。最嚴(yán)重的是泄漏的蒸汽流竄到汽輪機(jī)的軸承潤滑系統(tǒng)，導(dǎo)致潤滑油水分超標(biāo)、潤滑油乳化變質(zhì)。在秋冬季節(jié)尤為突出，潤滑油中w(H2O)高時(shí)達(dá)到1.2%，必須通過定期置換潤滑油來保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是我國煤礦巷道目前最為經(jīng)濟(jì)、有效的主動(dòng)支護(hù)方式[1]，錨固劑-圍巖界面作為錨固系統(tǒng)相對薄弱、容易滑移脫黏部位[2]，在錨固段承受張拉載荷條件下，當(dāng)界面剪應(yīng)力值超過界面抗剪強(qiáng)度而發(fā)生滑移脫黏失效時(shí)，造成錨固支護(hù)效果降低甚至誘發(fā)安全事故發(fā)生。為此，研究并掌握圍巖-錨固劑界面剪應(yīng)力分布規(guī)律，對采取有效的工程防范措施，保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

2015年大修期間，汽輪機(jī)增設(shè)了1臺汽封漏氣冷卻器，對汽輪機(jī)前后兩端汽封泄漏的蒸汽分開進(jìn)行收集，潤滑油質(zhì)的含水量得到了一定的改善。

3 汽輪機(jī)運(yùn)行故障頻繁原因分析

汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)用油和潤滑油由電動(dòng)離心油泵供給，電動(dòng)離心油泵出口的高壓油，通過濾油器后分成兩路：一路為分配油供調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油；另一路為潤滑油，通過節(jié)流閥節(jié)流供給汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)軸承。在安全生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要調(diào)節(jié)潤滑油和分配油的壓力，在調(diào)節(jié)過程中操作困難，容易引起汽輪機(jī)組停機(jī)，另外，離心油泵的運(yùn)行穩(wěn)定性相對較差，隨著使用年限的增加故障率逐漸上升，檢維修頻繁。

因汽輪機(jī)汽封泄漏導(dǎo)致潤滑油水分超標(biāo)、乳化變質(zhì)，容易出現(xiàn)汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)軸瓦溫度偏高，造成軸瓦的損壞；汽封泄漏的蒸汽改變了汽輪機(jī)前后軸承座周圍的溫度，影響測振點(diǎn)測量精準(zhǔn)度，極易出現(xiàn)儀表測量值超標(biāo)引起機(jī)組停機(jī)。

汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)、監(jiān)測控制采用PLC系統(tǒng)，因系統(tǒng)版本較低，基本不能實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)刷新，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余、抗干擾能力存在不足，平均每年有2次因?yàn)镻LC系統(tǒng)引起機(jī)組停機(jī)。

4 解決措施

4.1 采用新的技術(shù)重新設(shè)計(jì)制造汽輪機(jī)

汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 在用汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)汽輪機(jī)的設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行存在的問題，與廣州某公司合作，采用新的設(shè)計(jì)平臺、新的技術(shù)重新設(shè)計(jì)制造。新汽輪機(jī)本體采用多級迷宮式汽封密封，前汽封分成3個(gè)汽封段室，后汽封有2個(gè)汽封段室。汽封從內(nèi)到外排列，各段的汽封環(huán)均裝在前汽封體上。前汽封第 I 段汽室蒸汽直接引至背壓排汽；前汽封第 II 段室的蒸汽與后汽封第 I 段室相連通，合并后引送到汽封冷凝器；前汽封第 III 段室的蒸汽與后汽封第 I 段室的漏氣直接排到漏汽冷凝器。對汽封漏氣實(shí)現(xiàn)分級回收，有效防止蒸汽進(jìn)入前、后軸承座以及廠房內(nèi)[2]。優(yōu)化汽輪機(jī)運(yùn)行效率，提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4.2 對汽輪機(jī)的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造

將電動(dòng)離心式油泵改型為螺桿泵，油壓、流量控制穩(wěn)定。同時(shí)，調(diào)節(jié)油/控制油、潤滑油分別采用單獨(dú)的油泵供油，改造前后的供油工藝流程見圖3。

改造后有效降低了油壓調(diào)節(jié)操作互相影響的風(fēng)險(xiǎn)。改造投入運(yùn)行，油泵故障率明顯降低，汽輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行性能大幅提升。

4.3 對汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造

圖3 改造前后的供油工藝流程

將機(jī)組調(diào)速控制器由WOODWARD PK150升級為WOODWARD PK200，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)由PLC改為DCS集散控制系統(tǒng)。采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)模擬量的處理功能上，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)冗余上得到了大幅提升。DCS系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，能夠讓系統(tǒng)可以靈活的增加新的節(jié)點(diǎn)，還會(huì)讓系統(tǒng)處于一種比較輕的通信負(fù)荷狀態(tài)，具備良好的在線網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)功能，這樣可以有效提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性[3]，有效提升了汽輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行控制能力。

5 結(jié)語

在實(shí)施改造投運(yùn)后，裝置72 h考核數(shù)據(jù)顯示，前、后汽封平均蒸汽泄漏量為0.45 t/h，蒸汽消耗由25.06 t/h降到20.84 t/h，節(jié)約蒸汽達(dá)到4.22 t/h，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。