1 000 MW機(jī)組給水泵汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)故障分析及處理

余興剛，魏海峰，朱太春，郭緒宏，蔣伯華

(1.高效清潔發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.國(guó)家能源集團(tuán)永州發(fā)電有限公司，湖南 永州 425000；4.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

為提升大容量火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，采用100%鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)容量的汽動(dòng)給水泵并為驅(qū)動(dòng)給水泵的汽輪機(jī)配備獨(dú)立的凝汽器[1-2]，因而汽動(dòng)給水泵組及其輔助系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[3-4]。給水泵汽輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱小機(jī))軸封蒸汽系統(tǒng)作為汽動(dòng)給水泵組的重要輔助系統(tǒng)，其主要作用是為小機(jī)軸端汽封提供密封蒸汽，防止外界冷空氣漏入汽輪機(jī)而影響小機(jī)真空，同時(shí)將各汽封的漏汽合理導(dǎo)入和引出[5-6]。小機(jī)軸封系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題將嚴(yán)重影響汽動(dòng)給水泵組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[7]。

本文介紹了某新建燃煤電廠1 000 MW機(jī)組在調(diào)試期間發(fā)生的小機(jī)軸封帶水、給水泵側(cè)軸封管道異響的故障，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查找出了上述故障發(fā)生的原因，對(duì)小機(jī)軸封系統(tǒng)進(jìn)行整改后成功排除了故障，確保了機(jī)組后續(xù)調(diào)試工作的順利開(kāi)展。

1 設(shè)備概況

某新建燃煤電廠一期2×1 000 MW工程采用1×100%BMCR容量的汽動(dòng)給水泵，前置泵與給水泵采用同軸布置方式，共同由小機(jī)驅(qū)動(dòng)，小機(jī)與前置泵之間通過(guò)減速齒輪箱連接，汽動(dòng)給水泵組橫向布置在汽機(jī)房8.6 m層固定端，小機(jī)配備獨(dú)立的雙室水冷凝汽器，凝汽器布置在汽機(jī)房0 m層。小機(jī)為單缸、雙流程、沖動(dòng)式、再熱冷段汽源外切換凝汽式汽輪機(jī)，小機(jī)兩端排汽向下排入自帶凝汽器。

小機(jī)軸封蒸汽系統(tǒng)如圖1所示，小機(jī)軸封供汽來(lái)自機(jī)組輔助蒸汽系統(tǒng)，輔汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓和噴水減溫器減溫后穿過(guò)凝汽器供給小機(jī)兩端汽封體，小機(jī)兩端軸封漏汽通過(guò)管道接至主汽輪機(jī)軸封加熱器。在汽輪機(jī)的軸封回汽管道上布置有三個(gè)疏水水封，分別布置在兩端汽封體回汽管道(0 m層)和回汽總管(8.6 m層)上。在軸封供汽調(diào)節(jié)閥后和噴水減溫器后管道上分別設(shè)計(jì)有壓力變送器和溫度變送器用于運(yùn)行中控制和監(jiān)視軸封母管蒸汽壓力、溫度。小機(jī)說(shuō)明書規(guī)定:軸封母管蒸汽壓力正常運(yùn)行值為18～30 kPa，噴水減溫器后蒸汽溫度整定值為180℃左右。

圖1 小機(jī)軸封蒸汽系統(tǒng)

2 小機(jī)軸封帶水問(wèn)題及處理

該電廠1號(hào)機(jī)組小機(jī)首次單機(jī)試運(yùn)時(shí)，在投運(yùn)小機(jī)軸封系統(tǒng)的過(guò)程中，輔助蒸汽溫度為280℃左右，小機(jī)軸封母管壓力為30 kPa(g，表示表壓)時(shí)，噴水減溫器后蒸汽溫度僅109℃[8]，遠(yuǎn)低于小機(jī)說(shuō)明書的要求。啟動(dòng)小機(jī)真空泵進(jìn)行凝汽器抽真空后，凝汽器壓力最高值為7.2 kPa(a，表示絕對(duì)壓力)，但小機(jī)軸封蒸汽溫度低的問(wèn)題未有明顯改善。嘗試開(kāi)大小機(jī)軸封供汽調(diào)節(jié)閥將軸封母管蒸汽壓力最高調(diào)整至100 kPa(g)時(shí)，軸封蒸汽溫度上升不到10℃，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和調(diào)試人員檢查發(fā)現(xiàn)小機(jī)兩端軸封有往外冒水現(xiàn)象，檢查凝結(jié)水至噴水減溫器管道上的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，軸封供汽管道上疏水閥門均處于開(kāi)啟狀態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)檢查小機(jī)軸封系統(tǒng)供、回汽管道，發(fā)現(xiàn)小機(jī)軸封回汽管道的安裝方式不合理，如圖2所示。小機(jī)兩端軸封回汽管道從位于標(biāo)高4.534 m處軸封漏汽接口引出后通過(guò)一段向下斜管接至標(biāo)高4.124 m處，再通過(guò)一段立管穿過(guò)8.6 m層平臺(tái)在標(biāo)高8.6 m處合并后，通過(guò)一段立管引至標(biāo)高14.353 m位置處，而后通過(guò)一段較長(zhǎng)管道接至標(biāo)高10.84 m的軸封加熱器接口處。小機(jī)軸封回汽管道最高位置與最低位置高度差為10 m左右，這一結(jié)構(gòu)導(dǎo)致軸封回汽管道形似水封。由于軸封加熱器的負(fù)壓僅為-6 kPa(g)左右，軸封回汽管內(nèi)蒸汽壓力與軸封加熱器之間的壓差無(wú)法克服此段高差，極易導(dǎo)致管道內(nèi)積水。此外，小機(jī)軸封回汽管道上未設(shè)計(jì)疏水管道，僅安裝有三個(gè)尺寸φ32×2.5 mm的疏水水封，且小機(jī)軸封回汽總管的疏水水封安裝在8.6 m層的立管上，無(wú)法起到疏水的作用。安裝單位人員對(duì)比小機(jī)軸封回汽管道設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場(chǎng)安裝方式與設(shè)計(jì)圖紙基本一致。經(jīng)分析，初步懷疑是小機(jī)軸封回汽管道安裝方式設(shè)計(jì)不合理，造成軸封回汽管道內(nèi)積水，而小機(jī)軸封回汽管道上疏水水封來(lái)不及將管道中積水排出，積水導(dǎo)致軸封蒸汽流通不暢，進(jìn)而使軸封蒸汽溫度偏低。采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量小機(jī)軸封回汽管壁溫度證實(shí)了這一推測(cè)。

圖2 小機(jī)軸封回汽管道安裝示意圖

此外，運(yùn)行人員最新的小機(jī)潤(rùn)滑油油質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告顯示，小機(jī)潤(rùn)滑油顆粒度大于NAS 12級(jí)(儀器最大顯示為12級(jí))，油中水分含量為1 000 mg/L，遠(yuǎn)大于小機(jī)潤(rùn)滑油的標(biāo)準(zhǔn)(顆粒度不大于NAS 8級(jí)，水分含量不大于100 mg/L)。而小機(jī)軸封系統(tǒng)投運(yùn)前小機(jī)潤(rùn)滑油質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果為合格(顆粒度為NAS 5級(jí)，水分含量為65 mg/L)，基本可判斷小機(jī)軸封內(nèi)水已通過(guò)軸承箱進(jìn)入潤(rùn)滑油內(nèi)，對(duì)小機(jī)潤(rùn)滑油質(zhì)造成了較大影響[9-11]。決定暫不進(jìn)行小機(jī)沖轉(zhuǎn)，優(yōu)先解決小機(jī)軸封蒸汽帶水問(wèn)題。

推測(cè)造成小機(jī)兩端軸封冒水問(wèn)題的原因主要為小機(jī)軸封回汽管道安裝方式設(shè)計(jì)不合理，致管道內(nèi)積水，但更改小機(jī)軸封回汽管道的安裝方式工作量非常大。由于試運(yùn)工期短，時(shí)間緊迫，決定從加強(qiáng)小機(jī)軸封回汽管道的疏水方面采取措施。在小機(jī)兩端軸封回汽管道上各加裝1個(gè)水封筒，以便及時(shí)將小機(jī)軸封回汽管道內(nèi)積水排出。新加裝水封筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小機(jī)軸封回汽管道新增水封筒示意圖

為確保小機(jī)軸封回汽管道中的積水能夠及時(shí)排出，新增水封筒鋼管1與軸封回汽管的管徑和管材相同，管徑為φ133×4 mm，管材為20號(hào)鋼，且安裝在0 m層空中小機(jī)兩端軸封回汽管最低處。水封筒上設(shè)計(jì)有承接主機(jī)凝結(jié)水的注水孔和孔徑為φ76 mm的溢流孔，小機(jī)軸封系統(tǒng)投運(yùn)前需通過(guò)注水孔將水封筒內(nèi)注滿水，正常運(yùn)行過(guò)程中，軸封回汽管內(nèi)積水通過(guò)水封筒溢流孔流至無(wú)壓放水母管。水封筒還設(shè)計(jì)有透明軟管以便觀察水封筒內(nèi)水位。

在小機(jī)軸封回汽管道水封筒安裝完并待小機(jī)潤(rùn)滑油油質(zhì)合格后，重新投運(yùn)小機(jī)軸封系統(tǒng)。當(dāng)小機(jī)軸封母管蒸汽壓力為30 kPa(g)、輔助蒸汽溫度為270℃左右時(shí)，經(jīng)過(guò)噴水減溫器后小機(jī)軸封蒸汽溫度為176℃，現(xiàn)場(chǎng)檢查小機(jī)兩端軸封均沒(méi)有出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，且有輕微的冒汽。之后將軸封蒸汽壓力調(diào)整至25 kPa(g)，小機(jī)兩端軸封也不再冒汽，沖轉(zhuǎn)前化驗(yàn)小機(jī)潤(rùn)滑油油質(zhì)結(jié)果與小機(jī)軸封系統(tǒng)投運(yùn)前相比未有明顯變化。

3 小機(jī)給水泵側(cè)異響問(wèn)題及處理

小機(jī)兩端軸封蒸汽帶水問(wèn)題解決后，小機(jī)得以順利開(kāi)展試運(yùn)。但在后續(xù)的小機(jī)試運(yùn)、機(jī)組吹管和整套啟動(dòng)前期，發(fā)現(xiàn)小機(jī)給水泵側(cè)從凝汽器內(nèi)部間歇性地傳出異響，初步推斷造成異響的原因?yàn)楣艿腊l(fā)生水擊。小機(jī)前置泵側(cè)未發(fā)生異響，對(duì)小機(jī)給水泵和前泵側(cè)的軸封供、回汽管道進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩端軸封供汽管道安裝方式基本一樣，但兩端軸封回汽管道安裝方式存在一定差別。小機(jī)前置泵側(cè)軸封回汽管道嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方式安裝，從凝汽器引出后具有連續(xù)向下的坡度接至0 m層空中最低點(diǎn)，而小機(jī)給水泵側(cè)排氣口處有一人孔門，小機(jī)給水泵側(cè)軸封回汽管道若按照設(shè)計(jì)方式安裝將擋住人孔門，進(jìn)而影響人孔門的拆裝。安裝小機(jī)給水泵側(cè)和前置泵側(cè)軸封回汽管時(shí)，采取了如圖4所示的安裝方式。

圖4 給水泵側(cè)和前置泵側(cè)軸封回汽管道安裝示意圖

可以看出，給水泵側(cè)軸封回汽管道采取避開(kāi)人孔門的安裝方式后，將在凝汽器接口處形成一最低點(diǎn)，容易導(dǎo)致此處管道內(nèi)積水，從而使管道發(fā)生水擊而產(chǎn)生異響。因此，在小機(jī)給水泵側(cè)人孔門前軸封回汽管道最低位置處加裝了一疏水水封，疏水水封尺寸為φ32×2.5 mm。然而，加裝此疏水水封后，小機(jī)啟動(dòng)后給水泵側(cè)依然發(fā)出間歇性的異響，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)安裝單位新加裝的疏水水封的高度差h較小(約300 mm)。機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中軸封加熱器的負(fù)壓約為-6 kPa(g)，按此壓力計(jì)算，疏水水封高度差h最小須達(dá)600 mm，高度差h過(guò)小將導(dǎo)致管道內(nèi)積水無(wú)法從新增疏水水封中排出。

對(duì)于軸封蒸汽管道穿過(guò)凝汽器供至汽封體的機(jī)組，其凝汽器內(nèi)部軸封蒸汽管道需加裝套管以防止汽輪機(jī)排汽對(duì)軸封蒸汽管道的沖刷、冷卻[12]，曾出現(xiàn)過(guò)因凝汽器內(nèi)軸封蒸汽管道未安裝套管或安裝不良導(dǎo)致軸封蒸汽帶水的問(wèn)題[13-14]。該機(jī)組小機(jī)凝汽器內(nèi)軸封蒸汽管道為制造廠供貨安裝，安裝單位人員也不清楚是否安裝套管。

小機(jī)給水泵側(cè)異響問(wèn)題給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的安全隱患[15]，為徹底解決小機(jī)給水泵側(cè)異響問(wèn)題，利用機(jī)組整套啟動(dòng)期間停機(jī)消缺機(jī)會(huì)，打開(kāi)凝汽器人孔門，人員進(jìn)入凝汽器內(nèi)檢查軸封蒸汽管道，發(fā)現(xiàn)凝汽器內(nèi)軸封供、回汽管道只有一部分管道加裝了套管，下部管道均裸露在凝汽器內(nèi)，且加裝了套管的軸封蒸汽管道套管上下均未焊接固定。小機(jī)軸封供、回汽管路大部分裸露在凝汽器內(nèi)，機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，小機(jī)的排汽溫度為25～45℃，遠(yuǎn)低于小機(jī)軸封蒸汽溫度。小機(jī)排汽將沖刷、冷卻軸封蒸汽管道，使軸封蒸汽管道內(nèi)蒸汽冷凝成水，造成管道內(nèi)積水而引發(fā)水擊問(wèn)題。

有兩種方法解決小機(jī)給水泵側(cè)異響問(wèn)題:一種方法是將疏水水封的高度差增大，確保管道內(nèi)積水可及時(shí)排出；另一種方法是完善凝汽器內(nèi)軸封蒸汽管道套管，避免小機(jī)排汽對(duì)軸封蒸汽管道的沖刷，徹底杜絕管道內(nèi)積水的形成。經(jīng)討論決定采用第二種方法，以便徹底解決小機(jī)給水泵側(cè)和前置泵側(cè)軸封管道內(nèi)積水問(wèn)題。同時(shí)制定了如下整改方案:對(duì)未加裝套管的軸封蒸汽管道采用保溫棉進(jìn)行保溫，用保溫鐵皮包住保溫棉，為避免小機(jī)排汽對(duì)保溫鐵皮的沖刷，在保溫鐵皮的外面再加裝套管，將套管上下端焊死，保溫棉和保溫鐵皮全密封；對(duì)于已加裝套管的管道，將套管上下端焊死，避免軸封蒸汽管道與小機(jī)排汽的直接接觸。

上述整改后，小機(jī)給水泵側(cè)軸端未再發(fā)生異響問(wèn)題，小機(jī)軸封異常的問(wèn)題得以徹底解決。

4 結(jié)論

1)小機(jī)軸封蒸汽帶水問(wèn)題原因?yàn)樾C(jī)軸封回汽管道安裝方式設(shè)計(jì)不合理、管道內(nèi)容易積水且積水無(wú)法及時(shí)排出，通過(guò)加裝水封筒及時(shí)將管道內(nèi)積水排出，解決了小機(jī)軸封蒸汽帶水的問(wèn)題。

2)小機(jī)給水泵側(cè)異響問(wèn)題原因?yàn)樾C(jī)給水泵側(cè)軸封回汽管道安裝方式不合理、凝汽器內(nèi)小機(jī)軸封蒸汽管道套管安裝不完善，通過(guò)采取對(duì)凝汽器內(nèi)小機(jī)軸封蒸汽管道進(jìn)行保溫和加裝套管封住的措施，避免了小機(jī)排汽對(duì)軸封蒸汽管道的沖刷、冷卻，有效地解決了小機(jī)軸端異響的問(wèn)題。