汽轮机轴封抱死的原因及预防措施

2013-12-24王国琦姚昌模屈紫懿鲁冠军

重庆电力高等专科学校学报 2013年2期

王国琦，姚昌模，屈紫懿，鲁冠军

(1.广东惠州平海发电厂有限公司，广东惠州516000;2.重庆电力高等专科学校，重庆400053)

0 前言

西门子1000MW汽轮机由上海电气集团联合西门子公司设计，为单轴、四缸四排汽、反动凝汽式。广东惠州平海发电厂一期2×1000MW超超临界燃煤机组就选用上述汽轮机，由于西门子1000MW汽轮机高、中压缸轴封间隙较小(约为0.3mm)，且使用的液压盘车力矩较电动盘车力矩偏小。在机组运行时，当主机轴封处温度发生显著变化时，高、中压缸端部轴封及轴封处大轴会发生急剧冷却收缩，有可能导致轴封或汽缸内部动静部分碰磨，进而导致汽轮机大轴在轴封处抱死，影响单元机组的正常运行。

目前国内西门子1000MW汽轮机在浙江玉环电厂、上海外高桥电厂、天津国投北疆电厂均发生过轴封抱死的问题。为了避免上述问题给电厂安全和经济性造成影响，下面从广东惠州平海发电厂轴封系统的作用、结构及轴封供汽控制系统特点出发，分析有可能导致轴封抱死的原因及预防措施。

图1 1000MW汽轮机轴封系统

1 轴封系统的作用及结构特点

1.1 轴封系统的作用

轴封系统的主要作用是向汽轮机、给水泵小汽轮机的轴封提供密封蒸汽，同时将各汽封的漏汽合理导出或抽出。在汽轮机的高压区段，轴封系统的正常功能是防止蒸汽向外泄漏;在汽轮机的低压区段，则是防止外界的空气进入汽轮机内部，保证汽轮机有尽可能高的真空，以确保汽轮机组的高效率。

1.2 轴封系统的结构特点

1.2.1 轴封系统供汽汽源

如图1所示，该厂轴封蒸汽系统有两路汽源:在启动及停机时轴封蒸汽的汽源来自于辅汽联箱，辅汽经过减温减压后进入轴封供汽母管，其中辅汽联箱的汽源又来自于本机四抽、冷再、邻机及启动锅炉;随着机组负荷的增加，轴封供汽切至高中压主汽阀、高中压调阀及补气阀等门杆漏汽供汽。在轴封供汽的母管上共有7路，分别引至高、中、低压缸的端部轴封处。

1.2.2 轴封结构

在汽轮机的高、中、低压缸中，汽缸内外压差较大。正常运行时，高压缸轴封要承受很高的正压差，中压缸轴封次之，而低压缸则要承受很高的负压差，因此，这三个汽缸的轴封设计有较大的区别。为实现蒸汽不外漏、空气不内漏的轴封设计准则，除通过结构设计较小通过轴封的蒸汽(或空气)的通流量外，还必须借助外部调节控制手段阻止蒸汽的外泄或空气的内漏，因此汽缸轴封必然设计成多段多腔室结构。为阻止蒸汽不外泄到大气，避免轴承的润滑油中带水，应使与大气交界的腔室处于微真空状态;为防止空气漏入汽缸，应使与蒸汽交界的腔室处于正压状态。

该厂西门子1000MW汽轮机轴封采用交错汽封片联锁密封和汽封齿式非联锁迷宫密封两种形式，如图2所示。在相对膨胀较小的区域采用交错汽封片联锁密封，在相对膨胀较大的区域则采用汽封齿式非联锁迷宫密封。

1)高压缸轴封

图2 1000MW汽轮机轴封的两种结构形式

如图1所示，汽轮机高压缸有两个轴封，由于高压缸前端轴封漏汽的压力、温度较高，因此高压缸前端轴封较长，由五段四个腔室组成，后端轴封由四段三个腔室组成。机组正常运行时，为了不使高温汽流向外泄漏，轴封汽直接送入高压缸第三个前轴封汽室(由内往外数，下同)和后端第二个轴封汽室。高压缸第二个前轴封汽室和第一个后轴封汽室内的漏汽直接引至中压缸排汽管，而第四个前轴封和第三个后轴封汽室的漏汽通过高压缸轴封回汽阀汇集至低压汽封漏汽母管。

2)中压缸轴封

如图1所示，中压缸前、后两端各有三段两个汽室，轴封汽被分别送入两端第一段轴封后的汽室，而两端第二个轴封汽室内的漏汽同样通过轴封回汽阀进入低压汽封漏汽母管。

3)低压缸轴封

如图1所示，低压缸的前、后端轴封均由三段两个汽室组成，两端第一个轴封汽室与轴封母管相连，两端第二个轴封汽室内的漏汽汇集至低压汽封漏汽母管。

2 轴封供汽控制系统的特点

该厂轴封供汽系统设有轴封压力控制回路和温度控制回路，其中轴封压力控制回路是通过调节轴封供汽调门、溢流调门的开度来实现的，并且两个阀门是由一个控制器实现的，即两个阀门不能同时开启，当轴封压力高于设置值时，供汽调阀逐渐关小，直到轴封供汽调阀全关后才允许轴封溢流调阀开启。

在启动阶段，轴封供汽由辅助蒸汽供给，来自辅助联箱的辅汽经过减温器减温后，一路至小机轴封供汽，一路至主机轴封供汽。主机轴封供汽经轴封供汽调压阀减压后，供至轴封供汽母管，分别供至高中低压缸的各个轴封段，即通过轴封供汽调门来维持轴封压力，轴封温度靠供汽调门前的减温器来控制，该厂轴封系统对于轴封温度要求非常严格，轴封供汽调门前的温度与高压转子计算温度成对应关系，如图3所示。

图3 汽轮机轴封供汽温度控制曲线

当主机高压转子计算温度大于300℃时，轴封供汽调门前的温度应控制在280～320℃;当主机高压转子计算温度低于200℃时，即冷态冲转时，轴封供汽调门前的温度可适当降低为240～300℃，允许的进汽温度为图3中两条折线之间的部分，如果出现温度过高或者过低，或者供汽调门前蒸汽过热度过低，均会强关轴封供汽调门。

随着机组负荷的增加，轴封系统进入到自密封阶段，此时轴封供汽调门保持关闭，溢流调门来调节轴封压力，当轴封母管的压力高于设定值3.5kPa后，轴封溢流阀开启，使多余的蒸汽进入凝汽器来调节轴封压力在设定值，此时当轴封供汽母管的温度高于310℃时，温度控制回路会产生积分量动作于轴封供汽调门，使轴封供汽调门微开，靠节流产生的部分冷气来调节轴封供汽母管的温度。此时轴封供汽调门前蒸汽允许进汽温度为图4中曲线下面的部分，同时必须有5℃以上的过热度，否则轴封供汽调阀会强制关闭。

图4 汽轮机轴封冷却蒸汽温度控制曲线

3 汽轮机轴封抱死的原因

3.1 辅助蒸汽温度低

机组正常运行时该厂辅助蒸汽系统的汽源来自于本机四抽，冷再作为备用;在机组启停阶段，辅汽来自于相邻机组或者启动锅炉。在机组正常运行阶段，辅助蒸汽系统用户很少，几乎为死汽，有可能造成轴封温度较低。

机组启停时，辅汽联箱至主机轴封的供汽主要来自于启动锅炉或邻机辅汽联箱，该厂启动锅炉设计出口温度为350℃，正常运行时邻机辅汽联箱温度在350℃左右，考虑到启动锅炉和邻机辅汽联箱至本机辅汽联箱的距离较远，启停机时，尤其是停机的时候，如果管路疏水不当，会造成辅汽联箱的蒸汽温度较低。

冷段再热蒸汽是本机辅汽联箱的备用汽源，在机组低负荷运行或停机过程中，由于四抽压力较低，可能会短时采用冷再热蒸汽供辅汽。在高旁开启时，为控制高旁后的蒸汽温度，高旁减温水会投入，如果减温水调阀调节不好或者减温水调阀关闭后存在内漏，均会造成辅汽温度较低，进而造成轴封温度较低。

3.2 轴封减温水内漏

该厂主机轴封和小机轴封的减温水设计为同一个减温器，正常运行时减温水以主机轴封温度设定值作为调节的对象，为了保证主机轴封温度的稳定，减温水调阀的调节品质要保证良好，减温器后面的温度测点一定要远离减温器，避免温度变化太敏感造成减温水调阀调节摆动，另外要求减温水调阀关闭后能防止内漏。

3.3 冷空气漏入

在机组正常运行中，高中压主汽门、调门及补气阀的门杆漏气温度很高，此时主机轴封供汽调阀起着调节轴封温度的功能，当轴封母管温度高于310℃时，轴封供汽调阀微开启，靠节流减温的形式来降低轴封母管温度，但同时轴封供汽调阀的开关受其之前的温度限制，当轴封供汽调阀前的温度高于320℃时，轴封供汽调阀强制关闭，从而造成轴封母管压力不断地波动，有可能造成外部的冷空气进入汽缸的端部。

3.4 轴封系统疏水不当

为防止轴封蒸汽温度低，该厂轴封系统在轴封减温器后、主机轴封供汽调阀前、轴封供汽母管上以及轴封供汽母管至各轴封段的分支上均设计有疏水门。在投用轴封时，如果疏水不当或者疏水时间太短，将造成冷水、冷汽进入轴封系统。尤其对于低压缸段轴封，由于低压缸段轴封供汽管道需经过凝汽器内部方可到达低压轴封处，轴封蒸汽很容易被冷却。

4 防止汽轮机轴封抱死的措施

为保证汽轮机安全、经济运行，可采取以下措施防止汽轮机轴封抱死。

(1)DCS及大屏声光报警中，引入“辅汽联箱温度低”及“轴封母管温度低”报警。

(2)高旁减温水的关闭逻辑要考虑好，确保高旁减温水能够关严，防止高旁减温水窜入辅汽系统。

(3)机组启停时，辅汽需切至邻机或启动炉时，需加强沿途管道的疏水，确保辅汽联箱的温度高于280℃。

(4)主机轴封供汽站前的温度测点应远离轴封减温器，轴封减温水调门调节品质应良好，能够保证轴封汽温度的稳定;另外，轴封减温水的零位应校正好，防止减温水调门关闭后，仍有减温水进入轴封系统。

(5)轴封供汽调阀前疏水器的旁路门应改为电动门，并将轴封供汽调阀前的温度引入其开关的逻辑中去。因为在机组正常运行中，轴封供汽调阀经常处于关闭状态，这就造成轴封供汽调阀前的蒸汽为死汽，温度降低后凝结成水，可以通过疏水器排走，但形成的低温蒸汽不能及时排走，有必要将此处的手动门更改为电动门，可及时地排走冷水冷汽。

(6)在轴封供汽调阀开始调温时，如轴封供汽调阀前温度高于320℃，轴封供汽调阀会强制关闭。可在逻辑中设置积分量，使轴封供汽调阀缓慢关闭，防止轴封供汽调阀关闭太快，造成轴封母管压力波动。

(7)在轴封供汽母管至各段轴封处增设温度监视测点，将现有的高、中压段疏水手动门更换为电动门，并且将各段温度引入各电动门的开关逻辑中，当轴封温度低时，能迅速自动开启疏水电动门疏水。

(8)该厂辅汽系统正常运行中没有连续供汽用户，长期运行辅汽联箱温度会逐步下降，运行中严格控制辅汽联箱温度大于280度，温度低时及时开启疏水旁路，提高辅汽温度。