AFT Arrow软件在汽轮机轴封漏汽量计算中的应用

杜英智

(博莱克威奇(北京)工程设计有限公司，北京 100022)

1 汽轮机轴封系统简介

汽轮机运转时，转子高速旋转，汽缸、隔板等固定不动，为了避免转动部件与静止部件摩擦、碰撞，应留有适当的间隙。但由于压力差的存在，在这些间隙处必然会产生漏汽(漏气)，不仅会降低机组效率，还会影响机组安全运行。为了减少蒸汽泄漏并防止空气漏入，需要有密封装置。转子穿过汽缸两端处的汽封称为轴封，高压轴封的作用是防止蒸汽漏出汽缸,造成工质损失，恶化运行环境，导致轴颈受热或冲进轴承使润滑油质劣化；低压轴封则用来防止空气漏入汽缸，影响凝汽器真空度[1]。

轴封加热器的主要作用：利用轴封系统漏汽和阀杆漏汽的热量加热凝结水，提高凝结水温度，同时可以将蒸汽凝结成水后排至凝汽器，提高机组热效率并回收工质。轴封加热器风机的主要作用：将轴封系统内混入的不凝结气体及时排出，维持轴封加热器及轴封漏汽管道内一定的负压, 防止汽缸内蒸汽和阀杆漏汽向外泄漏及空气漏入汽缸的真空部分。

2 AFT Arrow软件简介

AFT Arrow是一种管道内流体模拟分析软件,能够准确地模拟可压缩介质的流体分析。AFT Arrow采用图形化的交互工作环境，软件提供的建模单元包括管道、管件(大小头、弯头、三通)、阀门、给定流量元件、给定压力元件和换热器等，用户可以通过内置的库来选择可压缩流体属性和内嵌的各种阀门及管件的阻力系数(也可以自定义阻力系数)进行管网分析，计算出整个管网中各处压力、温度、流速等信息，便于用户对管网进行整体检查和修改。

汽轮机轴封系统漏出的是蒸汽或蒸汽和空气的混合物，都是可压缩流体，因此可采用AFT Arrow软件建立轴封漏汽系统的模型。

3 轴封漏汽量的计算方法

汽轮机轴封漏汽量的计算方法较常用的有公式法和焓降法[2-3]，主要都是基于汽轮机本体的轴封设计，根据汽轮机设计说明书中的轴封设计参数或现场热力测量得到的参数计算轴封漏汽量。

公式法是已知轴封齿前的蒸汽参数、轴封齿数、漏汽面积，根据轴封齿前、后压力的比值来判断是否达到临界速度，然后选择相应的公式来计算轴封漏汽量。焓降法是基于汽轮机发电机组的能量平衡原理，分两步进行计算:先求出前端轴封漏汽量，然后求出前、后端轴封漏汽量的比值，再计算出后端轴封漏汽量。

本文则运用流体分析软件AFT Arrow模拟汽轮机轴封漏汽系统，建立轴封漏汽系统的管道模型，采用设定流量法和设定压力法计算轴封漏汽量。

4 计算实例

国内某燃气-蒸汽联合循环项目配置2套一拖一多轴联合循环发电机组, 性能保证工况下的总出力为293.7 MW(燃气轮机发电机出力为251.7 MW，汽轮机发电机出力为42.0 MW)，燃气轮机是GE公司生产的9FA机组，汽轮机是哈尔滨汽轮机有限责任公司生产的单缸双抽轴向排汽式汽轮机，高压抽汽为非调整抽汽,低压抽汽为调整抽汽，抽汽用于对外供热负荷。

汽轮机轴封蒸汽在启动和低负荷期间由厂用辅助蒸汽提供，热态启动时由主蒸汽经减压后提供。正常运行期间，从高压轴封泄漏的蒸汽引入汽轮机的低压段来保持所需的密封，形成自平衡密封系统。轴封蒸汽排汽系统的外圈轴封之间保持低真空度，防止密封蒸汽通过汽机转子两端的轴封逸出，该系统连续地将蒸汽和空气的混合物排出，排入轴封加热器。图1为汽轮机轴封漏汽系统示意图(不包括轴封供汽系统)。

图1 汽轮机轴封漏汽系统示意图

4.1 轴封漏汽模型的设计输入

轴封系统由汽轮机生产厂家进行设计，厂家负责轴封齿类型、轴封间隙尺寸、轴封系统管道规格、阀门及相关设备(包括轴封加热器和均压箱等)的设计，提供轴封设计说明书、系统图和设备图纸，系统图中包括漏汽点的压力、温度、接管规格，阀门类型和设备的设计参数等。轴封系统的管道布置由设计院来完成。轴封漏汽模型的设计输入见表1。

表1 轴封漏汽模型的设计输入

续表

4.2 轴封漏汽模型的建立

轴封漏汽模型包括主汽门阀杆漏汽、调节汽门阀杆漏汽、调整抽汽的调节阀阀杆漏汽、汽轮机轴最末端的漏汽(不包括前轴封至后轴封的自密封蒸汽)。轴封漏汽接入轴封母管的顺序为(按照距离轴封加热器的远近)：后轴封漏汽→调整抽汽调节阀阀杆漏汽→前轴封漏汽→主汽门阀杆漏汽→调节汽门阀杆漏汽→轴封加热器。根据已知的漏汽点参数(压力和温度)、管道规格(外径和壁厚)、实际的管道布置(包括管道的长度、管件的数量、阀门的类型和数量等)建立管道模型，计算出各个漏汽点的漏汽量及轴封加热器入口处的混合温度，供汽轮机厂进行轴封系统设计、轴封加热器设计选型及管道布置优化时参考。

运用AFT Arrow软件模拟轴封漏汽系统，可以采用2种建模方法(各漏汽点参数和管道布置完全一致)计算轴封漏汽量，一种是设定流量法，一种是设定压力法。

4.2.1 设定流量法

设定流量法是以进入轴封加热器的漏汽量(通常可参照汽轮机生产厂家提供的轴封加热器壳侧的流量)为依据进行建模，模型如图2所示(图中的压力值均为绝对压力，下同)。该方法是按照流量分配的原理来计算每个漏汽点的漏汽量，计算结果见表2。

图2 设定流量法

表2 设定流量法计算结果

采用设定流量法计算轴封漏汽量时，漏汽点的管道规格、管道的布置、阻力系数的选取是影响漏汽量的主要因素。一般来说，选取的管道内径越大、接入漏汽母管的各支管管道布置越简单(管道长度短、管件数量少等)，阻力系数越小(计算中选取常用的美标管子粗糙度)，漏汽量也就越大。漏汽点的蒸汽参数对漏汽量的影响很小,但是对轴封加热器入口汽、气混合物的温度影响很大。

4.2.2 设定压力法

设定压力法是基于轴封加热器壳侧的运行压力(轴封加热器在运行过程中需维持一定的负压,由汽轮机厂家提供)进行建模，如图3所示。该方法是依据管系压降计算原理来计算每个漏汽点的漏汽量，计算结果见表3。

图3 设定压力法

表3 设定压力法计算结果

采用设定压力法计算轴封漏汽量时，漏汽量的大小除了与漏汽点的管道规格、管道布置方式、阻力系数的选取有关之外，漏汽点的蒸汽压力和轴封加热器壳侧的运行压力是两个很重要的影响因素。漏汽点的蒸汽压力越高，轴封加热器壳侧的运行压力越低，也就是压差越大，漏汽量也就越大。通常漏汽点的蒸汽压力略低于大气压力，并且变化很小，因此轴封加热器壳侧的运行压力越低，漏汽量也就越大。轴封加热器入口汽、气混合物的温度则与每个漏汽点的温度有关。

4.3 结果分析

设定流量法和设定压力法都适用于轴封漏汽量的计算，根据不同的已知条件来确定采用哪种方法。

(1)同设定压力法相比，采用设定流量法得出的轴封漏汽量要偏小，汽轮机厂可以把这个漏汽量作为轴封设计的参考值，如果实际的漏汽量大于模型的计算值，那么可能是轴封管道的规格设计偏小或是管道布置不合理，建议汽轮机厂重新核算管道规格或由设计院优化管道布置方式。

(2)设定流量法是按照流量分配原理进行计算，管道布置是否合理非常重要。如果管道布置不合理，可能会有个别漏汽点的漏汽量为负值，导致蒸汽无法从漏汽点顺利排出。设计院应更改该漏汽点处的管道布置方式，如减少管道的长度或是管件的数量等。

(3)轴封加热器入口汽、气混合物的温度可作为轴封加热器壳侧的设计温度和材料选择的依据。从计算结果可以看出，这两种方法计算得出的温度均低于碳钢允许的温度上限，因此轴封加热器壳侧材料可以考虑使用碳钢。

(4)各漏汽点接入漏汽母管的顺序对轴封加热器入口汽、气混合物的温度影响很大。模型中主汽门及调节汽门阀杆的漏汽(温度最高)靠近轴封加热器，因此轴封加热器入口汽、气混合物的温度也要高一些，如果改变各漏汽点的接入顺序，轴封加热器入口汽、气混合物的温度也会相应改变。采用设定流量法计算得出的轴封加热器入口的混合温度比设定压力法要高。

(5)如果进入轴封加热器的漏汽量和轴封加热器壳侧的运行压力都是已知的，那么可以采用设定压力法来验证系统的通流能力。模型中采用设定压力法计算得出的轴封加热器入口的总流量为3 127.8 kg/h，高于轴封加热器的设计流量1 720.0kg/h，因此只要轴封加热器的压力保持在95 kPa(绝对压力)或更低，就可以满足系统通流能力的要求。

5 结束语

公式法和焓降法主要是依据轴封齿前、后的蒸汽参数来计算轴封漏汽量。实际上轴封漏汽量的大小是与汽封齿的类型、汽封间隙的大小、蒸汽参数等有关。通常来说，汽封间隙越大，轴封漏汽量越大；蒸汽参数越高，轴封漏汽量越大；不同运行工况时的漏汽量也不一样，启动和低负荷时会小一些，正常运行时要大一些。本文则是通过建模的方法来计算轴封漏汽量，得出的计算结果与上述方法相比较，用来供汽轮机厂家进行轴封系统设计时参考，也可供设计院进行轴封系统管道布置优化时参考。

实际上，汽轮机轴最末端漏出的是蒸汽和空气的混合物，而该模型假设漏出的全部是蒸汽，计算出的轴封漏汽量和轴封加热器入口汽、气混合物的温度都偏大，计算结果也偏保守；实际漏汽点的压力(现场实际测量的漏汽压力)应略低于大气压力，而该模型是按大气压力进行计算，计算得出的漏汽量也是偏大的，结果也是偏保守。

本文计算实例中的汽轮机轴封系统相对比较简单，建模法同样可应用于大容量汽轮机复杂轴封系统漏汽量的计算。

参考文献：

[1]代云修，张灿勇.600 MW级汽轮机设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]翦天聪.汽轮机原理[M].北京：水利电力出版社，1992.

[3]赵显国.高背压机组轴封漏汽量的计算[J].电力设备，2007，8(3):54-56.

[4]GB 50764—2012 电厂动力管道设计规范[S].