背压汽轮机运行中的问题分析及解决

张 义，周小林，鹿文彬

（克拉玛依石化公司热电厂，新疆克拉玛依 834003）

0 概述

克拉玛依石化公司热电厂（简称热电厂）共有4台130 t/h中压煤粉锅炉，配套建有2×12 MW抽凝式汽轮发电机组，汽轮发电机组额定抽汽量为60 t/h，同时配有2台能力为2×120 t/h的减温减压器（3.5～1 MPa）。热电厂负责向石化炼油装置提供中压蒸汽和低压蒸汽，低压蒸汽主要由汽轮机发电机工业抽汽和减温减压器供给，而减温减压器存在一定的节流热损失。热电厂2010年通过安装一台背压汽轮机来拖动给水泵，这样既实现了蒸汽能量的梯级利用，也节约了厂用电耗量。但是背压汽轮机安装投运以来，主要存在排汽温度高、汽轮机前后轴承温度高、气封冷却器工作失常等问题，严重影响着机组的长周期安全运行。

1 背压汽轮机组工艺流程（图1）

背压汽轮机的新蒸汽经主蒸汽电动门、汽轮机速关主汽门至汽轮机调节阀进入汽缸，经喷嘴组冲动叶轮做功后排入背压低压蒸汽母管，供入炼油装置。在低压母管前联动有手动、电动放空阀及弹簧安全阀，在机组背压过高时可将被压蒸汽自动排入大汽，以确保机组安全。从机组组合汽阀和汽缸中来的凝结疏水以及背压管网中的凝结疏水直接排入地沟。汽轮机前后气封漏汽排入气封冷却器。

图1 背压汽轮机组工艺流程

背压汽轮机技术参数：型号B0.51-3.6/1.3，单级背压式，设计功率510 kW，额定转速2980 r/min，跳闸转速3220～3280 r/min，蒸汽压力3.6 MPa，蒸汽温度435℃，排汽压力1.3 MPa，杭州大路汽轮机厂生产。

2 背压汽轮机运行中存在的问题及原因分析

2.1 汽轮机排汽温度高原因分析

热电厂的单级背压式汽轮机，进汽为锅炉产出的中压蒸汽，参数基本稳定，蒸汽进入汽轮机做功拖动给水泵负载，安装试运过程中发现排汽温度过高，温度高达370℃，说明背压汽轮机内效率较低。造成效率低的因素主要是喷嘴结垢、叶片结垢、喷嘴和叶片因工况变化而变形严重。但热电厂背压汽轮机是刚出厂首次投入运行，机组喷嘴和叶片均无结垢，故排除以上原因。根据与厂家技术人员的沟通，确定排汽温度高是由于厂家设计问题，并非运行和设备问题。

2.2 汽轮机气封漏汽量大原因分析

热电厂的背压汽轮机前后气封为梳齿式迷宫气封，梳齿式气封因其成本低、结构简单、安全可靠且易于安装，结构如图2所示。疏齿式密封的密封原理是利用逐级节流膨胀增加流阻的方法来抑制泄漏，由于受设备轴向长度的限制，其泄漏量一般比较大。

梳齿式迷宫气封主要有以下缺点：传统迷宫密封在实际运行过程中，并不能完全保证设计间隙，由于起机过临界、异常振动、气流激振等原因，都会使气封齿造成永久性的磨损，导致密封间隙的成倍增加，也就是说，调整好的气封间隙很有可能在第一次启动过临界时就被磨大了。因此考虑到转子过临界转速的振动，梳齿式迷宫气封安装时径向间隙一般为0.6～0.8 mm，根据转子不同情况，有的间隙更大。由于轴封漏汽量较大（尤其在气封齿被磨损后），蒸汽对轴的加热区段长度有所增加，并且温度也有所升高，使胀差变大，轴上凸台和气封块的高、低齿发生相对位移而倒伏，造成漏汽量增加，密封效果得不到保证。

2.3 汽轮机气封冷却器工作失常原因分析

图2 梳齿式气封结构

热电厂的背压汽轮机气封冷却器的作用是将背压汽轮机前后气封漏出的蒸汽通过抽汽器抽出进入气封冷却器一级。一级冷却轴封蒸汽，内部是真空，其真空靠一级轴封抽气器抽出不凝结气体及蒸汽冷凝产生。二级冷却的是一级轴封抽气器的动力蒸汽，压力是常压，根据气封冷却器的工作原理可知，气封冷却器一级内部是真空，才能将背压汽轮机前后气封漏汽抽出，所以气封冷却器一级腔体必须是与大气隔绝的密闭腔体，在抽气器投入运行时才能形成负压，热电厂背压汽轮机安装时将气封冷却器安装在厂房零米位置，一、二级疏水直排地沟，造成轴封启动时，第一级真空不能很好建立，造成气封冷却器工作失常。

3 背压汽轮机改造方案

3.1 汽轮机排汽温度高改造方案

在机组运行中排汽压力正常，仅排汽温度一项超过规定值，可以通过在排汽管道上安装排汽减温水装置来降低排汽温度。在蒸汽管道中最简单的排汽减温水装置是采用不可调节的单孔喷嘴，它是将具有一定压力的减温水从喷嘴中成雾状喷出，与管道内的蒸汽混合热交换从而达到降低蒸汽温度的目的。因此减温喷嘴雾化效果的好坏直接关系到机组的运行安全性，若雾化效果不好，不但起不到减温效果，而且会形成大量的未雾化的水柱流，可能造成管道水击，对蒸汽管网构成严重威胁。

喷嘴减温水的雾化取决于喷嘴前的水压和所采用的喷嘴形式，减温水的压力和净度是减温器设计时需要考虑的2个要素，为了避免减温水在喷嘴处蒸发结垢堵塞喷嘴，就要求减温水应是充分清洁的，同时根据减温原理，减温水压力必须高于排汽压力，减温水温度必须低于背压汽轮机排汽温度，从而达到减温目的，根据以上条件，热电厂减温水装置选定中压除氧水作为减温水。减温水量，通过在给定的蒸汽流量下，减温水吸收的热量和蒸汽被减温后放出的热量之间的热平衡计算求得。

减温喷嘴形式的确定是决定减温效果好坏的另一个要素，不同的喷嘴会有不同的雾化效果，目前比较常见的喷嘴有旋流式和离心式两种。根据查阅相关资料和了解其他企业的使用情况，热电厂选用离心式喷嘴。利用给水泵出口中压除氧水作为减温水，在排汽管道直管段上安装喷水减温装置。

3.2 汽轮机轴承温度高技术改造方案

根据检修人员揭缸检查情况和运行中机组轴封漏汽量大情况进行分析，确定热电厂汽轮机在运行过程中，出现动静摩擦，导致气封与气缸间隙变大，气封漏汽量增大。根据分析结果，要彻底解决气封漏汽问题，可对汽轮机气封齿结构进行改进，热电厂背压机组改造前的气封形式为梳齿型平齿气封（图3），此种气封齿漏汽量非常大，计算得到的平齿漏汽总量为250 kg/h，而平齿实际的漏汽量要达到500 kg/h。气封与气缸之间间隙为20 mm，气封齿高度也只有20 mm，受背压汽轮机前后气封尺寸的限制，对前后气封进行较大改造不易实现，故可将气封平齿密封形式改为高低齿型气封。优化后的气封结构形式如图4所示。更改后的气封结构能减少漏汽量到200 kg/h 这样机组在运行过程中不会存在漏汽现象，可大大提高机组经济效益性能。

图3 改造前气封结构

图4 改造后的高低齿气封结构

3.3 汽轮机气封冷却器技术改造方案

气封冷却器的工作原理是汽轮机前后气封漏汽进入气封冷却器第一级冷凝，在冷却过程中，蒸汽凝结成水，会形成微负压，而内部一些不凝结气体由抽汽器带走，随新蒸汽一起排到放到第二级腔室内，从而保证气封漏汽可以顺利排入气封冷却器，气封冷却器简图见图5。由于热电厂背压汽轮机安装时将气封冷却器安装在厂房0 m位置，一、二级疏水直排地沟，第一级腔体内具有一定的真空，这就导致气封冷却器第一级疏水无法自然排出，随着第一级腔室内的疏水增多，换热面积减小，真空降低，导致气封漏汽就无法顺利排入气封冷却器。根据分析原因，可将气封冷却器安装高度提高，同时一二级疏水采用U形水封，一般情况，U形管距离保持在600 mm以上。第二级冷却器由于内腔是微正压，所以疏水比较顺畅。

图5 气封冷却器

4 背压汽轮机改造方案实施

4.1 安装排汽减温水装置

4.1.1 减温水量的计算

查阅资料，排汽压力1.3 MPa、温度370℃的蒸汽焓值h1=3193 kJ/kg；排汽压力1.3 MPa、温度320℃的蒸汽焓值h2=3085 kJ/kg；减温水压力5.5 MPa、温度104℃的减温水焓值h0=440 kJ/kg。根据减温减压热量和质量平衡公式，得出减温1000 kg 蒸汽所需减温水量公式q=（h1-h2）（/h1-h0）q=0.039 t。背压汽轮机正常运行时最大进汽量为12 t/h，所需最大减温水量0.468 t/h。

4.1.2 减温水管道的选择

所需减温水量大概范围确定后，选取减温水管道需要进行计算。如果选的过大，会影响日常操作，减温水不易调整，另外减温水阀门长期处于节流状态，容易引起阀门冲刷内漏，增加检修工作量。如果选的过小，那将不能达到排气减温的目的，所以选择合适的减温水管道非常重要。根据计算得到的减温水量，查阅无缝钢管流体流量、流速对照表，给水管道流速一般选1.2，根据对照表，选择DN20 mm以下管道即可。为方便安装和控制，可选择Φ14×3 mm的仪表引压管和针芯阀作为冷却水管和控制阀门。为保证减温效果，在减温水管两侧各安装一路减温水喷嘴进行减温。

4.1.3 喷嘴的制作及实验

确定采用Φ14×3 mm的仪表引压管作为冷却水管，为方便喷嘴与减温水管路的连接，采用直径20 mm钢圆钢制作喷嘴，利用车床加工，具体样式见图6。喷嘴制作完成后，将喷嘴与无盐水管线连接，来验证喷嘴的喷水雾化效果，实验一次性成功，表明自行委托加工的喷嘴符合喷水减温要求，可以安装。

图6 减温水喷嘴

4.1.4 喷嘴及减温水管线的安装试运

背压汽轮机排汽管道管径为DN250 mm，为保证减温效果，采取对称两侧安装减温水喷嘴，减温水从汽动给水泵出口再循环DN65 mm管线上接两路Φ14×3 mm管线作为冷却水管线（图7），每一路冷却水管线上安装减温水一次门和二次门进行调整。排汽减温装置安装后，投入背压汽动给水泵进行试运，背压汽轮机满负荷情况下，试运效果良好，在全开一路减温水的情况下，即可将排气温度降至330℃，另一路投入可将排汽温度降至300℃，排汽管道运行正常，未出现水击和振动，说明本次技术改造解决了背压汽轮机排汽高的问题。

4.2 背压汽轮机前后气封改造

根据梳齿式迷宫气封的特点，传统迷宫密封在实际运行过程中，并不能完全保证设计间隙，由于起机过临界、异常振动、气流激振等原因，都会使气封齿造成永久性的磨损，导致密封间隙成倍的增加，造成轴封漏汽量增大。由于受背压汽轮机前后气封尺寸的限制，对前后气封进行较大改造不易实现，故热电厂将前后气封由平齿密封形式改为高低齿型气封，更改后的气封结构能减少漏汽量到200 kg/h，经过一年的运行，机组在运行过程中漏汽量明显减少，同时前后轴承温度也大大降低。一定程度上提高了机组经济效益性能。

图7 喷嘴减温水安装

4.3 气封冷却器改造实施

根据改造技术方案，将气封冷却器安装高度提高到2 m，一二级疏水同时采用U形水封，U形管安装高度1800 mm，U形水封高度为200 mm，改造示意见图8。改造后背压汽轮机投入运行，汽轮机前后气封漏汽量明显减少，通过玻璃水位计观察，气封冷却器一级疏水液位1/3高度，气封冷却器工作正常。

图8 气封冷却器抬高改造示意

5 结论

经过一年的多的运行，对背压汽轮机进行技术改造以后，机组运行平稳，各项参数均在正常范围内。改造后，机组在各种工况下，机组运行平稳，排汽温度均可调整至工艺卡片要求参数范围内。气封漏汽量明显减少，前后轴承温度下降，机组运行时噪音值降低至正常值。解决了背压汽轮机气封冷却器一级满水问题，气封冷却器工作正常，疏水回收至疏水箱。

［1］郑体宽.热力发电厂［M］.北京:水利电力出版社，1991.

［2］张芳.背压式汽动给水泵在热电厂的应用［J］.热力发电，2006（3）:65-66.

［3］周景.给水泵小汽轮机实施节能降耗改造［J］.上海电力，2007（5）:480-485.