轴封系统异常分析与处理

曹长云

【摘 要】某核电厂两台机组轴封系统自投运以来，曾一度运行不够理想。在经过一系列的技术改造和程序升级后，运行情况得以改善。本文介绍了历次机组启停或变工况过程中轴封系统出现的异常情况、原因分析和处理过程，并就今后轴封系统的运行方式提出了自己的观点。

【关键词】轴封；冒汽；水封；连通管；控制阀

中图分类号： TM621.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0155-002

0 引言

某核电汽轮机组轴封系统自调试运行以来，由于系统设计不合理和人员操作经验不足等方面的因素，在数次机组启停和变工况运行过程中，均出现过不同程度的异常，影响到机组的正常运行。针对这些异常情况，相关人员经过技术攻关，对不足之处进行了设计改造，并将轴封系统相关操作经验固化于操作规程之中，从而克服了系统的设计不足和人员经验不足等因素，大大提高了轴封系统的运行稳定性，为机组的安全、稳定运行创造了条件。

1 轴封系统简介

某核电机组汽轮机轴封均采用迷宫式汽封，通过汽轮机轴封系统向轴封提供密封蒸汽，防止汽轮机轴端蒸汽沿轴外漏或使空气漏入汽缸，破坏凝汽器真空。

轴封系统有主蒸汽、辅助蒸汽、低压缸抽汽三路汽源。正常运行时，由低压缸抽汽作为供汽汽源，辅助蒸汽供汽压力控制阀和供汽压力卸压阀共同控制轴封蒸汽母管压力在20～28kPa之间，轴封母管内的蒸汽被分别送至每个轴密封体，经过轴密封体后的乏汽流向轴封冷却器，在那里被冷凝水冷却，产生的凝结水疏至凝汽器中，而不凝结气体由两台轴加风机抽出，排到大气。异常工况下，主蒸汽作为供汽汽源，由主蒸汽供汽压力控制阀保持轴封蒸汽母管压力为22kPa。辅助蒸汽只在机组启停期间使用，正常运行期间处于隔离状态。

2 轴封系统历次异常工况分析及对策

2.1 轴封冒汽、冒水、啸叫

轴封系统运行过程中，出现最多的情况就是轴封系统在投运过程中或者机组工况变化时，汽轮机轴封处出现冒汽、冒水和啸叫现象。典型的事例如下：

2004年5月17日，2号机组启动过程中，利用主蒸汽汽源投运轴封系统。在轴封系统投运后不久，汽轮机3#、6#轴封处有大量蒸汽往外冒出，4#、5#轴封处也有轻微的冒汽现象，同时还有少量积水从轴封处冒出，并且汽轮机平台可以听到尖锐的啸叫声。

由于主蒸汽当时正处于升温升压过程中，参数还未到达额定参数，所以主蒸汽品质欠佳，湿度过大，这些湿蒸汽在流经轴密封体时大量凝结并且不能及时被吹扫，淤积在密封腔室内，导致大量蒸汽沿轴漏到大气，部份凝结水也从轴封处被挤出。另外，湿度较大的主蒸汽在进入轴封母管以前，被主蒸汽供汽压力调节阀节流后也会产生大量凝结水，而这些凝结水仅靠一根装有孔径为5mm节流孔板的管线疏往凝汽器，疏水能力不足，轴封母管内会残留大量的积水，致使轴封母管内的蒸汽产生汽带水现象进入轴密封体，从而引起轴封腔室进水，产生以上现象。此外，如果在轴封系统投运的过程中，操作人员操之过急，暖管时间不够，会引起密封体和轴封蒸汽温差较大，导致蒸汽在密封体内凝结，也会产生上述现象。针对以上现象，运行人员通过增加轴加风机入口阀开度调整轴加负压至-6kPa左右，对密封体内的积水进行吹扫，同时，通过调整压力控制器的输出提高轴封供气压力至30kPa左右，增加轴封体前后压差，迫使积水流出，保持蒸汽流道畅通。通过以上干预后，轴封处的冒汽、冒水现象和啸叫声自动消失，在轴封处可听见明显的吸气声。

鉴于以上问题，在今后的轴封系统操作中，如果是在机组启动状态下投运轴封系统，应优先选用辅助蒸汽（由另一机组辅助蒸汽通过两个机组间的连通管供汽）作为轴封汽源，待机组功率达到90%以上后再直接切换至低压缸抽汽供汽。这样，不但可以保证轴封蒸汽品质更优，减少轴封体积水的可能性，而且在进行由辅助蒸汽往低压缸抽汽的切换时，只需切换两路汽源的手动隔离阀即可，不必调整压力控制器，从而大大简化了轴封切换流程，降低了系统压力波动的风险。

2.2 辅助蒸汽连通管供轴封不能实现机组间互为备用

辅助蒸汽系统设计有一根连通管，可将1#、2#机组辅助蒸汽系统连接起来，以实现任一机组降功率或停机时，其辅助蒸汽用户由正常运行机组辅助蒸汽系统供应蒸汽，以便保持机组继续运行或快速重新启动。然而运行实践证明，这种设计带有一定的局限性：

2003年12月16日，2#机组因机械脱扣阀动作而跳机，之后轴封系统压力急剧下降，凝汽器真空因低壓缸汽封大量漏入空气而遭到破坏。与此同时，1#、2#机组辅助蒸汽连通管贯穿2#机组RCW热交换器房间管段发生剧烈摆动，大量水泥封堵材料被振落。

如图1所示，在发生该事件前，两台机组均满功率运行，辅助蒸汽母管内压力相等，1#、2#机组连通管中蒸汽处于相对静止状态，连通管内因蒸汽冷却散热形成较多积水。当2#机组跳机后，其辅助蒸汽母管压力急剧下降，而1#机组的辅助蒸汽压力保持不变，两者产生压力差，1#机组的辅助蒸汽便通过连通管流向2#机组，连通管中的积水被蒸汽带入轴封系统，形成湿蒸汽，并在低压缸轴封处再次被冷凝，使低压缸轴封压力迅速下降，失去密封功能，空气通过低压缸轴封进入凝汽器，使真空恶化。另外，连通管中的低温冷凝水在蒸汽流过时，发生闪蒸，引起汽水共振，导致连通管线剧烈振动。上述事件发生后，运行人员立即关闭两个机组间的辅助蒸汽连通阀，不久管道振动消失。

针对此问题，运行人员改变了系统的运行模式，将两个机组间的辅助蒸汽连通阀和辅助蒸汽供汽隔离阀由常开状态改为常关状态，取消其正常运行期间两个机组辅助蒸汽互为备用的功能，仅仅用于当一台机组正常运行，另一台机组启动的时候，作为启动机组的辅助蒸汽供汽（主要是轴封系统用汽）。另外，还通过设计变更，在连通管的最低点设置疏水器，确保连通管投运过程中产生的凝结水能被及时疏往凝汽器，避免发生管线汽水共振现象。

2.3 U形管水封被破坏

在轴封冷却器的疏水管线上，设计有一U形管水封，确保正常运行期间，轴封冷却器液位和凝汽器真空达到一个平衡状态。但在实际运行过程中，这个U形管水封很容易被破坏，引起凝汽器真空恶化。

2003年6月22日，1#机组低功率运行期间，辅助锅炉故障停运，轴封蒸汽（当时由辅助锅炉供汽）自动切换到主蒸汽供汽，轴封压力短时降低后恢复正常，但凝汽器真空却一直恶化，进一步检查后发现轴封冷却器U形管水封被破环。

如图2所示，U形水封要想保持平衡，必须使U形管两侧压力相对于最低点处保持平衡，一旦任一侧压力发生波动，这个平衡就会被打破。本事件中，当辅助锅炉停运后，轴封蒸汽短时断汽，轴封冷却器壳侧压力降低，当轴封蒸汽切换到主蒸汽后，轴封冷却器壳侧压力瞬间陡增，同时疏水量也急剧增加，打破U形管两侧压力平衡，引起水封破坏，大量轴封回流蒸汽涌入轴封冷却器中，来不及冷凝便被吸到凝汽器中，使凝汽器真空恶化。事件发生后，运行人员迅速手动关闭水封与凝汽器的手动隔离阀，并重新对U形管注水形成水封，凝汽器真空得以恢复正常。

为了彻底解决瞬态工况下，U形管水封被破坏问题，目前已通过设计变更在两个机组的水封隔离阀之前增加了一台捕水器，这样，即便是在压力瞬态下U形管水封被破坏，空气也不会进入到凝汽器中，不会威胁到凝汽器真空，而且被破坏的水封可重新自动建立，不必再人工注水建立水封。增加这一改造后，两台机组的水封至今没有出现过异常。

2.4 低压缸抽汽管线垂直段无法疏水

当机组利用另一机组辅助蒸汽作为轴封汽源起机，功率达90%以后，需将轴封汽源由另一机组辅助蒸汽切换到本机组低压缸抽汽。但在历次切换操作中，轴封蒸汽母管均出现过不同程度的压力波动，低压缸抽汽管线甚至出现振动现象。

如图3所示，低压缸抽汽隔离阀（V4601）阀门前有一段约2米高的竖直管道，起机过程中，V4601处于关闭状态，低压缸抽汽管道中的凝结水都积聚在V4601前。当进行轴封蒸汽切换时，开启V4601，关闭辅助蒸汽隔离阀V4603，V4601阀前的积水便进入母管，在母管内遇热发生闪蒸，引起轴封母管压力波动。另外，启机过程中V4601后的逆止阀V4602受辅助蒸汽的反压作用也处于关闭状态，所以V4601与V4602之间的这段管线内几乎没有蒸汽介质，管线温度较低，当低压缸抽汽流经此段管线时，会产生凝结水，引起汽水两相流导致抽汽管线振动。

为了解决这一问题，我们通过设计变更，在V4601与V4602间的管线上加装自动疏水器，确保低压缸抽汽在进入母管以前被徹底疏水。经过数次机组的启动验证，改造后没有再出现过类似问题。

3 结论与建议

通过分析轴封系统各种异常运行工况，大多与轴封系统管线布置、轴封蒸汽参数、系统运行方式等因素有关。通过设计变更改善管线布置、增加低位疏水装置，可解决系统的疏水问题；通过优化运行方式：减少低参数轴封蒸汽运行时间、增加轴封系统暖管时间、加大启动阶段轴加负压，可提高轴封正常运行可靠性。另外，升版运行规程、提高运行人员培训和经验反馈，也是保障系统正常运行的关键。

【参考文献】

[1]胡念苏，汽轮机设备系统及运行，北京：中国电力出版社，2009：340-348.

[2]赵义学，电厂汽轮机设备及系统，北京：中国电力出版社，1998：120-126.