汽轮机低压轴封系统存在问题分析及改进措施

郭春晖 ，赵培山，宋益纯

(国家能源集团山东电力有限公司，济南 250101)

轴封系统是汽轮发电机组中的重要热力系统。其低压轴封依靠轴封蒸汽进行密封，以防止空气进入汽轮机低压缸，保证凝汽器有足够真空。 轴封供汽温度的高低和稳定直接影响机组安全性和经济性。轴封供汽温度正常要保持在121～177 ℃，供汽压力在27 kPa(表压)左右，其饱和蒸汽温度为106 ℃。因喷水减温不当则轴封供汽温度低于供汽压力下的饱和温度，变成不饱和蒸汽或汽水两相流，或低压缸两侧轴封供汽温度偏差大。轴封供汽温度过低，则起不到汽封作用，造成漏真空，严重影响机组的经济性；当不饱和水或汽水两相流进入轴封造成蒸汽与金属产生很大的温度差，汽封区域转子金属的热应力过高，影响轴封片和转子的寿命，同时引起汽轮机低压缸差胀增大，甚至出现动静摩擦，叶片损坏以及大轴弯曲，严重威胁机组安全运行。忽高忽低的轴封供汽温度对汽封及转子造成交变热应力，不仅缩短机组寿命，也会引起机组振动跳机或轴瓦损坏的严重事故。

1 存在的主要问题

在近几年的节能评价、指标查评中，发现多数电厂汽轮机低压缸轴封蒸汽系统存在喷水减温器后温度测点波动大、各低压缸轴封进汽温度偏差大且无合适的调整手段等问题。部分轴封供汽温度波动最低达102 ℃，很容易导致低压轴封蒸汽带水、机组漏真空、轴承振动过大。具体问题包括：减温器后温度波动较大；离减温器近的低压轴封进汽温度偏低；离减温器远的低压轴封进汽温度偏高；通过调整轴封减温器后的温度设定值，难以兼顾多个低压轴封，容易出现一个低压轴封空气内漏、另一个低压轴封蒸汽外漏；为避免做真空严密性试验时不合格，部分电厂做试验时提高轴封母管蒸汽压力，试验过后，担心蒸汽从低压轴封处外漏，又人为降低轴封母管压力，真空严密性试验虽然合格，但试验结果代表性差。实际运行中空气内漏时有发生，并存在机组寿命降低、动静摩擦、振动增大等不安全事故的隐患。

2 原因分析

a.轴封减温水压力高调节阀调节性能差。由于轴封减温水压力过高，轴封减温水调阀调节性能差，造成减温水忽高忽低，不能精确控制轴封温度。

b.低压轴封蒸汽减温器喷嘴的雾化效果不好。减温水压力的大小严重影响减温器喷嘴雾化的程度。由于运行工况和减温水调阀的自动调整，减温水压力时刻在变化，无法保证减温水喷嘴在最佳运行状态[1]。

c. 低压轴封供汽离轴封减温器距离短。轴封减温器后蒸汽中往往含有未完全汽化的水，蒸汽管道上部为温度较高的过热蒸汽，下部为温度较低的饱和蒸汽甚至是湿蒸汽。由于受现场空间和设备布置的限制，减温器与第一支轴封供汽支管距离较近，混合不均匀的蒸汽很快到达靠近喷水减温器的第一个低压轴封处，然后再抵达离喷水减温器较远的第二个低压轴封，两个低压轴封进汽温度普遍存在偏差大的问题，而只能通过调整减温水量兼顾两个低压轴封进汽温度不超出规定的范围，但两个低压轴封难以在最佳工况工作实现最佳密封效果。

3 改进方案

针对上述轴封减温器后温度波动及不均的原因，电厂均进行了技术改造，但因轴封供汽参数低，过热度低，易发生相变的特性，改造效果不稳定。因此，设计加装了轴封蒸汽强制混合装置，并对轴封减温系统进行改进和调整，彻底解决了低压轴封供汽温度波动或不均的问题。

3.1 设计蒸汽强制混合装置

通过分析研究轴封蒸汽减温系统工艺过程设计中的缺陷，找出减温器后各个温度测点偏差大的原因；确认了减温器后管道中蒸汽参数分布及流动状态，设计了提高蒸汽混合均匀性的混温器。

在轴封蒸汽喷水减温器后，设计安装曲面板式蒸汽强制混合装置 。其工作原理是：将缓慢扭曲的钢板安装在蒸汽管道内部，此曲面板沿蒸汽管道轴向将其一分为二，并且曲面板的两个端线相对扭转180°，当蒸汽流经曲面板时，下部温度较低的蒸汽被强制输送到管道的上部，而上部温度较高的蒸汽被强制输送到管道的下部，由于温度高的蒸汽密度低、温度低的蒸汽密度高，这两部分蒸汽在后面的管道中进一步扩散、混合，从而提高了均匀性。扭曲的曲面板将蒸汽进行了扰动和旋转，使蒸汽和水在最短的时间和距离内充分混合。进一步地，将所述曲面板上远离减温水入口的边缘线与平面板水平连接，所述平面板上设有若干通孔。当蒸汽流经第二边缘线时，原来下部的蒸汽换到管道的上部，原来上部的蒸汽换到下部，进入平面板；平面板上的孔使蒸汽流动时形成湍流，加强了混合；同时上下部位的蒸汽在孔处接触，由于上部的蒸汽密度大、温度低，会向下部扩散；下部的蒸汽温度高、密度小，会向上部上升，因此加强了蒸汽的混合；当蒸汽从平面板上流过后，其混合得更加均匀；同时，流出平面板的蒸汽如仍没有充分混合，由于上部的蒸汽温度较低、密度较高，下部的蒸汽温度较高、密度较低，二者则会进一步上下相互扩散、混合，从而提高蒸汽混合的均匀性。

设计的混温器长约60 cm，安装在轴封减温器后，和轴封减温器紧邻相接，既节省了空间，又解决了混合不均的难题。

3.2 优化喷水减温系统

a.针对轴封减温水压力过大，轴封调节阀开度过小的问题，将轴封减温水由凝结水改为凝输水供，凝输水压力稳定，解决了因凝泵变频运行，凝水压力时高时低的影响。

b.对减温水装置喷头进行改进，根据凝输水压力选择合适的喷头孔径，并进行雾化试验，保证喷水达到最佳的雾化效果，防止蒸汽带水[2]。

c.更换轴封减温水调阀或优化其调节特性，保证轴封供汽温度调节稳定性。

3.3 调整运行方式

a.提高低压轴封供汽温度，温度自动调节设定值由 145 ℃提高至 165 ℃，以增加轴封供汽温度的裕度。

b.在轴封温度波动较大或较小时，可在保证轴封供汽压力正常的情况下，常开启轴封减温器后的第一路疏水至凝汽器门进行疏水，或将其疏水引至轴加轴封回汽管进行回收。

4 实施效果

2019年初，在国家能源集团下属的两座电厂1号机组应用上述方案进行改进。运行半年多，再未出现轴封供汽温度波动或偏差大的问题，低压轴封供汽温度平稳、无波动，轴封减温水自动调节良好，调节性能指标优良；机组真空严密性试验合格，提高了机组运行经济性。

5 结束语

通过设计安装蒸汽强制混合装置和轴封减温水的改造，彻底解决了低压轴封供汽温度波动或不均的现象，轴封减温水自动控制调节良好，消除了轴封温度过高、过低对汽轮机安全的影响，保证了汽轮机的

安全运行；避免了因供汽温度过低影响汽封效果，提高了机组的经济性。