对汽轮发电机真空度低故障检修思路的探讨

余海威

(湛江海滨船厂，广东 湛江 524005)

1 基本构成

汽轮发电机主要由单缸汽轮机、减速器、发电机、冷凝器、空气抽气器、冷却水泵、水位调节系统等组成。汽轮发电机排气口与冷凝器集汽波纹管法兰连接，冷却水泵与冷凝器冷却水腔进水连接，冷却水工作完直接排出舷外。空气抽气器与冷凝器喉部下部(一般在凝水水位之上)连接。要使汽轮发电机凝汽系统正常运行，需要满足以下条件：保持一定的真空度，凝水过冷度最小,凝水质量符合要求。对汽轮发电机来说，增加负荷则首先要提高驱动能力，提升拖带负荷能力。随着负荷增加，工作后排入冷凝器的蒸汽量(通常称为工作废蒸汽，因其具有一定的剩余温度和压力，可以通过凝汽系统凝结成水进行回收)随之增加，增大了冷凝器内部空间的介质密度。同时冷凝器导入冷却水量、冷却水温等参数变化，都会引起冷凝器内部真空度出现变化。如冷凝器真空度降低1%，汽轮发电机的蒸汽耗汽量平均增加1%～2%，既增加锅炉的供汽负荷，也影响汽轮机动力系统的状态稳定。凝气系统示意图见图1。

图1 凝气系统示意图

冷凝器喉部温度是流经冷凝器的冷却水与排入其中的工作废蒸汽温度热量混合交换的直观参数，两者之间正常的温差在3～10 ℃，该参数变化显示工作废蒸汽在冷凝器中被冷凝成水的过程，温度过高，就需要增加冷凝器冷却水量和流速，加快工作废蒸汽凝结并降低温度；温度过低则说明冷凝器缺少接收工作废蒸汽量，操作方法就是相应减少冷却水。在冷凝器能量交换中，需要控制汽轮机排入冷凝器的工作废蒸汽压力，使压力维持在0.10～0.15 MPa之间，以保证其顺利流向冷凝器。工作废蒸汽压力过高，冷凝器过度充盈且导致工作废蒸汽冷凝和抽气不及时，会导致真空度下降；压力过低则流进冷凝器的汽量减少，凝结水量减少，冷凝器凝水工作水位降低。因此冷凝器喉部温度值和工作废蒸汽压力值这2个外观参数值变化会影响冷凝器的凝水效果和真空度的稳定，但工作废蒸汽压力是由汽轮机排汽结构所确定的，一般常规操作增减负荷不会产生故障变化，因此，冷凝器喉部温度在汽轮发电机实际的运行操作、维护管理中是需要予以调整并控制的。如某海区水温在26～32 ℃之间，发电机冷凝器的正常工作喉部温度应在29～42℃较为适宜。汽轮发电机实际操作时，该温度值往往偏高一点，但不能超过50 ℃。

综上所述，汽轮发电机工作时，冷凝器真空度可以维持在一定的范围，一是由于其低压工作废蒸汽在冷凝器中凝结成水，气态变为液态，介质体积改变，同样的空间密度较小；二是空气抽气器从冷凝器中抽出由汽轮机漏入的未凝结成水的空气后，冷凝器内部空间介质密度减少。2种效应产生的共同结果，就形成了冷凝器内部空间真空状态，同时也为冷凝器继续接收汽轮机排出的工作废蒸汽进行凝结创造条件。空气抽气器抽气接口设置在冷凝器喉部附近，其工作状态与凝水的水位没有直接的关联，但凝水的水位上升会浸没冷却水管，影响冷凝器的冷却管冷凝蒸汽效果，而且单靠空气抽气器无法完全抽出汽轮机排放出来的全部混合气体，这将妨碍冷凝器真空度维持在稳定的状态。冷凝器正常运行真空度维持在-0.088 MPa到-0.098 MPa之间，汽轮机高负荷时由于工作蒸汽量增大，相应的排汽量增加，导致进入冷凝器工作废蒸汽密度也增大，冷凝器会暂时出现真空度降低的现象，如系统此时再漏入大量空气，真空度控制措施失衡，就会导致无法恢复到规定真空度范围，造成汽轮发电机停机。在整个汽轮发电机系统正常情况下，直至负荷稳定，冷凝器真空度是可以由操作者通过对冷却水泵、空气抽气器及凝水泵进行调节操作，适应性地调整冷凝器的冷却水量、空气抽气量以及凝水水位等指标，恢复并维持系统正常真空度的稳定状态，否则就需要进行故障检修。

空气抽气器是建立和维持冷凝器真空度的重要设备，其单级射流抽气器结构原理示意图见图2。

图2 单级射流抽气器结构原理示意图

一个单级射流抽气器抽真空能力，最高只可以使冷凝器真空度达到-0.065 MPa左右，要满足汽轮发电机运行冷凝器的高真空度-0.095 MPa以上，就需要配置1台双级空气抽气器。双级空气抽气器就是由2个不同级别压缩功射流泵串联组合成的，其作用是建立高真空度，将凝汽系统中混合了漏入空气的混合气体由一级冷凝器中抽出，并被二级接力加压至大气压力以上，排向大气，双级空气抽气器工作示意图见图3。空气抽气器双级喷嘴工作介质是温度250～260 ℃、压力1.2～1.6 MPa的蒸汽，采用双级主要是在降低空气抽气器压缩功的同时，更有利于排出空气。扩压管外壁由冷却水流经，冷却管内混合气里的蒸汽，使其快速凝结，进一步与混杂的空气分离，凝结水从各自疏水阀排出，难以被冷凝分解的空气由排空气阀排出。

图3 双级空气抽气器工作示意图

2 真空度低故障

依据汽轮发电机凝汽系统工作原理，冷凝器真空度下降的表现是其带负荷工作时，本体真空度不足-0.080 MPa。主要检查以下方面：①冷却水量不足或水温过高；②冷凝水管脏堵；③冷凝器外接管路、法兰或阀门泄漏；④汽轮发电机轴颈汽封平衡箱蒸汽压力不足，无法形成汽轮发电机外露轴颈汽封装置的密封；⑤汽轮发电机轴颈汽封抽气器工作不正常；⑥空气抽气器工作蒸汽压力不足；⑦冷凝器空气抽气器冷却水量不足等。出现汽轮发电机工作过程中真空度下降情况，就需要降低汽轮发电机负荷输出，至真空度不降为止，同时检查冷凝器连接各管路阀门的开关情况、冷凝器喉部温度、凝水水位、冷凝器冷却水泵的工作压力及状态、汽轮发电机轴颈汽封平衡箱与空气抽气器工作蒸汽压力及其冷却水温度等实际情况，对有异常变动的装置和参数进行合理调整，如确定无法恢复正常，将汽轮发电机脱开负荷，停机修理存在的故障。

此次故障现象为机组启动后，未带负荷时真空度最高只达到-0.086 MPa，并且随着汽轮发电机拖带负荷增加，真空度逐渐下降，冷凝器水位不稳，喉部温度最高升至64 ℃，调整冷凝器外部补水、排水等措施，希望通过维持冷凝水水位来达到稳定的平衡状态，但没有起到恢复真空度的作用。

2.1 检修顺序及问题排除

1)检查汽轮发电机轴颈汽封平衡、汽封抽气系统。查出汽封平衡箱工作蒸汽减压阀卡滞，导致蒸汽压力不稳，进行修复。

2)检查冷凝器冷却水泵工作状态。海水冷却水泵吸入端真空值显示存在微小的真空度，鉴于该泵位于水线下，怀疑海底阀箱格栅有堵塞，通过潜水员摸查，消除堵塞隐患。

3)检查冷凝器凝水泵。该泵轴密封填料装填过紧，有烧蚀轴套的现象，且此处与泵吸入口相通，同时接驳冷凝器，有漏入空气的隐患。采用更换新填料，调整预紧程度，维持泵轴有向外轻微漏水状态，以此产生水封作用，阻挡泵轴旋转的空隙将空气吸入。

4)检查冷凝器空气抽气器。疏通喷嘴、扩压管的流道，同时检查一级、二级间凝水疏水管道的顺畅状态，检查2个疏水阀的关闭密性，检查2个新工作蒸汽阀的开启状态。检查2个新工作蒸汽阀时，发现供汽阀箱未设置疏排水措施，导致空气抽气器的蒸汽含水量多，一级、二级抽气喷嘴内喷孔均有汽蚀、破损迹象，由于2组喷嘴在抽气过程中仍可以维持真空度-0.086 MPa，暂时决定先不拆换喷嘴。

5)检查冷凝器蒸汽凝聚腔安全阀，该阀作用是防止汽轮发电机排入冷凝器汽腔蒸汽压力超过设定压力(0.10～0.15 MPa)，超过设定压力的蒸汽可通过撑开阀芯压紧弹簧，打开该阀芯的密封，系统排出蒸汽降压，保护冷凝器腔体安全，但如出现漏气则可导致冷凝器真空下降。采取对该阀的阀芯阀座密封面研磨、水压密性试验并调整起跳压力至0.20 MPa。

6)检查冷凝器与汽轮发电机排汽膨胀连接短管法兰安装密性。在停机状态给冷凝器本体泵风(用0.02 MPa压缩空气往整个蒸汽流通空间加压，通过检查空气泄漏情况进行排故检查)，用肥皂水鼓气泡来试漏，排除漏入空气的故障点，同时排查冷凝器对外接口管路、阀门的漏气状况。

7)检查冷凝器水位计。排除因外接口漏气，真空度下降的现象；疏通导水孔，排除产生虚假水位的问题。

8)检查冷凝器冷却水排出状况。排除出口阀因开度不足而影响冷凝效果的现象。

2.2 存在问题分析

1)经过筛查，冷凝器喉部温度在汽轮机组运行、空气抽气器介入抽真空后，由室温30 ℃左右逐渐上升，此时调整凝水输入、输出相应水位以及调整冷却水泵进排水量等措施，均不能降低冷凝器喉部温度，怀疑喉部温度升高是导致冷凝器真空度下降的主要原因。

2)空气抽气器新工作蒸汽供汽阀箱未设置疏水管路，导致空气抽气器的前期工作蒸汽含水量多，影响空气抽气器的抽气容积效应，而且较高压力蒸汽中的水雾珠对喷嘴、扩压管的流道内壁冲击汽蚀加大，冲蚀磨损导流喷射锥，使其射流抽气的能力进一步降低。而且含水量多的蒸汽经过冷凝后凝结水量增多，容易使抽气器疏排水管路疏排不顺畅，造成抽排气一级转二级之间空间疏排阻碍，影响抽气效果。从空气抽气器二级喷嘴的抽气效果来看，可以起到抽气的作用，但是喷嘴能力发挥不足，汽轮机未带功率状态下的真空度只下降到-0.086 MPa，也是冷凝器真空度下降，且不能维持汽轮发电机提升功率要求的原因。

3)在冷凝器喉部温度升高到64 ℃之前，核查工作中的空气抽气器与连接冷凝器抽气阀，感觉由冷凝器端进阀和出阀两侧连接管外表温度的变化有异常，是抽气器一侧先热起来，并逐渐通过抽气阀传输到冷凝器进阀一侧，由温度的疏导方向来分析，这是不正常的现象。正常情况下，如果抽气管内的气体从冷凝器进阀一侧流通过来，再被空气抽气器吸出，即使抽气器混合室连接管端初期有部分温度散发出来，但随着较低温度的空气由冷凝器抽出并流动过来，抽气阀出口这一侧管壁手感应该是会由热逐渐变凉至不烫手。现在出现温度反常倒流，说明空气抽气器在喉部温度升高后存在抽不出空气的问题，基本可以确认这是冷凝器喉部温度高、真空度下降的重要原因。

2.3 故障排除及验证

1)经过对凝水、冷却水进排管路进行一系列的调整，未解决喉部温度高的问题，确定了冷凝器冷却能力不是真空度下降的原因。

2)给空气抽气器新工作蒸汽阀箱增设疏水管阀，因汽轮发电机所处的机舱没有凝水收集舱，需要另设管道才能连通到主机舱的凝水舱进行回收，且改造工作量太大，因此该阀箱的疏水只好设置成直接排至本机舱底，经过改造，可以充分改善空气抽气器工作蒸汽的质量，提高抽气的效率。但未解决冷凝器喉部温度高的问题，因此也不是导致冷凝器喉部温度高、真空度低问题的主要原因。

3)将空气抽气器的一级、二级喷嘴及座体整个拆下，分解喷嘴与座体，在取出一级喷嘴后，发现喷嘴与座体连接螺纹体被汽蚀穿透，形成一个导气流道，本来应全部进入喷嘴喷射锥汽腔的蒸汽，有一部分近250 ℃的工作蒸汽从喷嘴与座体螺纹体的气道泄漏射出，偏离扩散管口，不参与抽气工作，喷嘴连接螺纹贯穿故障示意图见图4。该蒸汽流斜向喷入混合汽腔吸入口，在此处建立起高压区，此处的高压蒸汽既阻碍了空气从冷凝器经过抽气阀抽吸过来，同时由于冷凝器已初步建立了真空度，泄漏工作蒸汽压力高于冷凝器的真空压力，蒸汽往压力低的冷凝器喉部流动，顺着抽气连接管、阀倒冲回到冷凝器喉部，提升了冷凝器的汽轮发电机工作废蒸汽原冷凝器喉部温度，阻碍空气抽出，也降低冷凝器对工作废蒸汽的冷凝效果，冷凝器凝水效果变差，并产生凝水水位调节失效故障现象。在反冲蒸汽进入冷凝器，使喉部温度升高后，冷凝器真空度维持能力持续下降。更换掉损坏的喷嘴及喷嘴座2组零件后，空气抽气器功能恢复正常，真空度低的故障排除，同时冷凝器水位问题也得到排除。证实了空气抽气器喷嘴螺纹穿孔、蒸汽倒灌冷凝器，是导致汽轮发电机真空度低故障的主要原因。

图4 喷嘴连接螺纹贯穿故障示意图

3 结束语

1)空气抽气器工作蒸汽含水量多的问题是导致喷嘴与座体螺纹体汽蚀的主要原因，进而产生冷凝器真空度低故障。根本原因是原蒸汽供汽管路系统暖通管功能不完整，存在缺陷。对连接锅炉蒸汽输出与空气抽气器工作喷嘴之间的新蒸汽阀箱采取的加装疏水管、疏水阀措施，是符合船舶管系蒸汽管道输送暖通管相关规范要求的。

2)与操作者沟通，做好技术交底，按照正确的操作条例启动汽轮发电机。空气抽气器喷嘴新蒸汽开通之前，要先排净阀箱积水，至符合要求后，再关闭阀箱疏水阀，顺序打开通往空气抽气器的一级、二级蒸汽阀，使空气抽气器投入工作。该措施能保证抽气器工作状态维持稳定，并且使空气抽气器喷嘴、扩散管的工作损耗符合设备可靠性的要求。