H级燃气机组汽机轴封系统问题研究及改进

梁其锋　柳治民　杨星　田明岩

摘要：对西门子H级燃气-蒸汽联合循环机组中蒸汽轮机轴封系统调试过程中存在的问题进行分析，并给出解决问题的方法及建议：机组温、热态时先投入轴封，之后拉真空。机组改造后，轴封蒸汽供应温度可以保持与转子匹配，且轴封系统将可控可调。

关键词：燃气轮机;联合循环;轴封系统

0    引言

广东某厂H级燃机采用西门子公司生产的SGT5-8000H型高效一拖一双轴联合循环发电机组。其中，汽机为西门子公司生产的三压、再热、抽凝式、高中压合缸、水平一侧排汽汽轮机，型号为SST5-5000，额定出力223 MW。轴端汽封采用迷宫式汽封，通过主轴上的汽封齿与汽封片之间相互配合，通过等焓节流和耗散效应将汽缸内部压力与环境温度隔开实现密封。本文研究了蒸汽轮机调试过程中轴封系统存在的问题，并提出了改造建议[1-2]。

1    调试过程中存在问题描述

汽机对轴封供汽的汽源有压力及温度要求，汽机轴封系统结构如图1所示。

高、中、低压轴封密封蒸汽由一根总的供汽调阀供汽，高、中压轴封共用同一根母管，供汽母管上设置一个溢流阀。在投入轴封初期（机组低负荷时）由供汽调阀提供轴封母管蒸汽压力3.5 kPa（35 mbar），在机组高负荷时轴封切至自密封，由溢流阀控制轴封压力3.5 kPa（35 mbar）;当轴封温度过高或过低时，开启轴封溢流增加通流量，降低或升高轴封温度至轴封允许范围之内。当轴封温度持续在过高或者过低的温度下运行时，触发高限或低限温度报警。各瓦回汽各有手动调节阀，调节各瓦蒸汽不冒不漏，达到最佳状态。

在机组调试期间发现轴封运行存在下述问题[3]：

1.1    顺控投入轴封问题

在汽机轴封蒸汽投入SGC步序STEP 1中完成判断条件：真空破坏阀关闭且真空小于80 kPa（0.8 bar）（绝对压力）。

SGC顺控走步过程中必须先开启真空泵将真空拉至小于80 kPa（0.8 bar），才能进入下一步序。

此过程存在问题：机组在温、热态时，先抽真空至80 kPa（0.8 bar），将冷空气吸入汽缸内，容易导致汽机局部受热不均匀，从而引发局部热弯曲，可能对汽机产生不良影响，如轴封碰磨、轴发生永久弯曲损伤，严重时可能导致盘车转速下降或者抱轴等事故。

而《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161号）中8.3.3.6要求：“机组热态启动投轴封供汽时，应确认盘车装置运行正常，先向轴封供汽，后抽真空。停机后，凝汽器真空到零，方可停止轴封供汽。应根据缸温选择供汽汽源，以使供汽温度与金属温度相匹配。”

综上可以看出，轴封SGC顺控不仅存在违反《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的情况，还有可能对汽机造成不良影响。在未改造前，温、热态轴封系统运行时，应手动投入轴封后再拉真空。

1.2    轴封供汽问题

辅助蒸汽给轴封系统提供密封蒸汽，在机组启动、运行过程中，轴封供汽调节阀逻辑保护如表1所示。

机组启动前，高、中、低压轴封由辅汽供给，此时蒸汽通流量较大，控制辅汽的压力及温度可以满足机组所需密封蒸汽要求;机组并网带负荷后，高、中压轴封由原来需要密封蒸汽逐步变成轴封溢流状态，此时只有低压轴封需要供汽，但高、中压轴封溢流蒸汽量明显比低压轴封需要的蒸汽量大。为了保证轴封母管的气压要求[3.5 kPa（35 mbar）]，轴封供汽阀关闭，溢流阀开启。辅助供汽此时蒸汽无通流，轴封供汽阀前蒸汽温度会不断下降，容易下降至供气阀保护关条件，导致轴封供汽阀闭锁无法打开，如果此时机组发生异常跳闸或者快速减负荷情况，由于轴封系统无法正常投用，将破坏真空，迫停燃机，扩大事故，严重时汽机由轴封吸入冷空气，甚至可能导致轴发生局部热弯曲，由此引起汽机损坏。

调试过程中为了避免此种情况发生，在机组轴封变成自密封运行后，手动开启轴封供汽阀前疏水阀，保证一定量的蒸汽流量，保证轴封供汽阀前温度，做到任何情况下轴封蒸汽都处于备用状态，保证机组的安全运行[4-5]。

1.3    低压轴封温度过高问题

随着汽机负荷升高，机组的低压轴封供汽由高、中压轴封溢流提供，高、中压蒸汽额定温度为600 ℃，溢流蒸汽温度为330～340 ℃，从图1可以看出，从高、中压溢流至低压轴封过程中无减温水设置，低压轴封供汽温度为330～340 ℃。调试时，在机组满负荷运行期间，由于低压轴封温度高于330 ℃，触发轴封温度高限报警，需要额外开启辅汽至轴封供汽，将部分冷蒸汽加入，从而解决低压轴封温度过高的问题。从机组安全运行角度出发，低压轴封温度过高，对低压轴封金属产生热应力，会影响机组寿命及经济性，严重时可能损害轴封片。

2    轴封系统改造建议

西门子SST5-5000型号汽机存在的上述问题，通过改造可以避免，经研究有下述建议：

2.1    轴封蒸汽投入SGC改造建议

机组投入轴封蒸汽时必须考虑汽机缸温，尽量降低冷空气进入缸内对汽机造成的影响。

当缸温低于150 ℃时，可以保留原来的SGC顺控，即：（1）关闭真空破坏阀，开启真空泵，当真空低于80 kPa（0.8 bar）時进入下一步;（2）关闭本体疏水阀，并投入轴加冷却水;（3）投入轴加风机;（4）投入轴封供汽阀及溢流阀自动;（5）轴封压力稳定在3.5 kPa（35 mbar），轴封SGC结束。

当缸温高于150 ℃时，为了避免冷空气进入缸内，SGC顺控应先投入密封蒸汽后抽真空：（1）关闭本体疏水阀，并投入轴加冷却水;（2）投入轴加风机;（3）投入轴封供汽阀及溢流阀自动;（4）轴封压力稳定在3.5 kPa（35 mbar）;（5）关闭真空破坏阀，开启真空泵。

改造后，温、热态投入真空轴封蒸汽时，冷空气不会再被吸入缸内，避免了汽机系统损坏。

在实际操作中，还需要密切关注轴封供汽蒸汽温度，应与转子温度匹配，可以通过加强疏水及控制辅汽温度来控制轴封供汽温度。

2.2    轴封系统改造建议

目前轴封系统存在两个问题：（1）自密封后，辅汽至轴封供汽气源温度不足;（2）自密封后，低压轴封温度过高。在此轴封系统基础上可以加以改造，避免上述两个问题的发生。改造后的轴封蒸汽系统如图2所示。

改造后的轴封系统投运，实现了以下功能：机组盘车时投入轴封蒸汽，此时两路轴封蒸汽均由辅汽提供，高、中压轴封供汽调阀及低压轴封供汽调阀由PID功能块实现压力自动控制。在投运初期，高、中压轴封温度可以由增大溢流阀开度快速提升;机组冲转并网后，高、中压轴封慢慢切至自密封状态，高、中压轴封供汽调阀关闭，由溢流阀进行压力控制;低压轴封在机组高负荷阶段仍然由辅汽提供，低压供汽调阀进行压力控制，蒸汽温度由辅汽系统控制;在机组降负荷或情况异常时，由辅汽提供密封蒸汽，特别是异常情况时密封蒸汽能快速切入。

改造后的高、中压轴封与低压轴封分开独立供汽，增加低压轴封供汽调节阀，高、中压轴封单独供汽，避免了高、中压溢流出来温度过高的蒸汽再进入低压轴封，直接进入溢流进入疏水立管（凝汽器），保证了高、中压轴封蒸汽任意工况下的压力控制;低压轴封单独供汽一方面可以保证在任意工况下低压轴封由辅汽提供，温度、压力都在可控范围内，另一方面可以在任意工况下保证辅汽至轴封管道有一定蒸汽通流量，保证辅汽供应温度，在机組跳闸或正常停机过程中，机组高、中压轴封有温度合适的蒸汽供应，从而保证机组设备运行安全[6]。

3    结语

一般来说，机组在投入轴封时应对机组冷、温、热态分别进行考虑，在机组冷态投入轴封时，应先拉真空至一定压力下再投入轴封;在机组温态及热态时，应先保证轴封密封蒸汽供应，然后再进行拉真空操作。

轴封系统要求各机组各个工况下都能满足供汽要求，确保机组安全，降低机组损坏风险。轴封系统改造后，机组在任意工况下辅汽至轴封管道均能保证一定通流量，保证高、中压轴封蒸汽温度备用状态，而且低压轴封温度也变得可控可调，避免了紧急状态下轴封系统无法投入的情况，也提高了轴封系统可靠性。

[参考文献]

[1] 西门子GT5-8000H燃气轮机说明书[Z].

[2] 西门子SST5-5000蒸汽轮机说明书[Z].

[3] 陈齐平.某核电厂轴封系统运行问题研究及改进[J].热力透平，2020，49（3）：243-246.

[4] 郭春晖，赵培山，宋益纯.汽轮机低压轴封系统存在问题分析及改进措施[J].吉林电力，2020，48（4）：49-50.

[5] 王宏琼.低压缸轴封进汽温差大处理技术方案及优化措施[J].电站系统工程，2020，36（5）：77-78.

[6] 梁鹏.超临界机组轴封系统异常排查及处理[J].冶金动力，2020（3）：49-51.