淺談高背壓式汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

胡昕

（南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210037）

高背壓式汽輪機(jī)為排汽壓力大于2.0MPa.a的背壓式汽輪機(jī)，多用作前置機(jī)，或熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)，適用于造紙、化工、冶金等企業(yè)的自備電廠。通過多個項目的跟蹤發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)背壓軸封系統(tǒng)的高背機(jī)，如機(jī)組運行波動較大、啟停頻繁，軸封易失效，軸端部會出現(xiàn)一定程度的漏汽現(xiàn)象。壓力蒸汽泄漏出汽缸后會竄入軸承座，導(dǎo)致潤滑油帶水乳化，危及機(jī)組安全運行。

1 高背機(jī)的軸封設(shè)計分析

1.1 常規(guī)軸封系統(tǒng)設(shè)計簡介

背壓式汽輪機(jī)的軸封系統(tǒng)，由端部的前后軸封（多采用曲徑汽封）和與之相連的管道，以及附屬設(shè)備汽封加熱器等組成，常規(guī)布置如圖1所示。

圖1 常規(guī)背壓汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)示意圖

前軸封由五段軸封組成4個汽室，后軸封由四段軸封組成3個汽室。前1、前2、前3和后1、后2腔室均為正壓，向外漏汽，逐級降壓。汽封加熱器借助抽氣機(jī)，在前后軸封最外部腔室（前4、后3）內(nèi)形成微真空（約96kPa），空氣由最外面一段軸封漏入此室，同時，內(nèi)軸封漏出的蒸汽也漏入此室，以此形成密封。汽氣混合物被引入汽封加熱器中，蒸汽凝結(jié)成水疏出，而不凝氣則由抽氣機(jī)排向大氣。

1.2 高背機(jī)應(yīng)用時產(chǎn)生的問題

隨著排汽壓力增加，高背機(jī)軸封設(shè)計通常會在后軸封第一段增加軸封齒數(shù)的方式來減少排汽端的軸封漏汽量。但如軸封系統(tǒng)不合理調(diào)整，實際密封效果并不理想，原因如下：

（1）前軸封腔室1漏汽被引至排汽，前1腔室的壓力P1同時受漏汽初始壓力Pe和排汽壓力Pb的影響。當(dāng)Pe遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Pb時，可以實現(xiàn)將漏汽引流至排汽管的效果。但當(dāng)Pe和Pb相差不大時，例如，機(jī)組設(shè)計背壓偏高時，或當(dāng)機(jī)組部分負(fù)荷運行時，則易引起從排汽至前軸封的返流，返流蒸汽會順著前軸封向前流動。

（2）高壓除氧器通常布置汽輪機(jī)廠房外，其壓頭要求以及長距離輸送而產(chǎn)生的管損，造成實際軸封腔室壓力P2比除氧器工作壓力要高，部分前2和后1腔室本該引出至高壓除氧器的軸封漏汽繼續(xù)向前外漏。部分項目設(shè)計為單級除氧，現(xiàn)場無大氣式除氧器，實際安裝時，會分別將前3與前4漏汽管道，后2和后3漏汽管道并聯(lián)，造成前3和后2腔室的漏汽可旁路流至汽封加熱器。以上均導(dǎo)致大量未充分降壓的蒸汽最終漏入了汽封加熱器，加重其冷卻負(fù)擔(dān)。

（3）由于前級排汽不暢，軸封漏汽未能順利引流，致使實際漏入汽封加熱器的蒸汽量超過了汽封加熱器的設(shè)計冷卻能力。有限的冷卻水不能及時將高溫漏汽在汽封加熱器中冷凝下來，微真空難以建立，從而導(dǎo)致軸封失效，軸頭向外冒汽。尤其運行一段時間后，軸封齒逐漸磨損，間隙增大，軸封漏汽量增多，微真空越發(fā)建立困難。此外，前4和后3汽封管路并聯(lián)，相互干擾，前后汽封會同時失效。

2 軸封優(yōu)化設(shè)計實例

2.1 設(shè)計方案說明

在考慮上述問題后，對某項目B15-8.83/4.12型高背機(jī)的軸封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改造，如圖2所示，具體改進(jìn)措施如下：

圖2 優(yōu)化后的高背壓汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)示意圖

（1）將前1腔室對應(yīng)的缸上開口予以封堵，不再引出接排汽。第一段汽封與第二段汽封合并，在前2腔室的位置，引出接至高壓除氧器，后汽封腔室1也引出接至高壓除氧器。前2和后1腔室在軸封漏汽計算時，按工程實際情況將壓力取值為1.0MPa.a。

（2）前3和后2腔室引出接至增設(shè)的高壓汽封加熱器中。高壓汽封加熱器換熱面積為20m2，其主要作用是讓前3和后2腔室保持在1.5～2.0MPa.a，工作原理類似低壓加熱器。前4和后3腔室分別獨立引出接至低壓汽封加熱器（微負(fù)壓）的兩個接口。除鹽水先經(jīng)過低壓汽封加熱器，再分支少量進(jìn)入高壓汽封加熱器中，其余從旁路進(jìn)入補(bǔ)給水系統(tǒng)。高壓汽封加熱器配有氣液兩相流自調(diào)節(jié)液位控制器，能自動調(diào)整其水位，保證其換熱效果。

（3）改進(jìn)汽封體設(shè)計，增大中間腔室，讓軸封漏汽在腔室內(nèi)充分?jǐn)U容。管路設(shè)計時，將缸上開口增大，管道流速按中低限設(shè)計，盡可能幫助軸封漏汽在高壓出口順暢流出，并進(jìn)行回收利用。

2.2 軸封漏汽計算對比

以B15-8.83/4.12高背機(jī)為例，采用常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的軸封漏汽計算數(shù)據(jù)分列于表1和表2。

表1 常規(guī)設(shè)計軸封漏汽計算

表2 優(yōu)化設(shè)計軸封漏汽計算

由表1和表2對比可以看出：

（1）常規(guī)設(shè)計時，前1漏汽量為負(fù)值，表示從排汽向前1腔室確實出現(xiàn)了蒸汽返流。

（2）常規(guī)設(shè)計時，單級汽封加熱器的進(jìn)汽總量達(dá)到了1.023t/h，給汽封加熱器設(shè)計帶來很大困難。

（3）但優(yōu)化設(shè)計時，高壓汽封加熱器為低壓汽封器分擔(dān)降壓任務(wù)，實際漏入低壓汽封加熱器的降低為0.162t/h，為微真空的建立和終端密封創(chuàng)造了良好的條件。

3 結(jié)語

高背機(jī)軸封設(shè)計，因其排汽壓力高、現(xiàn)場系統(tǒng)布置簡單等因素影響，軸端分段密封設(shè)計難度增大，需根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過對部分高背壓汽輪機(jī)項目軸封系統(tǒng)的改造實踐，證明優(yōu)化設(shè)計后的軸封系統(tǒng)，能改善端部軸封冒汽的情況，使得機(jī)組頻繁因軸封失效導(dǎo)致潤滑油進(jìn)水的狀況得到了有效遏制，也為后續(xù)的高背壓機(jī)組的設(shè)計制造積累了寶貴經(jīng)驗。