300MW汽輪機(jī)軸封加熱水位波動原因分析及解決措施

黃坤昌 范雙雙 李豐均 居國騰 劉東旭

摘? 要：軸封系統(tǒng)是汽輪機(jī)的重要子系統(tǒng)，直接影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。某電廠300MW機(jī)組在完成切缸改造工作后，汽輪機(jī)軸封加熱器水位產(chǎn)生了持續(xù)波動且逐漸惡化，導(dǎo)致軸封加熱器頻繁推出運(yùn)行狀態(tài)。通過制訂不同的試驗(yàn)方案逐步排除了各部位的漏汽問題或切缸引發(fā)的副作用，并發(fā)現(xiàn)了疏水超過管道承載能力是造成水位波動的主要原因。通過改造疏水管路以增加軸加疏水的溢流能力有效解決了該故障。改造方案對同類型機(jī)組的類似問題有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：300MW汽輪機(jī)組 軸封系統(tǒng) 軸封加熱器 水位波動 低壓缸切除

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0048-04

Cause Analysis and Solving Measures of Shaft Seal Heating Water Level Fluctuation of 300MW Steam Turbine

HUANG Kunchang1? FAN Shuangshuang2，3? LI Fengjun1? JU Guoteng1? LIU Dongxu2，3*

（1. Zhejiang Zheneng Shaoxing Binhai Thermal Power Co.， Ltd， Shaoxing， Zhejiang Province， 312073 China;2. Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150001 China;

3. Harbin Wohua Intelligent Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150001 China）

Abstract： The shaft seal system is an important subsystem of the steam turbine， which directly affects the safety and economy of the unit. After a 300MW unit completed the modification of removing low-pressure cylinder， the water-level of the shaft seal heater fluctuated continuously and gradually deteriorated， which caused the gland heater to be frequently put out of operation. Through the development of different test programs， the steam leakage problem at various parts or the side effects caused by removing low-pressure cylinder were gradually eliminated， and it was found that the drainage exceeding the carrying capacity of the pipeline was the main reason for the fluctuation of the water level. The fault was effectively solved by modifying the drain pipeline to increase the overflow capacity of the gland heater drain. The transformation plan has certain reference significance for similar problems of the same type of units.

Key Words： 300MW steam turbine; Shaft seal system; Shaft seal heater; Water level fluctuation; Low pressure cylinder removing

在電廠機(jī)組運(yùn)行的過程中，軸封系統(tǒng)是汽輪機(jī)系統(tǒng)中的一個重要子系統(tǒng)[1，2]，主要用于對汽輪機(jī)動靜結(jié)合部位的密封，其中軸封加熱器起著關(guān)鍵作用[3，4]。但軸封加熱器會發(fā)生水位波動問題，其原因很多：軸封加熱器管系泄漏或爆管[5]、汽輪機(jī)潤滑油中帶水[6]、多級水封均運(yùn)行不穩(wěn)而發(fā)生水封破壞[7]、軸封加熱器疏水不暢導(dǎo)致多次滿水[8]等。為此，一些學(xué)者對軸封水位波動現(xiàn)象進(jìn)行研究，針對不同的原因提出改造方案。主要有以下方案：合理調(diào)整軸封供汽壓力[9];改造軸封管路，增設(shè)高壓汽封加熱器[10];修正最初的計(jì)算數(shù)值，合理選擇多級水封的高度[11];汽輪機(jī)軸封排汽管道上設(shè)置U型緊急排水口[12]。

本文將針對某電廠300MW機(jī)組軸封加熱器水位波動現(xiàn)象展開分析，其中對軸封加熱器的額定參數(shù)、U型管水封高度、U型管疏水能力等方面進(jìn)行分析。對軸加水位波動現(xiàn)象，提出相應(yīng)的整改措施，進(jìn)而解決水位波動導(dǎo)致軸加頻繁撤出的現(xiàn)象。

1? 設(shè)備簡介

軸封系統(tǒng)主要設(shè)備包括軸封加熱器、軸加風(fēng)機(jī)等，其作用是通過負(fù)壓吸收軸封處多余的蒸汽以防外漏，同時也有效阻止了空氣漏入凝汽器導(dǎo)致凝汽器真空降低。當(dāng)汽輪機(jī)處于啟動狀態(tài)和低負(fù)荷運(yùn)行時，汽輪機(jī)各汽缸內(nèi)壓力都低于外部環(huán)境下的大氣壓力，軸封蒸汽通過軸封蒸汽母管送入“X”腔室，一部分通過軸封齒進(jìn)入汽缸，另一部分進(jìn)入另一側(cè)的“Y”腔室?！癥”腔室在軸封冷卻器的作用下，通過負(fù)壓將“Y”腔室內(nèi)的蒸汽與空氣的混和物通過軸封管道引入軸封冷卻器內(nèi)。對于高中壓合缸的各汽封來說，約在15%負(fù)荷時變成自密封。此時，蒸汽沿“X”腔室、汽封系統(tǒng)聯(lián)箱流至低壓汽封。

1.1 軸封加熱器

“Y”腔室是汽封體漏汽區(qū)，其中必須維持壓力稍低于大氣壓力，通常為686.5Pa的負(fù)壓。如果系統(tǒng)工作正常，允許達(dá)到498.2～746.3Pa的負(fù)壓。凝結(jié)水進(jìn)入軸封冷凝器的前水室，在軸封冷凝器內(nèi)流過管子后在后水室排出。閥桿漏汽及“Y”腔室的汽封漏汽通過兩個蒸汽入口進(jìn)入凝汽區(qū)，漏汽流過管子外壁而凝結(jié)，所形成的凝結(jié)水通過殼體疏水口排出。

本文軸封加熱器的設(shè)計(jì)工作溫度、壓力、傳熱面積及流量如表1所示。

1.2 軸加U型管水封

軸加U型水封是對軸加疏水進(jìn)行回收，同時防止空氣進(jìn)入凝汽器進(jìn)而破壞真空的裝置。某汽輪機(jī)軸封加熱器水封采用的是單級水封，水封高度設(shè)計(jì)值為11m，水封筒埋地安裝，埋地深度超過15m。當(dāng)U型管兩側(cè)液面高度差所產(chǎn)生的壓力差與作用于液面的壓力差形成平衡時，水封達(dá)到平衡狀態(tài)，疏水通過溢流的方式進(jìn)入凝汽器。

2? 異常描述

在機(jī)組運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)，#2機(jī)組軸封加熱器會出現(xiàn)疏水水位波動的現(xiàn)象，如圖1所示的軸加疏水水位波動曲線，波動幅度為190～430mm，偶爾會高出軸加水位高報(bào)警值550mm，導(dǎo)致軸加水側(cè)撤出，需要運(yùn)行人員手動重新投入水側(cè)?，F(xiàn)場檢查疏水管溫度有波動，管道最高溫度在40℃左右，存在間歇性疏水的情況。機(jī)組軸封系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，凝汽器壓力未出現(xiàn)較大的波動。

根據(jù)現(xiàn)象初步分析是軸加水封的疏水不暢引起的，主要原因可能有軸加進(jìn)汽量增大、軸加水管泄漏、疏水管路堵塞等。#2機(jī)組上次開缸檢修至今已運(yùn)行3年時間，可能存在軸封磨損的情況，導(dǎo)致軸封漏汽量增大。與純凝工況相比，#2機(jī)組中、低壓供熱投入后，汽輪機(jī)高、中壓缸各級壓力明顯升高，導(dǎo)致軸加漏氣量增加。自2021年2月20日#2機(jī)組啟動后，軸加水位一直運(yùn)行平穩(wěn)。2月22日21時#2機(jī)低壓供熱流量第一次達(dá)到240t/h時，軸加水位開始波動，之后波動一直存在，如圖1曲線所示。

軸加換熱管泄漏會導(dǎo)致疏水量變大，當(dāng)泄漏量不大時，可能會出現(xiàn)水位波動但未達(dá)到滿水的程度，但疏水管路堵塞嚴(yán)重時也會導(dǎo)致軸加疏水不暢。

3? 軸加水位波動原因分析及措施

3.1 水位波動現(xiàn)象

自2016年起，1號機(jī)組的軸封加熱器發(fā)生間歇性水位波動現(xiàn)象，軸封正常液位為185mm，發(fā)生波動現(xiàn)象時最高液位可達(dá)450mm以上，甚至發(fā)生軸加滿水現(xiàn)象，需要撤出軸加運(yùn)行。2019年，軸加水位波動現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)波動，并時不時需要撤出軸加運(yùn)行，等水位降低后再投用軸加。

3.2 問題檢查與初步分析

針對上述問題，對其進(jìn)行相關(guān)檢查及分析，具體內(nèi)容如下。

（1）就地檢查軸加液位計(jì)，其液位波動與DCS遠(yuǎn)傳信號波動一致，排除測點(diǎn)問題。

（2）就地檢查軸加汽測負(fù)壓正常，凝汽器負(fù)壓正常，軸封加熱器疏水管隨著軸加液位波動存在冷熱交替變化現(xiàn)象。

（3）檢查軸加換熱管道，未發(fā)現(xiàn)管道泄漏現(xiàn)象，檢查汽測疏水管道未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

（4）更換軸加U型管水封埋地管段，排除埋地管段泄漏導(dǎo)致疏水管形成氣阻的原因。

（5）多次對軸加U型管進(jìn)行注水，并微開注水閥，確保U型管水封建立，但并未改善軸加水位波動的現(xiàn)象，基本排除U型管水封被破壞產(chǎn)生氣阻的可能。

通過對現(xiàn)場的一系列檢查，未發(fā)現(xiàn)軸封加熱器和U型水封存在的缺陷或者泄漏等問題，基本排除硬件設(shè)施問題。

該電廠自2016年進(jìn)行中壓供熱改造，將再熱蒸汽通過減溫裝置后對外進(jìn)行供熱，設(shè)計(jì)容量150t/h。另外，中、低壓連通管也進(jìn)行了相應(yīng)的改造，通過減少低壓缸進(jìn)汽的方式，從中壓缸排汽處抽汽，對外供熱，設(shè)計(jì)流量410t/h。設(shè)備供熱的改造導(dǎo)致，中壓缸排汽壓力抬升，軸封漏氣量相應(yīng)增加，導(dǎo)致進(jìn)入軸加U型管的疏水增多，疏水溫度抬升，在軸加水封高度過高的雙重影響下導(dǎo)致了軸加水位的波動。

3.3 水封高度核算

基于上述分析，接下來對水封高度進(jìn)行核算，取冬季凝汽器最高真空工況計(jì)算，考慮疏水在上升段汽化對密度的影響，并在正壓側(cè)維持至少1m左右的水柱高度。表2和表3分別為水封高度計(jì)算的初始參數(shù)。

一般情況下，水封高度取決于水封入口和出口的壓力差。水封高度用公式（1）計(jì)算：

（1）

式中H為水封中每級水封的高度，單位為m;P1、P2分別為水封進(jìn)、出口壓力，單位為Pa;n為多級水封中的水封級數(shù);γ為水的重度，取值1×104N/m3;0.5～1為富裕度（可忽略）。

該機(jī)組軸封系統(tǒng)級數(shù)為1級，軸封汽測維持負(fù)壓-6.5kPa，凝汽器真空維持-98kPa，取富裕度為1m，計(jì)算得水封高度為10.15m，與水封設(shè)計(jì)高度11m基本吻合。

但是在查閱現(xiàn)場軸封冷卻器U型水封管的設(shè)計(jì)圖以及現(xiàn)場實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，水封管實(shí)際埋地有效高度為15m，疏水管進(jìn)入凝汽器的標(biāo)高為3m，實(shí)際的有效水封高度為18m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)值。

3.4 措施

依據(jù)水封高度的計(jì)算結(jié)果，重新設(shè)計(jì)U型水封，將水封高度降至15m以下，以確保軸加疏水順暢。1號機(jī)組改造后，軸加水位波動問題徹底解決。

4? 結(jié)語

通過對某電廠300MW軸封加熱器水位波動問題的分析，并據(jù)此制定了相應(yīng)的整改措施，即重新設(shè)計(jì)U型密封管的高度，徹底解決了軸加水位波動問題，避免軸加頻繁撤出。此改造方案對同類型凝汽式汽輪機(jī)軸加問題的處置過程具有借鑒意義。

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