背壓汽輪機運行中的問題分析及解決

張 義，周小林，鹿文彬

（克拉瑪依石化公司熱電廠，新疆克拉瑪依 834003）

0 概述

克拉瑪依石化公司熱電廠（簡稱熱電廠）共有4臺130 t/h中壓煤粉鍋爐，配套建有2×12 MW抽凝式汽輪發電機組，汽輪發電機組額定抽汽量為60 t/h，同時配有2臺能力為2×120 t/h的減溫減壓器（3.5～1 MPa）。熱電廠負責向石化煉油裝置提供中壓蒸汽和低壓蒸汽，低壓蒸汽主要由汽輪機發電機工業抽汽和減溫減壓器供給，而減溫減壓器存在一定的節流熱損失。熱電廠2010年通過安裝一臺背壓汽輪機來拖動給水泵，這樣既實現了蒸汽能量的梯級利用，也節約了廠用電耗量。但是背壓汽輪機安裝投運以來，主要存在排汽溫度高、汽輪機前后軸承溫度高、氣封冷卻器工作失常等問題，嚴重影響著機組的長周期安全運行。

1 背壓汽輪機組工藝流程（圖1）

背壓汽輪機的新蒸汽經主蒸汽電動門、汽輪機速關主汽門至汽輪機調節閥進入汽缸，經噴嘴組沖動葉輪做功后排入背壓低壓蒸汽母管，供入煉油裝置。在低壓母管前聯動有手動、電動放空閥及彈簧安全閥，在機組背壓過高時可將被壓蒸汽自動排入大汽，以確保機組安全。從機組組合汽閥和汽缸中來的凝結疏水以及背壓管網中的凝結疏水直接排入地溝。汽輪機前后氣封漏汽排入氣封冷卻器。

圖1 背壓汽輪機組工藝流程

背壓汽輪機技術參數：型號B0.51-3.6/1.3，單級背壓式，設計功率510 kW，額定轉速2980 r/min，跳閘轉速3220～3280 r/min，蒸汽壓力3.6 MPa，蒸汽溫度435℃，排汽壓力1.3 MPa，杭州大路汽輪機廠生產。

2 背壓汽輪機運行中存在的問題及原因分析

2.1 汽輪機排汽溫度高原因分析

熱電廠的單級背壓式汽輪機，進汽為鍋爐產出的中壓蒸汽，參數基本穩定，蒸汽進入汽輪機做功拖動給水泵負載，安裝試運過程中發現排汽溫度過高，溫度高達370℃，說明背壓汽輪機內效率較低。造成效率低的因素主要是噴嘴結垢、葉片結垢、噴嘴和葉片因工況變化而變形嚴重。但熱電廠背壓汽輪機是剛出廠首次投入運行，機組噴嘴和葉片均無結垢，故排除以上原因。根據與廠家技術人員的溝通，確定排汽溫度高是由于廠家設計問題，并非運行和設備問題。

2.2 汽輪機氣封漏汽量大原因分析

熱電廠的背壓汽輪機前后氣封為梳齒式迷宮氣封，梳齒式氣封因其成本低、結構簡單、安全可靠且易于安裝，結構如圖2所示。疏齒式密封的密封原理是利用逐級節流膨脹增加流阻的方法來抑制泄漏，由于受設備軸向長度的限制，其泄漏量一般比較大。

梳齒式迷宮氣封主要有以下缺點：傳統迷宮密封在實際運行過程中，并不能完全保證設計間隙，由于起機過臨界、異常振動、氣流激振等原因，都會使氣封齒造成永久性的磨損，導致密封間隙的成倍增加，也就是說，調整好的氣封間隙很有可能在第一次啟動過臨界時就被磨大了。因此考慮到轉子過臨界轉速的振動，梳齒式迷宮氣封安裝時徑向間隙一般為0.6～0.8 mm，根據轉子不同情況，有的間隙更大。由于軸封漏汽量較大（尤其在氣封齒被磨損后），蒸汽對軸的加熱區段長度有所增加，并且溫度也有所升高，使脹差變大，軸上凸臺和氣封塊的高、低齒發生相對位移而倒伏，造成漏汽量增加，密封效果得不到保證。

2.3 汽輪機氣封冷卻器工作失常原因分析

圖2 梳齒式氣封結構

熱電廠的背壓汽輪機氣封冷卻器的作用是將背壓汽輪機前后氣封漏出的蒸汽通過抽汽器抽出進入氣封冷卻器一級。一級冷卻軸封蒸汽，內部是真空，其真空靠一級軸封抽氣器抽出不凝結氣體及蒸汽冷凝產生。二級冷卻的是一級軸封抽氣器的動力蒸汽，壓力是常壓，根據氣封冷卻器的工作原理可知，氣封冷卻器一級內部是真空，才能將背壓汽輪機前后氣封漏汽抽出，所以氣封冷卻器一級腔體必須是與大氣隔絕的密閉腔體，在抽氣器投入運行時才能形成負壓，熱電廠背壓汽輪機安裝時將氣封冷卻器安裝在廠房零米位置，一、二級疏水直排地溝，造成軸封啟動時，第一級真空不能很好建立，造成氣封冷卻器工作失常。

3 背壓汽輪機改造方案

3.1 汽輪機排汽溫度高改造方案

在機組運行中排汽壓力正常，僅排汽溫度一項超過規定值，可以通過在排汽管道上安裝排汽減溫水裝置來降低排汽溫度。在蒸汽管道中最簡單的排汽減溫水裝置是采用不可調節的單孔噴嘴，它是將具有一定壓力的減溫水從噴嘴中成霧狀噴出，與管道內的蒸汽混合熱交換從而達到降低蒸汽溫度的目的。因此減溫噴嘴霧化效果的好壞直接關系到機組的運行安全性，若霧化效果不好，不但起不到減溫效果，而且會形成大量的未霧化的水柱流，可能造成管道水擊，對蒸汽管網構成嚴重威脅。

噴嘴減溫水的霧化取決于噴嘴前的水壓和所采用的噴嘴形式，減溫水的壓力和凈度是減溫器設計時需要考慮的2個要素，為了避免減溫水在噴嘴處蒸發結垢堵塞噴嘴，就要求減溫水應是充分清潔的，同時根據減溫原理，減溫水壓力必須高于排汽壓力，減溫水溫度必須低于背壓汽輪機排汽溫度，從而達到減溫目的，根據以上條件，熱電廠減溫水裝置選定中壓除氧水作為減溫水。減溫水量，通過在給定的蒸汽流量下，減溫水吸收的熱量和蒸汽被減溫后放出的熱量之間的熱平衡計算求得。

減溫噴嘴形式的確定是決定減溫效果好壞的另一個要素，不同的噴嘴會有不同的霧化效果，目前比較常見的噴嘴有旋流式和離心式兩種。根據查閱相關資料和了解其他企業的使用情況，熱電廠選用離心式噴嘴。利用給水泵出口中壓除氧水作為減溫水，在排汽管道直管段上安裝噴水減溫裝置。

3.2 汽輪機軸承溫度高技術改造方案

根據檢修人員揭缸檢查情況和運行中機組軸封漏汽量大情況進行分析，確定熱電廠汽輪機在運行過程中，出現動靜摩擦，導致氣封與氣缸間隙變大，氣封漏汽量增大。根據分析結果，要徹底解決氣封漏汽問題，可對汽輪機氣封齒結構進行改進，熱電廠背壓機組改造前的氣封形式為梳齒型平齒氣封（圖3），此種氣封齒漏汽量非常大，計算得到的平齒漏汽總量為250 kg/h，而平齒實際的漏汽量要達到500 kg/h。氣封與氣缸之間間隙為20 mm，氣封齒高度也只有20 mm，受背壓汽輪機前后氣封尺寸的限制，對前后氣封進行較大改造不易實現，故可將氣封平齒密封形式改為高低齒型氣封。優化后的氣封結構形式如圖4所示。更改后的氣封結構能減少漏汽量到200 kg/h 這樣機組在運行過程中不會存在漏汽現象，可大大提高機組經濟效益性能。

圖3 改造前氣封結構

圖4 改造后的高低齒氣封結構

3.3 汽輪機氣封冷卻器技術改造方案

氣封冷卻器的工作原理是汽輪機前后氣封漏汽進入氣封冷卻器第一級冷凝，在冷卻過程中，蒸汽凝結成水，會形成微負壓，而內部一些不凝結氣體由抽汽器帶走，隨新蒸汽一起排到放到第二級腔室內，從而保證氣封漏汽可以順利排入氣封冷卻器，氣封冷卻器簡圖見圖5。由于熱電廠背壓汽輪機安裝時將氣封冷卻器安裝在廠房0 m位置，一、二級疏水直排地溝，第一級腔體內具有一定的真空，這就導致氣封冷卻器第一級疏水無法自然排出，隨著第一級腔室內的疏水增多，換熱面積減小，真空降低，導致氣封漏汽就無法順利排入氣封冷卻器。根據分析原因，可將氣封冷卻器安裝高度提高，同時一二級疏水采用U形水封，一般情況，U形管距離保持在600 mm以上。第二級冷卻器由于內腔是微正壓，所以疏水比較順暢。

圖5 氣封冷卻器

4 背壓汽輪機改造方案實施

4.1 安裝排汽減溫水裝置

4.1.1 減溫水量的計算

查閱資料，排汽壓力1.3 MPa、溫度370℃的蒸汽焓值h1=3193 kJ/kg；排汽壓力1.3 MPa、溫度320℃的蒸汽焓值h2=3085 kJ/kg；減溫水壓力5.5 MPa、溫度104℃的減溫水焓值h0=440 kJ/kg。根據減溫減壓熱量和質量平衡公式，得出減溫1000 kg 蒸汽所需減溫水量公式q=（h1-h2）（/h1-h0）q=0.039 t。背壓汽輪機正常運行時最大進汽量為12 t/h，所需最大減溫水量0.468 t/h。

4.1.2 減溫水管道的選擇

所需減溫水量大概范圍確定后，選取減溫水管道需要進行計算。如果選的過大，會影響日常操作，減溫水不易調整，另外減溫水閥門長期處于節流狀態，容易引起閥門沖刷內漏，增加檢修工作量。如果選的過小，那將不能達到排氣減溫的目的，所以選擇合適的減溫水管道非常重要。根據計算得到的減溫水量，查閱無縫鋼管流體流量、流速對照表，給水管道流速一般選1.2，根據對照表，選擇DN20 mm以下管道即可。為方便安裝和控制，可選擇Φ14×3 mm的儀表引壓管和針芯閥作為冷卻水管和控制閥門。為保證減溫效果，在減溫水管兩側各安裝一路減溫水噴嘴進行減溫。

4.1.3 噴嘴的制作及實驗

確定采用Φ14×3 mm的儀表引壓管作為冷卻水管，為方便噴嘴與減溫水管路的連接，采用直徑20 mm鋼圓鋼制作噴嘴，利用車床加工，具體樣式見圖6。噴嘴制作完成后，將噴嘴與無鹽水管線連接，來驗證噴嘴的噴水霧化效果，實驗一次性成功，表明自行委托加工的噴嘴符合噴水減溫要求，可以安裝。

圖6 減溫水噴嘴

4.1.4 噴嘴及減溫水管線的安裝試運

背壓汽輪機排汽管道管徑為DN250 mm，為保證減溫效果，采取對稱兩側安裝減溫水噴嘴，減溫水從汽動給水泵出口再循環DN65 mm管線上接兩路Φ14×3 mm管線作為冷卻水管線（圖7），每一路冷卻水管線上安裝減溫水一次門和二次門進行調整。排汽減溫裝置安裝后，投入背壓汽動給水泵進行試運，背壓汽輪機滿負荷情況下，試運效果良好，在全開一路減溫水的情況下，即可將排氣溫度降至330℃，另一路投入可將排汽溫度降至300℃，排汽管道運行正常，未出現水擊和振動，說明本次技術改造解決了背壓汽輪機排汽高的問題。

4.2 背壓汽輪機前后氣封改造

根據梳齒式迷宮氣封的特點，傳統迷宮密封在實際運行過程中，并不能完全保證設計間隙，由于起機過臨界、異常振動、氣流激振等原因，都會使氣封齒造成永久性的磨損，導致密封間隙成倍的增加，造成軸封漏汽量增大。由于受背壓汽輪機前后氣封尺寸的限制，對前后氣封進行較大改造不易實現，故熱電廠將前后氣封由平齒密封形式改為高低齒型氣封，更改后的氣封結構能減少漏汽量到200 kg/h，經過一年的運行，機組在運行過程中漏汽量明顯減少，同時前后軸承溫度也大大降低。一定程度上提高了機組經濟效益性能。

圖7 噴嘴減溫水安裝

4.3 氣封冷卻器改造實施

根據改造技術方案，將氣封冷卻器安裝高度提高到2 m，一二級疏水同時采用U形水封，U形管安裝高度1800 mm，U形水封高度為200 mm，改造示意見圖8。改造后背壓汽輪機投入運行，汽輪機前后氣封漏汽量明顯減少，通過玻璃水位計觀察，氣封冷卻器一級疏水液位1/3高度，氣封冷卻器工作正常。

圖8 氣封冷卻器抬高改造示意

5 結論

經過一年的多的運行，對背壓汽輪機進行技術改造以后，機組運行平穩，各項參數均在正常范圍內。改造后，機組在各種工況下，機組運行平穩，排汽溫度均可調整至工藝卡片要求參數范圍內。氣封漏汽量明顯減少，前后軸承溫度下降，機組運行時噪音值降低至正常值。解決了背壓汽輪機氣封冷卻器一級滿水問題，氣封冷卻器工作正常，疏水回收至疏水箱。

［1］鄭體寬.熱力發電廠［M］.北京:水利電力出版社，1991.

［2］張芳.背壓式汽動給水泵在熱電廠的應用［J］.熱力發電，2006（3）:65-66.

［3］周景.給水泵小汽輪機實施節能降耗改造［J］.上海電力，2007（5）:480-485.