軸封管路疏水不暢造成的影響及改進方案

程途，俞立凡

(1.江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213000； 2.杭州華電下沙熱電有限公司，杭州 310018)

0 引言

軸封系統是汽輪機系統中一個非常重要的輔助系統。其作用是阻止外界空氣漏入汽缸并回收汽缸高壓端漏出的蒸汽，提高凝汽器真空度和機組經濟性，減小蒸汽對油系統、其他設備和環境的污染。軸封系統由管道、各種閥門、疏水器、汽水分離器等組成。在投用及運行過程中如果出現異常情況，軸封系統會對汽輪機本體造成影響，從而影響機組的啟動，嚴重時還會造成重大事故。

1 故障現象

某單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組自投產以來一直存在投軸封時軸封母管溫度波動較大的問題。 圖1為某次軸封投用時因軸封管路暖管不充分而導致母管溫度嚴重下跌的情況。波動嚴重時還造成一次汽輪機高、中壓缸軸承振動過大而啟動失敗的情況:機組轉速升至1 200 r/min后，#3瓦、#4瓦振動迅速上升；轉速升至1 590 r/min時，#4軸承處軸振達0.22 mm，運行人員立即手動緊急停機;經機組重新進行軸封疏水、暖管、投送軸封(記錄投送時間為57 min)；再次啟動，機組啟動正常。

2 故障分析

由圖1可知，在暖管階段軸封母管壓力呈階梯形升高，送軸封期間壓力幾乎無下降。軸封管路在暖管期間(10：30：00—11：01：00)，母管溫度逐步上升并達到需求值，軸封母管壓力的上升也基本平穩，管內水擊現象輕微；投送軸封后(11：01：00)，軸封母管溫度開始急速下跌，最低時至100 ℃左右，對應軸封母管壓力為40 kPa，軸封蒸汽已達到飽和(根據飽和蒸汽溫度與壓力對照，表壓40 kPa時對應的飽和蒸汽溫度為109 ℃)，有嚴重蒸汽帶水情況；二次溫度下跌時(11：02：00—11：11：00)，軸封蒸汽再次達到飽和，持續時間長達9 min，在溫度急跌和快速升高的區段，管內壓力明顯波動、水擊現象明顯。

圖1 軸封投用時軸封蒸汽溫度、壓力變化曲線

在暖管時，管道水擊現象比較輕微，汽水流速相對平穩，管道中有汽水分層情況，進一步證明了管道暖管疏水量不足，疏水位置設置不合理、有死區。當投送軸封后，蒸汽流動加快，蒸汽裹挾大量水分，壓力曲線波動明顯，水擊嚴重。當低溫帶水蒸氣進入汽輪機軸封套后，正處于高溫的軸封套及汽輪機軸封齒受冷快速收縮，造成部件局部變形。變形嚴重時會導致機組啟動失敗。

現場實地查看，輔助蒸汽及軸封管道布置情況如圖2所示。該機組啟停用輔助蒸汽來自于供熱管道，整個輔助蒸汽及軸封管道全長約90 m，管道為水平加垂直布置，其中水平管道長度約67 m，彎頭25個，沿途設疏水點6個。

根據運行數據及管道布置情況進行分析，造成軸封管路暖管不充分的主要原因為輔助蒸汽至軸封蒸汽調節站管路較長、水平管較多、彎頭較多、管道疏水點設置不合理、管道疏水量不足。彎頭多會造成蒸汽在流動時局部阻力損失較大，特別是在管道暖管初期，水汽變化劇烈，蒸汽整體流速下降，大段的水平管道水此時易產生上下溫差，引起管道熱彎曲變形。疏水點的設置存在不合理之處，垂直管道受熱膨脹造成的水平管出現高低起伏，水平管上的低位點易產生積水，低流速的蒸汽又會在水平管道內形成汽水分層，水平管內的水自流性較差，造成整個管道在暖管過程中蒸汽溫度快速升高而管道中依然存在大量積水。投用軸封后，由于軸封用汽量大，蒸汽流速加快，破壞了汽水分層流動的穩定狀態，造成蒸汽帶水、蒸汽溫度急劇下降。當帶水蒸汽進入高溫軸封套時，高溫軸封套冷卻變形，動、靜部分的間隙和形狀改變。若形變維持到機組啟動，造成動靜部分的嚴重碰磨，后果會更加嚴重。

圖2 輔助蒸汽及軸封管道布置

3 處理措施與建議

3.1 優化系統布置

由于出現了因軸封溫度波動而造成的機組啟動失敗，機組進行了軸封系統的技改工作：在高壓軸封供汽端加裝電加熱裝置，在投送高、中壓缸軸封時，將軸封蒸汽進行即時加熱，抬高軸封蒸汽溫度，從而防止低溫軸封蒸汽進入高溫軸封套。優化后的系統布置如圖3所示。優化后的系統操作為：軸封供汽前先投用電加熱裝置，裝置將供汽預加熱至300 ℃；機組啟動后待高壓調門開到15%后，停用軸封電加熱裝置。

圖3 改造后高壓軸封電加熱布置

經過系統改造后機組啟動的安全性大幅提高，再沒有出現因軸封溫度導致的啟動振動異常及啟動失敗的情況。但軸封暖管及投送過程中軸封母管溫度下降的現象依然存在。該現象是系統設計及安裝造成的，短時間內無法更改，根據上述分析提出如下建議。

3.2 改水平管道為坡管

將供熱蒸汽至輔汽管道、輔汽至軸封蒸汽調節站和軸封蒸汽調節站至各軸封套的長距離水平管改為與水平呈5°左右夾角的坡管，分別沿氣流方向、氣源方向向下傾斜。

該設計改造根據伯努利方程

(1)

式中：p1為管道入口壓力，MPa；p2為管道出口壓力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3；h1及h2為參考面的高度，m；v1為管道入口液體速度，m/s；v2為管道出口液體速度，m/s。

當管道內外壓差一定時，提高高度差可以提高流速，加快疏水的排出，管道內積水將難以積存。

坡度=ΔH÷D，

(2)

ΔH=L×sinα，

(3)

D=L×cosα，

(4)

式中：ΔH為高度差，m；L為管道長度，m；D為水平距離，m；α為管道水平夾角，(°)。

由式(3)和式(4)可知，當 1 根長10 m、 內直徑0.3 m的管道以5°水平略傾斜布置時，高度差為0.872 m，管道水平距離為9.962 m，陂度為0.088。假定P1=P2(管道內壓力不變)、水的密度不變、管道入口水流速為0 m/s，代入式(1)可得此時水的出口理想自流流速為0.427 m/s，管道平均流速為0.427/2=0.213 (m/s)。疏水由入口流至出口時長小于1 min，疏水的流動時間短，不易存積。

暖管時，由于出現汽水分層，導致管道產生熱脹、彎曲并向上拱起，上、下壁線生成同心、同角圓弧，如圖4所示。

管道長度= 管道原長×{1+(加熱后溫度-加熱前溫度)×鋼管膨脹系數} ,

(5)

(6)

式中：L1為管道下壁膨脹后長度，m；L2為管道上壁膨脹后長度，m；R1為管道下壁膨脹后產生的弧長對應的圓半徑，m；h為管道直徑，m。

圖4 管道熱彎曲示意

若管道上壁溫為250 ℃，下壁溫為100 ℃(假定管道上、下壁溫及壁溫差沿管長均勻分布)，鋼管膨脹系數為1.2×10-5/℃，以冷態25 ℃為基準計算管道產生弧形變化，根據式(5)計算出L1、L2分別為10.027 m和10.009 m；將數據代入式(6)計算出R1為166.817 m，圓心角為3.439°(由于管道直徑熱膨脹的變化小于0.001 m，計算中的管道直徑取0.3 m)。通過三角形角度計算可知，管道下壁頂點所處的切線與水平線的夾角為3.28°，代入式(2)，(3)，(4)可推導出該彎管最高處的坡度近似值為0.06。

對于汽、水逆向流動的管道，如軸封蒸汽調節站至各軸封套管路，陂度越大越有利于疏水逆流流出。上述計算出的相關坡度值滿足，甚至超過DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計技術規定》中關于軸封管道設計所要求的順流管道坡度不小于0.02和逆流管道坡度不小于0.06的要求[1]。此設計加快疏水速度，縮短暖管時間，提高經濟性。

3.3 加裝疏水罐疏水器

疏水罐疏水器一般安裝在蒸汽管道的上下垂直彎頭處的下部。疏水罐一般選用與蒸汽管道直徑相等或略小的口徑直接焊接在蒸汽管道上。由于疏水罐疏水器的疏水截流能力強，在供熱管道至軸封蒸汽調節站入口處的多個水平管道的上下垂直彎頭處，有選擇地加裝疏水罐疏水器，可以充分截流管道中凝結的水分，防止疏水被帶入下一級管道，有利于加速暖管過程并減少水擊情況的發生；同時疏水罐的存在可以幫助確認管道暖管狀態，方便運行人員進行過程判斷，對提高暖管經濟性和安全性都有很大的幫助。

4 結論

軸封母管溫度波動是由于疏水點設置的不合理、現場安裝的不規范等原因造成的。本機組現采用了投用電加熱裝置進行了處理，取得了一定的效果，但沒有從根本上解決問題；改水平管道為坡管和加裝疏水罐疏水器則是系統性的改造，涉及面廣、難度大，很難一步到位，但可為其他在基建的電廠同類型問題技術改造時能提供一定借鑒和參考。