對汽輪發電機真空度低故障檢修思路的探討

余海威

(湛江海濱船廠，廣東 湛江 524005)

1 基本構成

汽輪發電機主要由單缸汽輪機、減速器、發電機、冷凝器、空氣抽氣器、冷卻水泵、水位調節系統等組成。汽輪發電機排氣口與冷凝器集汽波紋管法蘭連接，冷卻水泵與冷凝器冷卻水腔進水連接，冷卻水工作完直接排出舷外。空氣抽氣器與冷凝器喉部下部(一般在凝水水位之上)連接。要使汽輪發電機凝汽系統正常運行，需要滿足以下條件：保持一定的真空度，凝水過冷度最小,凝水質量符合要求。對汽輪發電機來說，增加負荷則首先要提高驅動能力，提升拖帶負荷能力。隨著負荷增加，工作后排入冷凝器的蒸汽量(通常稱為工作廢蒸汽，因其具有一定的剩余溫度和壓力，可以通過凝汽系統凝結成水進行回收)隨之增加，增大了冷凝器內部空間的介質密度。同時冷凝器導入冷卻水量、冷卻水溫等參數變化，都會引起冷凝器內部真空度出現變化。如冷凝器真空度降低1%，汽輪發電機的蒸汽耗汽量平均增加1%～2%，既增加鍋爐的供汽負荷，也影響汽輪機動力系統的狀態穩定。凝氣系統示意圖見圖1。

圖1 凝氣系統示意圖

冷凝器喉部溫度是流經冷凝器的冷卻水與排入其中的工作廢蒸汽溫度熱量混合交換的直觀參數，兩者之間正常的溫差在3～10 ℃，該參數變化顯示工作廢蒸汽在冷凝器中被冷凝成水的過程，溫度過高，就需要增加冷凝器冷卻水量和流速，加快工作廢蒸汽凝結并降低溫度；溫度過低則說明冷凝器缺少接收工作廢蒸汽量，操作方法就是相應減少冷卻水。在冷凝器能量交換中，需要控制汽輪機排入冷凝器的工作廢蒸汽壓力，使壓力維持在0.10～0.15 MPa之間，以保證其順利流向冷凝器。工作廢蒸汽壓力過高，冷凝器過度充盈且導致工作廢蒸汽冷凝和抽氣不及時，會導致真空度下降；壓力過低則流進冷凝器的汽量減少，凝結水量減少，冷凝器凝水工作水位降低。因此冷凝器喉部溫度值和工作廢蒸汽壓力值這2個外觀參數值變化會影響冷凝器的凝水效果和真空度的穩定，但工作廢蒸汽壓力是由汽輪機排汽結構所確定的，一般常規操作增減負荷不會產生故障變化，因此，冷凝器喉部溫度在汽輪發電機實際的運行操作、維護管理中是需要予以調整并控制的。如某海區水溫在26～32 ℃之間，發電機冷凝器的正常工作喉部溫度應在29～42℃較為適宜。汽輪發電機實際操作時，該溫度值往往偏高一點，但不能超過50 ℃。

綜上所述，汽輪發電機工作時，冷凝器真空度可以維持在一定的范圍，一是由于其低壓工作廢蒸汽在冷凝器中凝結成水，氣態變為液態，介質體積改變，同樣的空間密度較小；二是空氣抽氣器從冷凝器中抽出由汽輪機漏入的未凝結成水的空氣后，冷凝器內部空間介質密度減少。2種效應產生的共同結果，就形成了冷凝器內部空間真空狀態，同時也為冷凝器繼續接收汽輪機排出的工作廢蒸汽進行凝結創造條件。空氣抽氣器抽氣接口設置在冷凝器喉部附近，其工作狀態與凝水的水位沒有直接的關聯，但凝水的水位上升會浸沒冷卻水管，影響冷凝器的冷卻管冷凝蒸汽效果，而且單靠空氣抽氣器無法完全抽出汽輪機排放出來的全部混合氣體，這將妨礙冷凝器真空度維持在穩定的狀態。冷凝器正常運行真空度維持在-0.088 MPa到-0.098 MPa之間，汽輪機高負荷時由于工作蒸汽量增大，相應的排汽量增加，導致進入冷凝器工作廢蒸汽密度也增大，冷凝器會暫時出現真空度降低的現象，如系統此時再漏入大量空氣，真空度控制措施失衡，就會導致無法恢復到規定真空度范圍，造成汽輪發電機停機。在整個汽輪發電機系統正常情況下，直至負荷穩定，冷凝器真空度是可以由操作者通過對冷卻水泵、空氣抽氣器及凝水泵進行調節操作，適應性地調整冷凝器的冷卻水量、空氣抽氣量以及凝水水位等指標，恢復并維持系統正常真空度的穩定狀態，否則就需要進行故障檢修。

空氣抽氣器是建立和維持冷凝器真空度的重要設備，其單級射流抽氣器結構原理示意圖見圖2。

圖2 單級射流抽氣器結構原理示意圖

一個單級射流抽氣器抽真空能力，最高只可以使冷凝器真空度達到-0.065 MPa左右，要滿足汽輪發電機運行冷凝器的高真空度-0.095 MPa以上，就需要配置1臺雙級空氣抽氣器。雙級空氣抽氣器就是由2個不同級別壓縮功射流泵串聯組合成的，其作用是建立高真空度，將凝汽系統中混合了漏入空氣的混合氣體由一級冷凝器中抽出，并被二級接力加壓至大氣壓力以上，排向大氣，雙級空氣抽氣器工作示意圖見圖3。空氣抽氣器雙級噴嘴工作介質是溫度250～260 ℃、壓力1.2～1.6 MPa的蒸汽，采用雙級主要是在降低空氣抽氣器壓縮功的同時，更有利于排出空氣。擴壓管外壁由冷卻水流經，冷卻管內混合氣里的蒸汽，使其快速凝結，進一步與混雜的空氣分離，凝結水從各自疏水閥排出，難以被冷凝分解的空氣由排空氣閥排出。

圖3 雙級空氣抽氣器工作示意圖

2 真空度低故障

依據汽輪發電機凝汽系統工作原理，冷凝器真空度下降的表現是其帶負荷工作時，本體真空度不足-0.080 MPa。主要檢查以下方面：①冷卻水量不足或水溫過高；②冷凝水管臟堵；③冷凝器外接管路、法蘭或閥門泄漏；④汽輪發電機軸頸汽封平衡箱蒸汽壓力不足，無法形成汽輪發電機外露軸頸汽封裝置的密封；⑤汽輪發電機軸頸汽封抽氣器工作不正常；⑥空氣抽氣器工作蒸汽壓力不足；⑦冷凝器空氣抽氣器冷卻水量不足等。出現汽輪發電機工作過程中真空度下降情況，就需要降低汽輪發電機負荷輸出，至真空度不降為止，同時檢查冷凝器連接各管路閥門的開關情況、冷凝器喉部溫度、凝水水位、冷凝器冷卻水泵的工作壓力及狀態、汽輪發電機軸頸汽封平衡箱與空氣抽氣器工作蒸汽壓力及其冷卻水溫度等實際情況，對有異常變動的裝置和參數進行合理調整，如確定無法恢復正常，將汽輪發電機脫開負荷，停機修理存在的故障。

此次故障現象為機組啟動后，未帶負荷時真空度最高只達到-0.086 MPa，并且隨著汽輪發電機拖帶負荷增加，真空度逐漸下降，冷凝器水位不穩，喉部溫度最高升至64 ℃，調整冷凝器外部補水、排水等措施，希望通過維持冷凝水水位來達到穩定的平衡狀態，但沒有起到恢復真空度的作用。

2.1 檢修順序及問題排除

1)檢查汽輪發電機軸頸汽封平衡、汽封抽氣系統。查出汽封平衡箱工作蒸汽減壓閥卡滯，導致蒸汽壓力不穩，進行修復。

2)檢查冷凝器冷卻水泵工作狀態。海水冷卻水泵吸入端真空值顯示存在微小的真空度，鑒于該泵位于水線下，懷疑海底閥箱格柵有堵塞，通過潛水員摸查，消除堵塞隱患。

3)檢查冷凝器凝水泵。該泵軸密封填料裝填過緊，有燒蝕軸套的現象，且此處與泵吸入口相通，同時接駁冷凝器，有漏入空氣的隱患。采用更換新填料，調整預緊程度，維持泵軸有向外輕微漏水狀態，以此產生水封作用，阻擋泵軸旋轉的空隙將空氣吸入。

4)檢查冷凝器空氣抽氣器。疏通噴嘴、擴壓管的流道，同時檢查一級、二級間凝水疏水管道的順暢狀態，檢查2個疏水閥的關閉密性，檢查2個新工作蒸汽閥的開啟狀態。檢查2個新工作蒸汽閥時，發現供汽閥箱未設置疏排水措施，導致空氣抽氣器的蒸汽含水量多，一級、二級抽氣噴嘴內噴孔均有汽蝕、破損跡象，由于2組噴嘴在抽氣過程中仍可以維持真空度-0.086 MPa，暫時決定先不拆換噴嘴。

5)檢查冷凝器蒸汽凝聚腔安全閥，該閥作用是防止汽輪發電機排入冷凝器汽腔蒸汽壓力超過設定壓力(0.10～0.15 MPa)，超過設定壓力的蒸汽可通過撐開閥芯壓緊彈簧，打開該閥芯的密封，系統排出蒸汽降壓，保護冷凝器腔體安全，但如出現漏氣則可導致冷凝器真空下降。采取對該閥的閥芯閥座密封面研磨、水壓密性試驗并調整起跳壓力至0.20 MPa。

6)檢查冷凝器與汽輪發電機排汽膨脹連接短管法蘭安裝密性。在停機狀態給冷凝器本體泵風(用0.02 MPa壓縮空氣往整個蒸汽流通空間加壓，通過檢查空氣泄漏情況進行排故檢查)，用肥皂水鼓氣泡來試漏，排除漏入空氣的故障點，同時排查冷凝器對外接口管路、閥門的漏氣狀況。

7)檢查冷凝器水位計。排除因外接口漏氣，真空度下降的現象；疏通導水孔，排除產生虛假水位的問題。

8)檢查冷凝器冷卻水排出狀況。排除出口閥因開度不足而影響冷凝效果的現象。

2.2 存在問題分析

1)經過篩查，冷凝器喉部溫度在汽輪機組運行、空氣抽氣器介入抽真空后，由室溫30 ℃左右逐漸上升，此時調整凝水輸入、輸出相應水位以及調整冷卻水泵進排水量等措施，均不能降低冷凝器喉部溫度，懷疑喉部溫度升高是導致冷凝器真空度下降的主要原因。

2)空氣抽氣器新工作蒸汽供汽閥箱未設置疏水管路，導致空氣抽氣器的前期工作蒸汽含水量多，影響空氣抽氣器的抽氣容積效應，而且較高壓力蒸汽中的水霧珠對噴嘴、擴壓管的流道內壁沖擊汽蝕加大，沖蝕磨損導流噴射錐，使其射流抽氣的能力進一步降低。而且含水量多的蒸汽經過冷凝后凝結水量增多，容易使抽氣器疏排水管路疏排不順暢，造成抽排氣一級轉二級之間空間疏排阻礙，影響抽氣效果。從空氣抽氣器二級噴嘴的抽氣效果來看，可以起到抽氣的作用，但是噴嘴能力發揮不足，汽輪機未帶功率狀態下的真空度只下降到-0.086 MPa，也是冷凝器真空度下降，且不能維持汽輪發電機提升功率要求的原因。

3)在冷凝器喉部溫度升高到64 ℃之前，核查工作中的空氣抽氣器與連接冷凝器抽氣閥，感覺由冷凝器端進閥和出閥兩側連接管外表溫度的變化有異常，是抽氣器一側先熱起來，并逐漸通過抽氣閥傳輸到冷凝器進閥一側，由溫度的疏導方向來分析，這是不正常的現象。正常情況下，如果抽氣管內的氣體從冷凝器進閥一側流通過來，再被空氣抽氣器吸出，即使抽氣器混合室連接管端初期有部分溫度散發出來，但隨著較低溫度的空氣由冷凝器抽出并流動過來，抽氣閥出口這一側管壁手感應該是會由熱逐漸變涼至不燙手。現在出現溫度反常倒流，說明空氣抽氣器在喉部溫度升高后存在抽不出空氣的問題，基本可以確認這是冷凝器喉部溫度高、真空度下降的重要原因。

2.3 故障排除及驗證

1)經過對凝水、冷卻水進排管路進行一系列的調整，未解決喉部溫度高的問題，確定了冷凝器冷卻能力不是真空度下降的原因。

2)給空氣抽氣器新工作蒸汽閥箱增設疏水管閥，因汽輪發電機所處的機艙沒有凝水收集艙，需要另設管道才能連通到主機艙的凝水艙進行回收，且改造工作量太大，因此該閥箱的疏水只好設置成直接排至本機艙底，經過改造，可以充分改善空氣抽氣器工作蒸汽的質量，提高抽氣的效率。但未解決冷凝器喉部溫度高的問題，因此也不是導致冷凝器喉部溫度高、真空度低問題的主要原因。

3)將空氣抽氣器的一級、二級噴嘴及座體整個拆下，分解噴嘴與座體，在取出一級噴嘴后，發現噴嘴與座體連接螺紋體被汽蝕穿透，形成一個導氣流道，本來應全部進入噴嘴噴射錐汽腔的蒸汽，有一部分近250 ℃的工作蒸汽從噴嘴與座體螺紋體的氣道泄漏射出，偏離擴散管口，不參與抽氣工作，噴嘴連接螺紋貫穿故障示意圖見圖4。該蒸汽流斜向噴入混合汽腔吸入口，在此處建立起高壓區，此處的高壓蒸汽既阻礙了空氣從冷凝器經過抽氣閥抽吸過來，同時由于冷凝器已初步建立了真空度，泄漏工作蒸汽壓力高于冷凝器的真空壓力，蒸汽往壓力低的冷凝器喉部流動，順著抽氣連接管、閥倒沖回到冷凝器喉部，提升了冷凝器的汽輪發電機工作廢蒸汽原冷凝器喉部溫度，阻礙空氣抽出，也降低冷凝器對工作廢蒸汽的冷凝效果，冷凝器凝水效果變差，并產生凝水水位調節失效故障現象。在反沖蒸汽進入冷凝器，使喉部溫度升高后，冷凝器真空度維持能力持續下降。更換掉損壞的噴嘴及噴嘴座2組零件后，空氣抽氣器功能恢復正常，真空度低的故障排除，同時冷凝器水位問題也得到排除。證實了空氣抽氣器噴嘴螺紋穿孔、蒸汽倒灌冷凝器，是導致汽輪發電機真空度低故障的主要原因。

圖4 噴嘴連接螺紋貫穿故障示意圖

3 結束語

1)空氣抽氣器工作蒸汽含水量多的問題是導致噴嘴與座體螺紋體汽蝕的主要原因，進而產生冷凝器真空度低故障。根本原因是原蒸汽供汽管路系統暖通管功能不完整，存在缺陷。對連接鍋爐蒸汽輸出與空氣抽氣器工作噴嘴之間的新蒸汽閥箱采取的加裝疏水管、疏水閥措施，是符合船舶管系蒸汽管道輸送暖通管相關規范要求的。

2)與操作者溝通，做好技術交底，按照正確的操作條例啟動汽輪發電機。空氣抽氣器噴嘴新蒸汽開通之前，要先排凈閥箱積水，至符合要求后，再關閉閥箱疏水閥，順序打開通往空氣抽氣器的一級、二級蒸汽閥，使空氣抽氣器投入工作。該措施能保證抽氣器工作狀態維持穩定，并且使空氣抽氣器噴嘴、擴散管的工作損耗符合設備可靠性的要求。