2 150 kW背壓式汽輪機節能改造實踐與運用

朱家績，魏林松，田文軍，楊澤友

（云南磷化集團?？诹讟I有限公司，云南昆明650113）

云南磷化集團海口磷業有限公司（以下簡稱?？诹讟I）330 kt/a硫磺制酸裝置于2002年建成投產，裝置的主要動力由2 150 kW汽輪機拖動離心式鼓風機提供。汽輪機投入生產運行近18年時間，在后期汽輪機控制系統運行故障頻繁，隔板汽封間隙增大、前后汽封泄漏嚴重，使得汽輪機的運行能效急劇下降，蒸汽消耗明顯增加，根據統計，汽封泄漏嚴重時蒸汽泄漏量達到6 t/h。為了有效解決存在的問題，海口磷業根據汽輪機的設計參數對汽輪機以及控制系統進行升級改造，并取得了良好的經濟效益。

1 汽輪機簡介

1.1 汽輪機的概述

該機組是沖動背壓式汽輪機，用于驅動風機，汽輪機的排汽用于工業管道保溫。機組采用單汽缸結構，安裝在1個底盤上，汽輪機進汽是通過直接固定于汽缸上的主汽閥進入。調節閥室與汽缸下半部分鑄成一體，調節閥室的法蘭與調節閥相連。機組有2個調節閥，各個閥的閥桿分別與各自的油動機相連。蒸汽從調節流經噴嘴室，噴嘴進入調節級，而后流經各壓力級。調節級采用雙列速度級，其動片設計成堅固的結構，采用的自帶圍帶。葉根采用倒“T”型結構固定。壓力級由4個沖動級組成，各級葉片圍帶都采用鉚接圍帶，若干片1組，全周由若干組組成，各級葉根均采用倒“T”型葉根，末葉片插入鎖口用銷釘鎖緊，機組各組圍帶與鑲于導葉環和隔板上的阻汽片相密封。汽輪機結構示意見圖1。

轉向導葉環，分成上下兩半，均用鍛件制成，下半固定在噴嘴環上，上半和下半在中分面用螺栓固定，這樣即保證中心不變又固定牢靠。

圖1 汽輪機結構示意

各隔板采用堅固的焊接結構。冷軋靜葉片焊接成柵格后與隔板外環和隔板體焊接成一體。隔板在汽缸上的固定采用懸掛銷和底鍵，保證了運行中能自由膨脹又確保對中。

轉子為整鍛轉子結構，通過膜片柔性聯軸器與風機連接。轉子上位于前汽封高壓段部位做成臺階結構，構成平衡活塞，以平衡轉子的部分軸向力。轉子通過2個徑向軸承支承。前軸承為徑向推力聯合軸承，安裝在前軸承座上。前軸承座內裝有液壓控制、保安部套。電轉換器CPC安裝在前軸承座的上面。前軸承座下半和汽缸下半采用法蘭連接。在汽缸下半的前底部與彈性支承連接并固定在總底盤上，后軸承安裝于后軸承座上，后軸承座則通過半圓法蘭與汽缸后部相連接。汽缸后部通過下半兩側的后座架支承在底盤上，汽缸的后端部還通過汽缸支架固定在底盤上，以確保汽缸的徑向位置。通過汽缸的前底彈性支承和后缸兩側的支座、后端部的支架，組成了機組的滑銷系統，保證了機組運行中軸和橫向的自由膨脹又確保中心不變。汽機的軸向線和后架橫向銷的中心線的交點形成了機組的膨脹死點。

汽輪機的汽缸為單缸結構，為了加工方便，分為前后缸，從中心面分成上下兩半并用螺栓連接。下半前部有噴嘴室，前端與軸承座連接，下端有彈性支撐，后缸下半有排汽口，后端部與后軸承座相連。后缸下半的兩側有座架并支承在總底盤上。蒸汽在通流部分做功后由排汽管排入管網，作為工業用汽。

電動盤車裝置安裝在風機的后端，汽輪機動前，必須停用盤車裝置，才能沖轉汽輪。

1.2 汽輪機調節系統概述

進入汽輪機的蒸汽經過主汽閥后，由2個調節閥進行調節。主汽閥由液壓油動機控制，而2個調節閥也分別由各自的油動機控制。調節用油即分配油和潤滑油由電動主油泵供給，電動油泵出口的高壓油，通過濾油器過后分成兩路，一路為分配油與前軸承座相連供調節系統用油；另一路為潤滑油，通過節流閥節流經冷器冷卻后流向各個軸承。

汽輪機的轉速由電子調速器 WOODWARD Peak150控制，2個轉速傳感器MPU將轉速信號輸入調速器，調速器將汽輪機實際轉速和目標值比較求得差值，然后調整其輸出信號(4～20 mA)，電液轉換器CPC的輸出液壓信號(二次油0.1～0.4 Pa)也隨之變化，通過調節閥油動機控制調節閥調整其開度和進汽量，從而使轉速趨向目標值。

汽輪機保護系統必須保持正確的功能，當汽輪機轉速升高至定轉速值的109%～110%時，超速保護裝置動作，將保護裝置中的操作油關閉，引起快閉油突然泄掉，主汽閥立即關閉。

汽輪機轉子的前端部，布置了位移傳感器，當轉子軸向位移發生變化時，使傳感器信號發生變化，這種變化超過允許值時，使電磁閥動作，泄掉速關油和二次油，主汽閥和調節閥立即關閉。

油系統是根據其作用分為潤滑油系統和分配油(調節油)系統。潤滑油系統是供汽輪機、風機各軸承的潤滑油。分配油則提供液壓調節系統和保安系統的用油。為了運行的方便，這兩個系統共用1套油系統。油系統包括油箱、主油泵、備用泵、直流危急油泵、冷油器，濾油器和所連接的油管道組成完整的油站。

2 2 150 kW汽輪機運行能效降低原因分析

2.1 汽輪機缸體出現塑性變形

機組投入運行將近18年，服役時間較長，存在一定程度的老化問題，相關部件磨損較為嚴重。在硫酸裝置大檢修、反復開停車、負荷的增減時產生交變應力作用導致汽輪機缸體結合面出現塑性變形[1]，發生塑性變形存在安全運行風險，而且塑性變形是不可逆的，還會影響汽輪機的整體密封性能，間接增加蒸汽的泄漏。

2.2 隔板汽封、前后端汽封泄漏嚴重

2018年打開汽缸上半部分檢查，隔板汽封間隙在0.6～2.0 mm，間隙較大，主要是機械設備長期運行的正常使用損耗，而且是不可逆的，要徹底解決需要整體更換隔板阻汽片、前后端汽封組件，修復難度大。隔板汽封間隙增加導致各壓力級之間竄汽，嚴重影響汽輪機組的運行能效，造成優質的蒸汽資源浪費。

汽輪機的前后汽封在使用了10年之后，汽封漏汽開始惡化，每次大檢修測汽封間隙a、b測量值在0.5～0.8 mm。前、后汽封局部示意見圖2。

圖2 前、后汽封局部示意

2012年大檢修時更換了汽輪機前后汽封環，汽封間隙a、b測量值在0.4～0.6 mm，仍然不能消除汽封泄漏的問題。據統計，汽封泄漏最嚴重時蒸汽泄漏量達到6 t/h。2016年對汽封結構形式進行改型，由梳齒型改為蜂窩密封，改型投入運行后效果依然不理想，平均蒸汽泄漏量仍有3 t/h左右，未能達到預期的效果。

蒸汽的泄漏不僅增加蒸汽的消耗，降低設備的運行能效，還帶來了噪聲污染。最嚴重的是泄漏的蒸汽流竄到汽輪機的軸承潤滑系統，導致潤滑油水分超標、潤滑油乳化變質。在秋冬季節尤為突出，潤滑油中w(H2O)高時達到1.2%，必須通過定期置換潤滑油來保證汽輪機的安全運行，嚴重影響汽輪機組的穩定運行。

預應力錨桿支護是我國煤礦巷道目前最為經濟、有效的主動支護方式[1]，錨固劑-圍巖界面作為錨固系統相對薄弱、容易滑移脫黏部位[2]，在錨固段承受張拉載荷條件下，當界面剪應力值超過界面抗剪強度而發生滑移脫黏失效時，造成錨固支護效果降低甚至誘發安全事故發生。為此，研究并掌握圍巖-錨固劑界面剪應力分布規律，對采取有效的工程防范措施，保證煤礦安全生產具有重要意義。

2015年大修期間，汽輪機增設了1臺汽封漏氣冷卻器，對汽輪機前后兩端汽封泄漏的蒸汽分開進行收集，潤滑油質的含水量得到了一定的改善。

3 汽輪機運行故障頻繁原因分析

汽輪機組的調節用油和潤滑油由電動離心油泵供給，電動離心油泵出口的高壓油，通過濾油器后分成兩路：一路為分配油供調節系統用油；另一路為潤滑油，通過節流閥節流供給汽輪機、風機軸承。在安全生產過程中經常需要調節潤滑油和分配油的壓力，在調節過程中操作困難，容易引起汽輪機組停機，另外，離心油泵的運行穩定性相對較差，隨著使用年限的增加故障率逐漸上升，檢維修頻繁。

因汽輪機汽封泄漏導致潤滑油水分超標、乳化變質，容易出現汽輪機、風機軸瓦溫度偏高，造成軸瓦的損壞；汽封泄漏的蒸汽改變了汽輪機前后軸承座周圍的溫度，影響測振點測量精準度，極易出現儀表測量值超標引起機組停機。

汽輪機的調節、監測控制采用PLC系統，因系統版本較低，基本不能實現在線數據刷新，系統的數據冗余、抗干擾能力存在不足，平均每年有2次因為PLC系統引起機組停機。

4 解決措施

4.1 采用新的技術重新設計制造汽輪機

汽輪機技術參數見表1。

表1 在用汽輪機技術參數

根據汽輪機的設備參數以及運行存在的問題，與廣州某公司合作，采用新的設計平臺、新的技術重新設計制造。新汽輪機本體采用多級迷宮式汽封密封，前汽封分成3個汽封段室，后汽封有2個汽封段室。汽封從內到外排列，各段的汽封環均裝在前汽封體上。前汽封第 I 段汽室蒸汽直接引至背壓排汽；前汽封第 II 段室的蒸汽與后汽封第 I 段室相連通，合并后引送到汽封冷凝器；前汽封第 III 段室的蒸汽與后汽封第 I 段室的漏氣直接排到漏汽冷凝器。對汽封漏氣實現分級回收，有效防止蒸汽進入前、后軸承座以及廠房內[2]。優化汽輪機運行效率，提升系統運行的安全性。

4.2 對汽輪機的潤滑系統進行優化改造

將電動離心式油泵改型為螺桿泵，油壓、流量控制穩定。同時，調節油/控制油、潤滑油分別采用單獨的油泵供油，改造前后的供油工藝流程見圖3。

改造后有效降低了油壓調節操作互相影響的風險。改造投入運行，油泵故障率明顯降低，汽輪機組的穩定運行性能大幅提升。

4.3 對汽輪機的控制系統進行升級改造

圖3 改造前后的供油工藝流程

將機組調速控制器由WOODWARD PK150升級為WOODWARD PK200，汽輪機控制系統由PLC改為DCS集散控制系統。采用數字電液調節系統，在數據模擬量的處理功能上，控制系統的網絡傳輸，數據冗余上得到了大幅提升。DCS系統具有良好的可擴展性，能夠讓系統可以靈活的增加新的節點，還會讓系統處于一種比較輕的通信負荷狀態，具備良好的在線網絡重構功能，這樣可以有效提升系統的實時性和可靠性[3]，有效提升了汽輪機機組的運行控制能力。

5 結語

在實施改造投運后，裝置72 h考核數據顯示，前、后汽封平均蒸汽泄漏量為0.45 t/h，蒸汽消耗由25.06 t/h降到20.84 t/h，節約蒸汽達到4.22 t/h，給企業帶來良好的經濟效益。