300MW汽輪機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：軸封系統是汽輪機的重要子系統，直接影響機組的安全性和經濟性。某電廠300MW機組在完成切缸改造工作后，汽輪機軸封加熱器水位產生了持續波動且逐漸惡化，導致軸封加熱器頻繁推出運行狀態。通過制訂不同的試驗方案逐步排除了各部位的漏汽問題或切缸引發的副作用，并發現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組的類似問題有一定的借鑒意義。

關鍵詞：300MW汽輪機組 軸封系統 軸封加熱器 水位波動 低壓缸切除

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：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

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

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

1? 設備簡介

軸封系統主要設備包括軸封加熱器、軸加風機等，其作用是通過負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致凝汽器真空降低。當汽輪機處于啟動狀態和低負荷運行時，汽輪機各汽缸內壓力都低于外部環境下的大氣壓力，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入汽缸，另一部分進入另一側的“Y”腔室。“Y”腔室在軸封冷卻器的作用下，通過負壓將“Y”腔室內的蒸汽與空氣的混和物通過軸封管道引入軸封冷卻器內。對于高中壓合缸的各汽封來說，約在15%負荷時變成自密封。此時，蒸汽沿“X”腔室、汽封系統聯箱流至低壓汽封。

1.1 軸封加熱器

“Y”腔室是汽封體漏汽區，其中必須維持壓力稍低于大氣壓力，通常為686.5Pa的負壓。如果系統工作正常，允許達到498.2～746.3Pa的負壓。凝結水進入軸封冷凝器的前水室，在軸封冷凝器內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入凝汽區，漏汽流過管子外壁而凝結，所形成的凝結水通過殼體疏水口排出。

本文軸封加熱器的設計工作溫度、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行回收，同時防止空氣進入凝汽器進而破壞真空的裝置。某汽輪機軸封加熱器水封采用的是單級水封，水封高度設計值為11m，水封筒埋地安裝，埋地深度超過15m。當U型管兩側液面高度差所產生的壓力差與作用于液面的壓力差形成平衡時，水封達到平衡狀態，疏水通過溢流的方式進入凝汽器。

2? 異常描述

在機組運行的過程中發現，#2機組軸封加熱器會出現疏水水位波動的現象，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警值550mm，導致軸加水側撤出，需要運行人員手動重新投入水側。現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。機組軸封系統運行平穩，凝汽器壓力未出現較大的波動。

根據現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汽量增大、軸加水管泄漏、疏水管路堵塞等。#2機組上次開缸檢修至今已運行3年時間，可能存在軸封磨損的情況，導致軸封漏汽量增大。與純凝工況相比，#2機組中、低壓供熱投入后，汽輪機高、中壓缸各級壓力明顯升高，導致軸加漏氣量增加。自2021年2月20日#2機組啟動后，軸加水位一直運行平穩。2月22日21時#2機低壓供熱流量第一次達到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致疏水量變大，當泄漏量不大時，可能會出現水位波動但未達到滿水的程度，但疏水管路堵塞嚴重時也會導致軸加疏水不暢。

3? 軸加水位波動原因分析及措施

3.1 水位波動現象

自2016年起，1號機組的軸封加熱器發生間歇性水位波動現象，軸封正常液位為185mm，發生波動現象時最高液位可達450mm以上，甚至發生軸加滿水現象，需要撤出軸加運行。2019年，軸加水位波動現象進一步加劇，轉變為持續波動，并時不時需要撤出軸加運行，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，對其進行相關檢查及分析，具體內容如下。

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

（2）就地檢查軸加汽測負壓正常，凝汽器負壓正常，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象。

（3）檢查軸加換熱管道，未發現管道泄漏現象，檢查汽測疏水管道未發現堵塞現象。

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

（5）多次對軸加U型管進行注水，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象，基本排除U型管水封被破壞產生氣阻的可能。

通過對現場的一系列檢查，未發現軸封加熱器和U型水封存在的缺陷或者泄漏等問題，基本排除硬件設施問題。

該電廠自2016年進行中壓供熱改造，將再熱蒸汽通過減溫裝置后對外進行供熱，設計容量150t/h。另外，中、低壓連通管也進行了相應的改造，通過減少低壓缸進汽的方式，從中壓缸排汽處抽汽，對外供熱，設計流量410t/h。設備供熱的改造導致，中壓缸排汽壓力抬升，軸封漏氣量相應增加，導致進入軸加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行核算，取冬季凝汽器最高真空工況計算，考慮疏水在上升段汽化對密度的影響，并在正壓側維持至少1m左右的水柱高度。表2和表3分別為水封高度計算的初始參數。

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、出口壓力，單位為Pa;n為多級水封中的水封級數;γ為水的重度，取值1×104N/m3;0.5～1為富裕度（可忽略）。

該機組軸封系統級數為1級，軸封汽測維持負壓-6.5kPa，凝汽器真空維持-98kPa，取富裕度為1m，計算得水封高度為10.15m，與水封設計高度11m基本吻合。

但是在查閱現場軸封冷卻器U型水封管的設計圖以及現場實際測量發現，水封管實際埋地有效高度為15m，疏水管進入凝汽器的標高為3m，實際的有效水封高度為18m，遠遠超過了設計值。

3.4 措施

依據水封高度的計算結果，重新設計U型水封，將水封高度降至15m以下，以確保軸加疏水順暢。1號機組改造后，軸加水位波動問題徹底解決。

4? 結語

通過對某電廠300MW軸封加熱器水位波動問題的分析，并據此制定了相應的整改措施，即重新設計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軸加問題的處置過程具有借鑒意義。

參考文獻

[1] 郭春暉，趙培山，宋益純.汽輪機低壓軸封系統存在問題分析及改進措施[J].吉林電力，2020，48（4）：49-50，56.

[2] 馮少山.300MW機組汽輪機及其輔助系統節能診斷[D].廣州：華南理工大學，2017.

[3] 胡昕.淺談高背壓式汽輪機軸封系統優化設計[J].中國設備工程，2021（9）：112-113.

[4] 葉惠玲.鄂州電廠一期300MW機組通流改造技術研究[D].武漢：湖北工業大學，2019.

[5] 李元勝，李嘉輝，陳勇.汽輪機軸封加熱器爆管原因分析與治理[J].機械，2016，43（3）：70-74.

[6] 張勝利.軸封加熱器改造消除汽輪機油中帶水[J].煤炭與化工，2016，39（5）：95-96，99.

[7] 寧珂.機組正常運行時軸加疏水水封失去原因分析[J].科技創新導報，2016，13（8）：71-72.

[8] 張海豐，林茂盛，黃洋，等.超臨界660MW汽輪機軸封疏水不暢問題的處理[J].設備管理與維修，2019（7）：92-93.

[9] 芮君.汽輪機潤滑油系統進水事故原因分析及措施建議[J].科技經濟導刊，2017（31）：49.

[10] 胡昕.淺談高背壓式汽輪機軸封系統優化設計[J].中國設備工程，2021（9）：112-113.

[11] 熊倩，鄧成剛，孫張偉.軸封加熱器U型水封運行影響因素的分析探討[J].南方能源建設，2020，7（S2）：101-106.

[12] 靖長財.1000MW機組軸封加熱器水位控制的方案分析及建議[J].電站輔機，2017，38（2）：39-40，47.