電廠汽輪機軸端汽封漏汽在線處理方案的探討

華能國際電力股份有限公司上安電廠 李寒冰 馮玉朝 趙 虎

電廠汽輪機（以下簡稱“汽輪機”）作為火力發電廠中的三大主要設備之一，其安全穩定運行與否，就決定了發電廠能否長期穩定的運營。如果，在日常運行中汽輪機發生重大缺陷（或故障），不僅會影響汽輪發電機組安全、高效、穩定地運行，還會對火力發電廠造成不同程度的經濟損失[1]。因此，電廠汽輪機的檢修及維護就顯得格外重要，高質量的檢修與可靠的維護就保證了汽輪機在其有限的“職業生涯”中，降低了汽輪機非故障停機率，提高了汽輪機的工作效率。

1 背景

汽輪機在實際運行過程中，不可避免的發生一些或大或小的缺陷（或故障），那么，對于這些缺陷（或故障）如何有效的處理就變得尤為重要。對于汽輪機而言，其所發生缺陷的處理方式主要有以下兩種形式：計劃檢修（以下簡稱“大修”）與日常維護（以下簡稱“維護”）。這里所說的大修，就是大家通常所說的汽輪機本體檢修，其包含高中壓缸及低壓缸揭缸檢修、軸瓦及密封瓦檢修、轉子檢修、隔板檢修等；而維護，就是說在兩個大修周期之間，及正常運行期間，進行的一些消除缺陷或減弱缺陷影響程度的日常工作。

由于汽輪機自身的特點及其工作特性，其大修周期之間的時間跨度是比較漫長的。以600MW汽輪發電機組為例[1]，其600MW汽輪機的設計大修周期一般為8年（而進口機組一般為10年），這也就是說，在這8年（或10年）的時間跨度內，是不具備條件進行汽輪機大修的，那么，這也勢必造成了一系列問題，如在汽輪機運行期間，并且距離下次汽輪機大修還有較長時間，汽輪機所發生缺陷（或故障）該如何處理，是否等到大修時在進行處理，或者臨時對汽輪機進行大修，顯然不切實際，也是絕不允許的，汽輪機大修需要消耗較大的人力、物力、財力，那這就需要工作人員在汽輪機日常運行期間進行維護，正是通過工作人員的維護，用以消除缺陷，或者可以說延緩缺陷的發展速度，來達到汽輪發電機組長期安全穩定運行的要求，從而確保火力發電廠能夠長期安全穩定的運營。這也就體現出了汽輪機維護的重要性。

2 常見缺陷介紹

汽輪機在日常運行過程中發生的缺陷（或故障）有很多種，按照其發生缺陷的種類可分為以下三大類：異音、泄（滲）漏、關鍵參數超標。

下文對這三類缺陷的主要表現形式進行介紹。

2.1 異音

汽輪機的異音有很多，較為常見的低壓缸內異音、軸封異音及前箱異音。低壓缸內異音來源主要是低壓缸內動靜摩擦的聲音，而動靜摩擦多發生在隔板軸封汽封齒與轉子、葉輪外櫞與隔板葉頂汽封齒之間的摩擦，這種異音多發生在汽輪機大修后，開機過程中，其多為汽輪機暖機不充分造成的，在經過充分暖機后，此類異音可自行消除，軸封異音也多為此種現象。

低壓缸內異音的另外一種來源是由于低壓內缸隔熱板焊點（或鉚釘）松脫，造成隔熱板受到內外缸之間汽流的影響，而產生的聲音，這種異音多會隨著發電機組負荷的增加，聲音有增大的趨勢，并且此種異音不會自行消除。

2.2 泄（滲）漏

常見的汽輪機的泄漏可概括為兩種：一種是漏油（內漏與外漏），另一種是漏汽。漏油多發生在油擋、密封瓦等位置；而漏汽多為軸封漏汽。

油擋漏油的程度多為輕微滲油，油擋漏油是由于機組常年運行，轉子與油擋齒相互摩擦，間隙逐漸超標而造成的，此類缺陷一般在汽輪機大修時更換油擋齒來解決。密封瓦漏油多為內漏（輕微），一般通過發電機油探測器報警來提前發現，也就是人們通常所說的發電機進油，此類缺陷多通過調整氫油差壓來緩解甚至消除發電機進油的現象。

漏汽常見的多為軸封漏汽，包含高、中壓缸軸封漏汽及低壓缸軸封漏汽兩種。軸封漏汽多為軸封進排汽匹配不均，與軸封間隙超標造成的，前一種可以通過調整進排汽閥門的大小來解決，而后一種就需要大修時更換汽封圈或者重新調整汽封間隙來解決。

2.3 關鍵參數超標

本文對關鍵參數超標主要介紹兩種：一種是軸瓦振動超標，另一種是軸瓦瓦溫超標。

軸瓦振動超標產生的原因比較復雜，一般是由于轉子質量不平衡、軸系中心不正、油膜自激振蕩、汽流激振、轉子彎曲等因素造成的[2]。軸瓦瓦溫超標產生的原因多伴隨著軸瓦振動同時發生，在這里就不再贅述。

汽輪機發生的缺陷往往都不是單一存在的，時常是相互伴隨而發生，如軸瓦振動超標多伴隨著軸封異音而發生，反過來動靜部件的摩擦，又會造成軸瓦振動超標現象的存在。再例如，軸封漏汽缺陷發生的同時，伴隨著軸瓦潤滑油油質含水量超標，也是一種連鎖反應。

3 軸封漏汽的原因及危害

常見的軸封漏汽的位置多發生在低壓缸軸封的位置上。高壓缸后軸封與中壓缸后軸封因為其工作位置的關系，較少的發生軸封漏汽的現象。而低壓缸軸封工作的位置一側是大氣，另一側就是低壓內外缸之間的真空環境，并且在大修過程中，低壓缸軸封間隙的調整標準要低于高中壓缸，隨著機組運行時間的延長，轉子與軸封汽封齒之間的摩擦，或者是軸封汽封圈回彈效果變差，就造成了軸封漏汽的不斷擴大。

下文通過分析軸封漏汽產生的原因及其造成的危害，來討論在汽輪機運行中采用的一種消缺方案，用以解決因軸封漏汽而引發的一些連鎖反應，如主機潤滑油中含水超標的問題，為發電機組的長周期穩定運行提供一些保障。

3.1 產生的原因[3]

3.1.1 汽封間隙調整不合格

汽封間隙包括汽封塊退讓間隙、汽封塊膨脹間隙、汽封齒與轉子之間的徑向間隙等數據，其在汽輪機檢修規程中標準要求較高。在大修調整汽封間隙時，因某種原因造成的汽封塊退讓間隙調整不合格，或膨脹間隙調整不合格造成汽封塊膨脹后卡死，而引起的汽封塊無法回彈，這使得汽封齒與轉子之間的徑向間隙超標，而起不到密封的作用，以及兩汽封塊橫斷面間隙超標等，就會造成在運行中蒸汽沿兩塊汽封塊之間的縫隙流動而產生軸封漏汽的現象。

3.1.2 動靜碰磨

汽輪機在啟動過程中，如果暖機不充分，勢必會造成汽封圈膨脹與轉子膨脹不匹配，當進行汽輪機沖車的過程中，就會發生轉子與汽封齒碰磨的現象，隨著摩擦時間的延長，輕者將汽封齒尖銳部位磨平，造成汽封間隙超標，就會引發運行階段的漏汽或漏真空。嚴重者由于摩擦部位接觸面積過大，引起軸瓦振動超標，造成機組無法啟動。

3.1.3 汽封塊活動失效

隨著汽輪機運行時間的延長，由于汽封塊長期處在高溫、高濕的工作環境中，隨著時間的推移，汽封塊表面氧化皮的厚度不斷增加，使得原本調整好的汽封塊退讓間隙變小，引起的汽封圈活動受限；或者汽封塊彈簧失效（或斷裂），造成汽封塊活動失效而卡死，在轉子高速旋轉過程中，汽封圈無法與轉子良好的配合，汽封齒與轉子之間的間隙超標，從而引發軸封漏汽。

3.1.4 軸封進、排汽量分配不合理

在汽輪機運行過程中，軸封進、排汽量是有一定的要求的，如果進汽量過大，排汽量過小，勢必會造成軸封漏汽（外漏汽）的現象，如果進汽量過小，而排汽量過大，對于低壓缸而言，就會造成漏真空（內漏汽）的現象，不過此兩種漏汽的問題可通過調整進、排汽量閥門開度的大小來調整，直到軸封進、排汽量分配合理為止。

3.2 造成的危害

3.2.1 油中含水超標

在汽輪機的整體結構布局中，軸封的位置與軸承箱的位置之間的距離相對較近（多數情況僅為90～110mm），如果軸封的位置發生向外漏汽的情況，由于軸承箱中是微負壓的環境，那么，軸封漏出的蒸汽，就有一部分會沿著軸流入軸承箱中，在對軸承有一定的加熱作用的同時，會對主機潤滑油中水分的含量增多，俗稱“油中進水”。隨著時間的推移，主機潤滑油油質惡化，乳化程度不斷加重，在縮短了主機潤滑油的使用壽命的同時，嚴重的會導致軸承潤滑度降低，造成軸瓦溫度偏高，更甚者引起軸瓦鎢金燒毀的嚴重事故，直接影響到汽輪機的安全穩定運行。

3.2.2 熱損失增高

汽輪機外部損失包括機械損失及漏汽損失，漏氣損失主要是軸封漏汽損失，隨著軸封漏汽量的增加，軸封損失增加，汽輪機效率降低。與此同時，軸封的汽源多為輔助蒸汽和冷再蒸汽，這些蒸汽的品質相對來說是比較高的，軸封漏汽的增大會造成高溫介質的浪費，汽輪機熱損失增大，造成機組效率下降，對汽輪機的經濟運行造成不小的威脅。

3.2.3 汽輪機真空嚴密性變差

軸封漏汽的形式包含兩種：外漏與內漏。軸封漏汽通常所指軸封外漏，而軸封內漏指的是漏真空。軸封內漏是蒸汽向汽缸內漏汽，如果低壓缸軸封內漏過大，會造成真空嚴密性變差，排汽溫度增高，使得汽輪機經濟性明顯下降；如果是高中壓軸封漏汽，還會使得軸承溫度增高，可能會引起汽輪機軸承振動增大等一系列連鎖反應，嚴重影響汽輪機長周期安全、穩定的運行。

4 軸封漏汽在線處理方案

4.1 軸封系統的工作原理

某廠330MW汽輪機是由東方汽輪機廠生產的，以低壓缸軸封為例，其結構如圖1所示，其汽封形式為梳齒型汽封，每級汽封是由6塊扇形汽封塊組成，每塊汽封塊背面各有一片不銹鋼彈簧片作為緩沖補償，當軸與汽封塊碰磨時，汽封塊自動彈開。由于軸封進、排汽溫度及壓力的不同，汽封圈共分為5級，進汽側汽封圈共分為3級，排汽側汽封圈為1級，進汽側與排汽側有1級汽封圈，也就將其分割成一個進汽腔室和一個排汽腔室，分別與低壓蒸汽管網、軸封加熱器相連。

圖1 330MW汽輪機低壓缸軸封結構圖

汽封供汽進入汽封套的進汽腔室，蒸汽通過汽封圈逐級降壓，分別流向排汽腔室與低壓缸內，排汽腔室與低壓缸內部均為負壓，一部分蒸汽經過排汽腔室排至軸封加熱器，另一部分蒸汽經過低壓缸排至凝汽器，從而實現蒸汽零外漏，以及低壓缸零漏真空。

4.2 方案提出的原因

該330MW汽輪機分別在2017年和2020年先后出現高壓后軸封漏汽和低壓缸后軸封漏汽的故障（該機組分別在2012年與2018年各進行一次大修）。具體表現為汽輪機軸端有明顯的蒸汽泄漏痕跡，用手靠近低壓外缸與軸承室之間能明顯感覺到高溫蒸汽的灼燙，同時泄漏出來的部分高溫蒸汽沿軸的軸線方向流進軸承箱內部，造成主機潤滑油中含水量長期超標。其中，高壓缸后軸封漏汽除出現主機潤滑油中含水超標的問題，在運行一段時間后，1瓦振動隨著時間的推移逐漸增大至報警值，對機組的安全穩定運行造成了嚴重的影響。因此，為了解決軸封漏汽的問題，同時為使以后的同類工作能在問題的初期發展階段就進行干預，特制作了一套加裝在軸封套外部的模擬汽封裝置，以延緩故障的發展速度。

4.3 在線處理方案

由于該機組尚未達到大修年限，為了避免機組運行中發生更嚴重的不可逆的設備損壞及經濟損失，參考汽封系統的工作原理，經分析，在軸封套外部加裝一個模擬“汽封裝置”，該裝置氣源采用更容易得到的壓縮空氣，經過試裝試驗，該裝置能有效的降低軸封漏汽進入軸承箱的進汽量。但是，由于壓縮空氣的溫度基本與室溫相同，甚至更低，相對于軸封位置的軸徑溫度，相差較大，為防止軸徑位置因冷空氣的進入而產生熱應力集中的現象，特對模擬“汽封裝置”進行改進，改進方案就是在壓縮空氣進入圓弧管段前增加一個換熱單元，用于提高壓縮空氣的溫度，來降低壓縮空氣對軸徑的熱應力損傷。改進后的模擬汽封裝置如圖2所示，這個模擬裝置由換熱單元和出氣單元組成，出氣單元即為該模擬裝置的圓弧段。

圖2 改進后的臨時汽封裝置

該模擬汽封裝置的半圓弧出氣單元的開孔位置也進行了一定程度的優化，將開孔的位置選在左斜下方45°（由換熱單元箱出氣單元方向看），使得出氣方向正對汽封塊與軸肩之間的間隙，從而使漏汽量減小，或者改變漏汽流向，從而解決主機潤滑油中含水超標的問題，間接的解決了主機潤滑油乳化程度加重的不利因素。

5 結語

在經過加裝模擬汽封裝置后，主機潤滑油中含水量得到明顯地降低，使其長期在標準水平線（100mg/L）以下，較好地改善了軸承的工作環境，為汽輪機的長期安全穩定的運行創造了良好的條件。