电厂汽轮机轴端汽封漏汽在线处理方案的探讨

2022-07-27华能国际电力股份有限公司上安电厂李寒冰冯玉朝

电力设备管理 2022年12期

华能国际电力股份有限公司上安电厂李寒冰冯玉朝赵虎

电厂汽轮机（以下简称“汽轮机”）作为火力发电厂中的三大主要设备之一，其安全稳定运行与否，就决定了发电厂能否长期稳定的运营。如果，在日常运行中汽轮机发生重大缺陷（或故障），不仅会影响汽轮发电机组安全、高效、稳定地运行，还会对火力发电厂造成不同程度的经济损失[1]。因此，电厂汽轮机的检修及维护就显得格外重要，高质量的检修与可靠的维护就保证了汽轮机在其有限的“职业生涯”中，降低了汽轮机非故障停机率，提高了汽轮机的工作效率。

1 背景

汽轮机在实际运行过程中，不可避免的发生一些或大或小的缺陷（或故障），那么，对于这些缺陷（或故障）如何有效的处理就变得尤为重要。对于汽轮机而言，其所发生缺陷的处理方式主要有以下两种形式：计划检修（以下简称“大修”）与日常维护（以下简称“维护”）。这里所说的大修，就是大家通常所说的汽轮机本体检修，其包含高中压缸及低压缸揭缸检修、轴瓦及密封瓦检修、转子检修、隔板检修等；而维护，就是说在两个大修周期之间，及正常运行期间，进行的一些消除缺陷或减弱缺陷影响程度的日常工作。

由于汽轮机自身的特点及其工作特性，其大修周期之间的时间跨度是比较漫长的。以600MW汽轮发电机组为例[1]，其600MW汽轮机的设计大修周期一般为8年（而进口机组一般为10年），这也就是说，在这8年（或10年）的时间跨度内，是不具备条件进行汽轮机大修的，那么，这也势必造成了一系列问题，如在汽轮机运行期间，并且距离下次汽轮机大修还有较长时间，汽轮机所发生缺陷（或故障）该如何处理，是否等到大修时在进行处理，或者临时对汽轮机进行大修，显然不切实际，也是绝不允许的，汽轮机大修需要消耗较大的人力、物力、财力，那这就需要工作人员在汽轮机日常运行期间进行维护，正是通过工作人员的维护，用以消除缺陷，或者可以说延缓缺陷的发展速度，来达到汽轮发电机组长期安全稳定运行的要求，从而确保火力发电厂能够长期安全稳定的运营。这也就体现出了汽轮机维护的重要性。

2 常见缺陷介绍

汽轮机在日常运行过程中发生的缺陷（或故障）有很多种，按照其发生缺陷的种类可分为以下三大类：异音、泄（渗）漏、关键参数超标。

下文对这三类缺陷的主要表现形式进行介绍。

2.1 异音

汽轮机的异音有很多，较为常见的低压缸内异音、轴封异音及前箱异音。低压缸内异音来源主要是低压缸内动静摩擦的声音，而动静摩擦多发生在隔板轴封汽封齿与转子、叶轮外橼与隔板叶顶汽封齿之间的摩擦，这种异音多发生在汽轮机大修后，开机过程中，其多为汽轮机暖机不充分造成的，在经过充分暖机后，此类异音可自行消除，轴封异音也多为此种现象。

低压缸内异音的另外一种来源是由于低压内缸隔热板焊点（或铆钉）松脱，造成隔热板受到内外缸之间汽流的影响，而产生的声音，这种异音多会随着发电机组负荷的增加，声音有增大的趋势，并且此种异音不会自行消除。

2.2 泄（渗）漏

常见的汽轮机的泄漏可概括为两种：一种是漏油（内漏与外漏），另一种是漏汽。漏油多发生在油挡、密封瓦等位置；而漏汽多为轴封漏汽。

油挡漏油的程度多为轻微渗油，油挡漏油是由于机组常年运行，转子与油挡齿相互摩擦，间隙逐渐超标而造成的，此类缺陷一般在汽轮机大修时更换油挡齿来解决。密封瓦漏油多为内漏（轻微），一般通过发电机油探测器报警来提前发现，也就是人们通常所说的发电机进油，此类缺陷多通过调整氢油差压来缓解甚至消除发电机进油的现象。

漏汽常见的多为轴封漏汽，包含高、中压缸轴封漏汽及低压缸轴封漏汽两种。轴封漏汽多为轴封进排汽匹配不均，与轴封间隙超标造成的，前一种可以通过调整进排汽阀门的大小来解决，而后一种就需要大修时更换汽封圈或者重新调整汽封间隙来解决。

2.3 关键参数超标

本文对关键参数超标主要介绍两种：一种是轴瓦振动超标，另一种是轴瓦瓦温超标。

轴瓦振动超标产生的原因比较复杂，一般是由于转子质量不平衡、轴系中心不正、油膜自激振荡、汽流激振、转子弯曲等因素造成的[2]。轴瓦瓦温超标产生的原因多伴随着轴瓦振动同时发生，在这里就不再赘述。

汽轮机发生的缺陷往往都不是单一存在的，时常是相互伴随而发生，如轴瓦振动超标多伴随着轴封异音而发生，反过来动静部件的摩擦，又会造成轴瓦振动超标现象的存在。再例如，轴封漏汽缺陷发生的同时，伴随着轴瓦润滑油油质含水量超标，也是一种连锁反应。

3 轴封漏汽的原因及危害

常见的轴封漏汽的位置多发生在低压缸轴封的位置上。高压缸后轴封与中压缸后轴封因为其工作位置的关系，较少的发生轴封漏汽的现象。而低压缸轴封工作的位置一侧是大气，另一侧就是低压内外缸之间的真空环境，并且在大修过程中，低压缸轴封间隙的调整标准要低于高中压缸，随着机组运行时间的延长，转子与轴封汽封齿之间的摩擦，或者是轴封汽封圈回弹效果变差，就造成了轴封漏汽的不断扩大。

下文通过分析轴封漏汽产生的原因及其造成的危害，来讨论在汽轮机运行中采用的一种消缺方案，用以解决因轴封漏汽而引发的一些连锁反应，如主机润滑油中含水超标的问题，为发电机组的长周期稳定运行提供一些保障。

3.1 产生的原因[3]

3.1.1 汽封间隙调整不合格

汽封间隙包括汽封块退让间隙、汽封块膨胀间隙、汽封齿与转子之间的径向间隙等数据，其在汽轮机检修规程中标准要求较高。在大修调整汽封间隙时，因某种原因造成的汽封块退让间隙调整不合格，或膨胀间隙调整不合格造成汽封块膨胀后卡死，而引起的汽封块无法回弹，这使得汽封齿与转子之间的径向间隙超标，而起不到密封的作用，以及两汽封块横断面间隙超标等，就会造成在运行中蒸汽沿两块汽封块之间的缝隙流动而产生轴封漏汽的现象。

3.1.2 动静碰磨

汽轮机在启动过程中，如果暖机不充分，势必会造成汽封圈膨胀与转子膨胀不匹配，当进行汽轮机冲车的过程中，就会发生转子与汽封齿碰磨的现象，随着摩擦时间的延长，轻者将汽封齿尖锐部位磨平，造成汽封间隙超标，就会引发运行阶段的漏汽或漏真空。严重者由于摩擦部位接触面积过大，引起轴瓦振动超标，造成机组无法启动。

3.1.3 汽封块活动失效

随着汽轮机运行时间的延长，由于汽封块长期处在高温、高湿的工作环境中，随着时间的推移，汽封块表面氧化皮的厚度不断增加，使得原本调整好的汽封块退让间隙变小，引起的汽封圈活动受限；或者汽封块弹簧失效（或断裂），造成汽封块活动失效而卡死，在转子高速旋转过程中，汽封圈无法与转子良好的配合，汽封齿与转子之间的间隙超标，从而引发轴封漏汽。

3.1.4 轴封进、排汽量分配不合理

在汽轮机运行过程中，轴封进、排汽量是有一定的要求的，如果进汽量过大，排汽量过小，势必会造成轴封漏汽（外漏汽）的现象，如果进汽量过小，而排汽量过大，对于低压缸而言，就会造成漏真空（内漏汽）的现象，不过此两种漏汽的问题可通过调整进、排汽量阀门开度的大小来调整，直到轴封进、排汽量分配合理为止。

3.2 造成的危害

3.2.1 油中含水超标

在汽轮机的整体结构布局中，轴封的位置与轴承箱的位置之间的距离相对较近（多数情况仅为90～110mm），如果轴封的位置发生向外漏汽的情况，由于轴承箱中是微负压的环境，那么，轴封漏出的蒸汽，就有一部分会沿着轴流入轴承箱中，在对轴承有一定的加热作用的同时，会对主机润滑油中水分的含量增多，俗称“油中进水”。随着时间的推移，主机润滑油油质恶化，乳化程度不断加重，在缩短了主机润滑油的使用寿命的同时，严重的会导致轴承润滑度降低，造成轴瓦温度偏高，更甚者引起轴瓦钨金烧毁的严重事故，直接影响到汽轮机的安全稳定运行。

3.2.2 热损失增高

汽轮机外部损失包括机械损失及漏汽损失，漏气损失主要是轴封漏汽损失，随着轴封漏汽量的增加，轴封损失增加，汽轮机效率降低。与此同时，轴封的汽源多为辅助蒸汽和冷再蒸汽，这些蒸汽的品质相对来说是比较高的，轴封漏汽的增大会造成高温介质的浪费，汽轮机热损失增大，造成机组效率下降，对汽轮机的经济运行造成不小的威胁。

3.2.3 汽轮机真空严密性变差

轴封漏汽的形式包含两种：外漏与内漏。轴封漏汽通常所指轴封外漏，而轴封内漏指的是漏真空。轴封内漏是蒸汽向汽缸内漏汽，如果低压缸轴封内漏过大，会造成真空严密性变差，排汽温度增高，使得汽轮机经济性明显下降；如果是高中压轴封漏汽，还会使得轴承温度增高，可能会引起汽轮机轴承振动增大等一系列连锁反应，严重影响汽轮机长周期安全、稳定的运行。

4 轴封漏汽在线处理方案

4.1 轴封系统的工作原理

某厂330MW汽轮机是由东方汽轮机厂生产的，以低压缸轴封为例，其结构如图1所示，其汽封形式为梳齿型汽封，每级汽封是由6块扇形汽封块组成，每块汽封块背面各有一片不锈钢弹簧片作为缓冲补偿，当轴与汽封块碰磨时，汽封块自动弹开。由于轴封进、排汽温度及压力的不同，汽封圈共分为5级，进汽侧汽封圈共分为3级，排汽侧汽封圈为1级，进汽侧与排汽侧有1级汽封圈，也就将其分割成一个进汽腔室和一个排汽腔室，分别与低压蒸汽管网、轴封加热器相连。

图1 330MW汽轮机低压缸轴封结构图

汽封供汽进入汽封套的进汽腔室，蒸汽通过汽封圈逐级降压，分别流向排汽腔室与低压缸内，排汽腔室与低压缸内部均为负压，一部分蒸汽经过排汽腔室排至轴封加热器，另一部分蒸汽经过低压缸排至凝汽器，从而实现蒸汽零外漏，以及低压缸零漏真空。

4.2 方案提出的原因

该330MW汽轮机分别在2017年和2020年先后出现高压后轴封漏汽和低压缸后轴封漏汽的故障（该机组分别在2012年与2018年各进行一次大修）。具体表现为汽轮机轴端有明显的蒸汽泄漏痕迹，用手靠近低压外缸与轴承室之间能明显感觉到高温蒸汽的灼烫，同时泄漏出来的部分高温蒸汽沿轴的轴线方向流进轴承箱内部，造成主机润滑油中含水量长期超标。其中，高压缸后轴封漏汽除出现主机润滑油中含水超标的问题，在运行一段时间后，1瓦振动随着时间的推移逐渐增大至报警值，对机组的安全稳定运行造成了严重的影响。因此，为了解决轴封漏汽的问题，同时为使以后的同类工作能在问题的初期发展阶段就进行干预，特制作了一套加装在轴封套外部的模拟汽封装置，以延缓故障的发展速度。

4.3 在线处理方案

由于该机组尚未达到大修年限，为了避免机组运行中发生更严重的不可逆的设备损坏及经济损失，参考汽封系统的工作原理，经分析，在轴封套外部加装一个模拟“汽封装置”，该装置气源采用更容易得到的压缩空气，经过试装试验，该装置能有效的降低轴封漏汽进入轴承箱的进汽量。但是，由于压缩空气的温度基本与室温相同，甚至更低，相对于轴封位置的轴径温度，相差较大，为防止轴径位置因冷空气的进入而产生热应力集中的现象，特对模拟“汽封装置”进行改进，改进方案就是在压缩空气进入圆弧管段前增加一个换热单元，用于提高压缩空气的温度，来降低压缩空气对轴径的热应力损伤。改进后的模拟汽封装置如图2所示，这个模拟装置由换热单元和出气单元组成，出气单元即为该模拟装置的圆弧段。