抽改背機組軸封系統的改造

屠 虹

（南京汽輪電機集團有限責任公司，南京 210000）

1 機組概況

本機組為河南省某50 MW 高溫高壓抽凝式汽輪機，于1996 年底正式投入運行。因供熱需要，該機組在2007 年進行了一次技術改造，增加了一級非調整抽汽，實現了熱電聯產、節能環保，提高了經濟效益。

2020 年，我國積極推進節能減排，要求高效利用資源，控制溫室氣體排放?？紤]到抽凝式汽輪機存在冷端損失，且本機組已經運行多年，整機效率下降，因此電廠決定采用將抽汽機改造為背壓機（以下簡稱抽改背）的方式對機組進行改造。

目前，常用的抽改背方法是利用機組現有抽汽口作為排汽口，在缸內增加封堵和汽封。這種方式可以實現不換新機、不動基礎，投入較少，而且因為采用背壓機的形式，既實現了熱電聯產，又降低了發電煤耗。

在抽改背的過程中，需要考慮通流部分的整體效率以及排汽封堵裝置的結構對軸封密封性能等的優化。除此之外，在機組的設計改造過程中，軸封系統同樣需要合理改造，以避免在改造實施過程中的反復修改，防止運行過程中出現軸端漏汽導致的機組效率下降。

2 抽凝式汽輪機和背壓式汽輪機軸封系統的區別

軸封蒸汽系統的主要功能是向汽輪機的軸封和主汽閥、調節閥的閥桿汽封提供密封蒸汽，同時將各汽封的漏汽合理導向或抽出，使最外端的軸端汽流和閥桿端的汽流不會漏到空氣中造成損失，防止軸端汽流沿軸向進入軸承箱，造成油的質量變壞[1]。

常規抽凝式汽輪機組的熱力系統中會設有多道回熱系統，在設計軸封系統時，豐富的回熱管路可以讓軸封系統的布置有更多的選擇空間。合理分布各路軸封漏汽，有利于調整軸向推力，也有利于高壓端軸封漏汽的回收和利用，降低損失。同時，可使軸封各段之間的壓差較小，減少各級間的漏汽量，有利于密封性能的實現。由于冷凝器的存在，機組擁有高真空的低壓源，使機組的排汽缸一直處于負壓狀態，低壓端軸封結構相對簡單，使得抽凝式汽輪機相對容易實現軸端出口處的負壓腔室。本機組原抽凝式汽輪機軸封系統的各級漏汽結構如圖1 所示。

圖1 改造前軸封系統示意圖

背壓式汽輪機因機組的通流級數相對較少，一般不設置復雜的回熱系統，導致軸封系統走向可以選擇的空間有限。而且背壓機組的排汽壓較高，不存在低壓的回熱系統，使機組高壓軸封端和低壓軸封端的內外壓差較大。為滿足密封要求，背壓式汽輪機的高壓軸端、低壓軸端結構上需要更多的密封齒，同時軸封系統的負荷相對也比較大，需要配備擁有更強換熱能力的抽汽器[2]。本機組改造后的軸封系統的各級漏汽結構如圖2 所示。

圖2 改造后軸封系統示意圖

對比改造前和改造后兩套軸封系統，主要區別有以下3 點。第一，抽凝式汽輪機高壓軸封端有5 擋，每檔間的壓差相對平均，而背壓式汽輪機高壓軸封端僅能設置4 擋。第二，抽凝式汽輪機低壓端僅需設置2 擋，背壓式汽輪機低壓端卻需設置3 擋漏汽，才能滿足各擋間的漏汽壓差要求。第三，抽凝式汽輪機次末端軸封設置有均壓箱，而背壓式汽輪機次末端軸封設置的是正壓軸封加熱器。這是因為背壓式汽輪機沒有冷凝器，均壓箱無法實現功能。

3 背壓式汽輪機軸封系統設計

改造后的背壓式汽輪機設有三路回熱和一路排汽，三路回熱分別為兩路高壓加熱器和一路去高壓除氧器。

3.1 高壓端軸封系統

高壓端第1 段漏汽設計為漏汽去2 號高壓加熱器，與原系統相同，可以考慮利用原管路。同時，如果接往1 號高壓加熱器，壓力增高，則轉子上此處軸封端面會產生更大正向的軸向推力，超出原推力軸承可承受的范圍，不利于機組的安全穩定運行。

高壓端第2 段漏汽設計接往高壓除氧器，回熱去高壓除氧器的管路在汽缸上的引出口與排汽口是同一個位置，即在排汽管路上單獨引出一路蒸汽，經過減壓后接往高壓除氧器[3]。

高壓端第3 段漏汽因已沒有可以連接的汽源位置，所以選擇封堵。在實際操作時，最終選擇與第4段的管路合并。

高壓端第2 段和第3 段漏汽設計時沒有選擇分別接往排汽管路和高壓除氧器，這是因為從抽汽到2 號高壓加熱器到排汽接口的壓差較小，漏汽的流量少，增加這一路的軸封漏汽，反而增加系統管路的布置難度和成本。

高壓端軸封第四段漏汽接往正壓軸封加熱器，其原理同低壓加熱器的換熱器。正壓軸封加熱器替代抽凝式汽輪機的軸封系統中均壓箱的作用，相對于未設置正壓軸封加熱器的機組，能夠大幅度減小漏往軸封加熱器的蒸汽流量，避免軸封加熱器工作異常，無法滿足軸端的密封要求。

高壓端軸封末端漏汽接往常規的軸封加熱器，通過軸封加熱器上的風機抽取，使軸封加熱器保持在一個微負壓的狀態，將從汽輪機軸封漏出的蒸汽和從軸端漏入的空氣一起吸入，既防止蒸汽從軸端泄漏，又防止某些工況下，空氣被從軸端吸入冷卻轉子。

3.2 低壓端軸封系統

低壓端軸封結構為新設計，為滿足密封的需要，設有4 段軸封結構，3 段軸封漏汽。

低壓端軸封第1 段漏汽接往高壓除氧器。這是新增加的一路軸封，是原抽凝式汽輪機軸封系統沒有的。增加這路軸封的原因與高壓端軸封第2 段相同，都是為滿足密封需要。

低壓端軸封第2 段漏汽接往正壓軸封加熱器，防止因高壓除氧器到軸封加熱器的壓差過大，無法實現密封。

低壓端軸封第3 段漏汽接往常規的軸封加熱器，將低壓端轉子軸端漏入的空氣和從軸封間隙漏出的蒸汽一起吸入軸封加熱器。

3.3 漏汽數據計算

制定漏汽方案后，按常規軸封間隙尺寸計算各級漏汽數據，如表1 所示。

表1 軸封各段漏汽數據

3.4 軸封系統的管路口徑計算

蒸汽管路的直徑計算公式為

式中：D為管路內徑，mm；Q為體積流量，m3·h-1；V為流速，m·s-1。

式（1）中，流速的選擇需要根據壓力、介質等不同的情況進行，過熱蒸汽、飽和蒸汽、高壓蒸汽、低壓蒸汽的流速選擇范圍不同[4]。同樣，蒸汽管路和汽氣混合管路的流速要求也不同。體積流量取決于介質的運行參數，即與管道內蒸汽或混合氣體的溫度、壓力、流量有關。

新機組剛安裝好時，軸封間隙等往往處于最優狀態。在經過一段時間的運行之后，雖然軸封結構設計時會有一定的退讓空間，但是前后軸封齒依然會出現不同程度的磨損，此時軸封的間隙值會偏離設計值。從計算數據對比來看，軸封間隙增大0.3 mm，流量增大約35%，蒸汽流量繼續增大有可能導致蒸汽從軸封溢出，或導致末端的軸封加熱器運行異常，進而導致軸端漏汽。

4 抽改背軸封管路現場改造

軸封系統現場改造管路，可以考慮利用部分原管路，以降低改造成本，并減少部分施工。但由于抽凝式汽輪機和背壓式汽輪機系統上的不同，有些地方必須多加考慮，如軸封管路的材質問題[5]。原抽凝式汽輪機次末端設計為由均壓箱向前后軸封供汽，從均壓箱送來的蒸汽溫度設計值約為150 ℃，原系統管路選用20 號鋼材質。背壓式汽輪機高壓段次末端的軸封改為從前汽封漏往正壓軸封加熱器，計算溫度為468.2 ℃，此溫度已超過20 號鋼的使用溫度上限，需要選擇合金鋼或其他耐高溫的材質。

5 結語

軸封系統是汽輪機的重要輔助系統，在抽汽機改造背壓機的過程中，需要根據機型的差異、現場的情況等綜合考慮優化，實現防泄漏、降損失、增效率的目標。