軸封加熱器疏水系統(tǒng)優(yōu)化改造探討

顏云

（廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524300）

軸加疏水系統(tǒng)概述

U型水封管通常應(yīng)用在電廠軸封加熱器疏水至凝汽器的管路上，它是依靠介質(zhì)在U型水封管進(jìn)口與出口之間的壓力差來進(jìn)行疏水，分為單級和多級，在電廠實(shí)際應(yīng)用中以多級水封管居多。湛江生物質(zhì)發(fā)電廠#1、2汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N50-8.83-5型高溫、高壓、凝汽式汽輪機(jī)，配套軸封加熱器型號為JQ-50-1，換熱面積50m2，汽側(cè)工作壓力為0.0951MPa（a），軸加疏水初步設(shè)計方案為疏水經(jīng)U型三級水封管直接疏至凝汽器。汽輪機(jī)布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層（8m），軸封加熱器布置在4.3m層，U型三級水封管布置在0m層。

1 軸加運(yùn)行存在的問題及原因分析

1.1 軸加無水位運(yùn)行

軸封加熱器投運(yùn)前，對U型三級水封管注水趕盡空氣、繼續(xù)注水至軸加正常水位（240mm）后，停止注水，投入軸加U型水封管疏水系統(tǒng)運(yùn)行。機(jī)組啟動過程中，隨著凝汽器真空提高，軸加U型水封管進(jìn)、出口壓差逐漸增大，發(fā)生水封破壞現(xiàn)象，軸加水位迅速降至130mm（就地水位計），軸加為無水位運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 故障原因分析

根據(jù)廠家資料，軸加水位低Ⅰ值為180mm，正常水位為240mm，水位高Ⅰ值為300mm，水位高報警值為340mm。如圖2所示，就地水位計滿刻度560mm，水位計上接管中心線與軸加筒體中心線一致，軸加筒體內(nèi)半徑為400mm，即就地水位計顯示值為160mm時軸加無水位運(yùn)行。

通常，U型多級水封管每級水封管的高度可以用下列公式計算：

式中：H-多級水封中每級水封管的高度，m；Pin、Pout-多級水封進(jìn)口、出口的壓力，Mpa；n-多級水封中的水封級數(shù)；γ-水的重度，N/m3；系數(shù)(0.5～1)-富裕度(可忽略)。

軸加汽側(cè)工作壓力為 0.0951MPa（a），凝汽器設(shè)計背壓為7.2KPa（a），U型水封按三級設(shè)計，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式（1），計算出H=2.93m，而原來設(shè)計U型多級水封每級水封管的高度為2.69m（如圖1所示），明顯偏小，是造成水封破壞的主要原因。另外，造成U型水封破壞的原因還有：負(fù)壓側(cè)沿程阻力和局部阻力較小，難以抵消真空的影響，在U型套桶管里未能建立起水封；疏水在U型管負(fù)壓側(cè)上升過程中，壓力下降而汽化，平均密度下降，平衡U型管兩側(cè)壓差所需有效水封高度比計算值大；生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組由于燃料特性的原因負(fù)荷變化較頻繁，軸封加熱器進(jìn)汽量及內(nèi)部壓力經(jīng)常變化，使軸加的水位無法維持在一定范圍內(nèi)，而導(dǎo)致其U型水封管內(nèi)的疏水量經(jīng)常變化。

1.3 軸加無水位運(yùn)行對機(jī)組的影響

軸加無水位運(yùn)行，U型水封破壞，軸封加熱器中不凝結(jié)的汽-氣混合物直接排入凝汽器中。一方面，蒸汽進(jìn)入凝汽器中使凝汽器的熱負(fù)荷增大，在循環(huán)水量不增加的情況下，凝汽器的真空必然會下降；另一方面，漏入凝汽器空氣量增大，使氣體分壓力升高，也會阻礙蒸汽凝結(jié)，從而使凝汽器真空降低。

為定量分析軸加無水位運(yùn)行對機(jī)組真空的影響，于2011年12月份，在機(jī)組負(fù)荷50MW、軸封供汽壓力、溫度及循環(huán)水溫、循環(huán)水量等參數(shù)穩(wěn)定的條件下，通過以下試驗來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3.1 關(guān)閉U型水封出口疏水手動門

緩慢關(guān)閉水封出口疏水手動門，軸加水位升至正常水位（240mm）時迅速打開此門，在此門關(guān)閉的這段短時間內(nèi)，機(jī)組真空由原來的-92.88KPa升至-94.28KPa，真空提高 1.4KPa。

1.3.2 單臺、兩臺真空泵運(yùn)行的真空值比較

兩臺真空泵同時運(yùn)行，機(jī)組真空-92.94KPa，停運(yùn)A真空泵，B泵單獨(dú)運(yùn)行時機(jī)組真空掉至-90.25KPa；停運(yùn)B真空泵，A泵單獨(dú)運(yùn)行時機(jī)組真空掉至-90.37KPa；真空泵單臺運(yùn)行相比雙臺運(yùn)行時真空下降較多，說明機(jī)組真空嚴(yán)密性差，有較多空氣漏入凝汽器中。

1.3.3 真空嚴(yán)密性試驗

按照真空嚴(yán)密性試驗步驟做完試驗，測得數(shù)據(jù)并計算出真空下降值為1.35kPa/min左右，而真空嚴(yán)密性試驗合格值為0.67kPa/min，再次驗證了機(jī)組真空嚴(yán)密性差。

圖1 U型水封結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 軸封加熱器疏水系統(tǒng)示意圖

2 軸加疏水系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 初步改造為四級水封

軸封加熱器運(yùn)行中其汽側(cè)實(shí)際工作壓力為-1～-0.5KPa（表壓），導(dǎo)致U型水封進(jìn)、出口壓差大于原來的設(shè)計值，且考慮到疏水汽化、負(fù)荷波動等影響因素，初步?jīng)Q定提高軸加水封有效高度，將三級水封改造為四級水封，觀察應(yīng)用效果。改造完成后（如圖1所示），在機(jī)組啟動過程中，軸加注水至正常水位后投入運(yùn)行，軸加水位短暫穩(wěn)定后迅速降至140mm，仍為無水位運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組各項參數(shù)與軸加水封改造前基本一致時，機(jī)組真空值為-93.37KPa，相比改造前同樣工況下真空提高約0.5KPa。U型水封改造為四級后的有效總水封高度為10.76m，原則上已滿足設(shè)計工況的水封高度要求，機(jī)組真空也有所改善，但由于受疏水汽化率等因素的影響，軸加仍未能維持正常水位運(yùn)行。停運(yùn)一臺真空泵，機(jī)組真空掉至-91.17KPa，相比兩臺真空泵運(yùn)行時真空下降2.2KPa，水封改造效果不顯著。

2.2 采用汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置控制軸加水位

2.2.1 改造依據(jù)及方案

多級水封器的設(shè)計是一個復(fù)雜的計算過程，通常用靜態(tài)計算方法來確定每級水封的高度。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，受各種動態(tài)因素的影響，軸加多級水封器進(jìn)出口參數(shù)與現(xiàn)場參數(shù)不相符。如機(jī)組冬、夏季真空不同，汽封間隙增大導(dǎo)致軸封汽量變大，軸加冷卻水（凝結(jié)水）流量變化引起軸加汽測壓力變化，軸加疏水汽化率變化等等，這些都是影響水封穩(wěn)定運(yùn)行的不確定因素。所以，要通過準(zhǔn)確定量分析各種動態(tài)因素對水封的影響來精確計算每級水封高度是比較困難的。

借鑒本機(jī)組高、低壓加熱器疏水系統(tǒng)汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置成功穩(wěn)定控制水位的經(jīng)驗，特別是#5低壓加熱器，其運(yùn)行工況與軸加相似，75%額定負(fù)荷以下其汽測為微負(fù)壓狀態(tài)，疏水接入的#6低壓加熱器任何負(fù)荷下均為負(fù)壓狀態(tài)（滿負(fù)荷時汽側(cè)壓力-67KPa，與凝汽器相似），#5低加疏水系統(tǒng)汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置控制水位非常穩(wěn)定，在正常水位范圍內(nèi)的水位變化值為±20mm之內(nèi)。汽液兩相流水位調(diào)節(jié)器原來是西安交通大學(xué)的技術(shù)專利，由調(diào)節(jié)器和相變管自動調(diào)節(jié)水位，調(diào)節(jié)器信號口通過相變管直接與被控制容器相連通。經(jīng)生產(chǎn)廠家根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，其最新一代產(chǎn)品性能更穩(wěn)定、控制水位更精確，且整套裝置無電氣、熱工控制設(shè)備，維護(hù)簡單。故決定對軸加疏水系統(tǒng)做進(jìn)一步改造，在軸加多級水封器進(jìn)口門前的管路上加裝一套汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置，與原來的多級水封并列，運(yùn)行中互為備用，如圖2所示。簡要設(shè)計、安裝方案如下：（1）入口閥（DN32）與調(diào)節(jié)器可以直接連接，也可以有≤250mm的短管連接，但入口閥前、調(diào)節(jié)器后應(yīng)有≥200mm的直管段。（2）相變管（DN20）與軸加殼體接口的開孔中心高度在正常工作水位點(diǎn)（就地水位計中間位置，對應(yīng)水位計刻度280mm處），與疏水管安裝走向同一側(cè)。

2.2.2 改造效果

軸加疏水系統(tǒng)于2012年2月初改造完成，通過機(jī)組運(yùn)行中的試驗來檢驗改造效果。機(jī)組啟動過程中，軸加疏水先投入U型四級水封運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷升至額定負(fù)荷50MW穩(wěn)定運(yùn)行時，軸封供汽溫度、壓力等參數(shù)正常，將軸加疏水切至汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置控制，退出軸加多級水封運(yùn)行，兩種不同疏水方式下相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

從表1可看出，汽液兩相流水位調(diào)節(jié)裝置控制方式下軸加疏水端差（疏水出口溫度與凝結(jié)水進(jìn)口溫度之差）為9.7℃，在正常值5.6℃～11.1℃范圍內(nèi)，說明沒有蒸汽漏入疏水中。在機(jī)組負(fù)荷大幅度波動過程中，軸加水位均能維持在240～250mm之間運(yùn)行，水位非常穩(wěn)定，機(jī)組真空只受到負(fù)荷因素的輕微影響。

2012年4月底，在做機(jī)組真空嚴(yán)密性試驗之前，為初步驗證機(jī)組真空系統(tǒng)是否嚴(yán)密，通過單臺、雙臺真空泵運(yùn)行方式下比較機(jī)組真空值來判斷。真空嚴(yán)密性試驗要求機(jī)組負(fù)荷80%以上，即維持機(jī)組負(fù)荷45MW穩(wěn)定運(yùn)行，真空系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)基本保持不變。兩臺真空泵同時運(yùn)行時，由于天氣較炎熱，凝汽器真空只能達(dá)到-92.94KPa；A、B真空單獨(dú)運(yùn)行時，凝汽器真空分別掉至-92.45KPa、-92.27KPa。由此可見，在其他影響因素沒有改變的情況下，軸加水位正常促使機(jī)組真空嚴(yán)密性得到明顯好轉(zhuǎn)。繼續(xù)做真空嚴(yán)密性試驗驗證，測得數(shù)據(jù)并計算出真空下降值為0.63kPa/min，雖未達(dá)到良好值（0.40kPa/min），但試驗已合格。

表1 不同軸加疏水方式的運(yùn)行參數(shù)比較

3 經(jīng)濟(jì)性定量分析

有關(guān)文獻(xiàn)資料表明，一般情況下，真空度每變化1%，可使熱耗率變化0.7～1%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗變化約1g/kW.h。軸加疏水系統(tǒng)改造為汽液兩相流水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，機(jī)組真空提高1.22kPa，真空度變化1.2%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低約1.2g/kW.h；作為質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)燃料低位熱值2350kcal/kg、水分35%，則折合為生物質(zhì)燃料時，機(jī)組發(fā)電消耗燃料降低3.57g/kW.h。按每臺機(jī)組年利用小時6000計算，兩臺機(jī)組年發(fā)電量6億度，每年可節(jié)省生物質(zhì)燃料約2142噸，每噸標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)燃料成本350元，則每年節(jié)約燃料成本75萬元。

總結(jié)

軸封加熱器由于其特殊的使用環(huán)境（負(fù)壓系統(tǒng)），疏水系統(tǒng)通常設(shè)計采用U型多級水封，但在機(jī)組運(yùn)行中，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)不相符，還受到機(jī)組負(fù)荷、不同季節(jié)機(jī)組真空差別較大、疏水汽化等動態(tài)因素的影響，軸加水封容易破壞，導(dǎo)致軸加經(jīng)常無水位運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。新一代汽液兩相流水位自動調(diào)節(jié)器技術(shù)成熟，從在軸加疏水系統(tǒng)的應(yīng)用效果來看，其控制水位精確，且投運(yùn)穩(wěn)定后不用再人為調(diào)整，維護(hù)簡單，值得推廣應(yīng)用。

[1]譚燦，吳阿峰.多級水封器計算高度的探討[J].節(jié)能，2009（1）：23-24.

[2]林萬超.火電廠熱系統(tǒng)定量分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1985.