軸封系統異常分析與處理

曹長云

【摘 要】某核電廠兩臺機組軸封系統自投運以來，曾一度運行不夠理想。在經過一系列的技術改造和程序升級后，運行情況得以改善。本文介紹了歷次機組啟停或變工況過程中軸封系統出現的異常情況、原因分析和處理過程，并就今后軸封系統的運行方式提出了自己的觀點。

【關鍵詞】軸封；冒汽；水封；連通管；控制閥

中圖分類號： TM621.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0155-002

0 引言

某核電汽輪機組軸封系統自調試運行以來，由于系統設計不合理和人員操作經驗不足等方面的因素，在數次機組啟停和變工況運行過程中，均出現過不同程度的異常，影響到機組的正常運行。針對這些異常情況，相關人員經過技術攻關，對不足之處進行了設計改造，并將軸封系統相關操作經驗固化于操作規程之中，從而克服了系統的設計不足和人員經驗不足等因素，大大提高了軸封系統的運行穩定性，為機組的安全、穩定運行創造了條件。

1 軸封系統簡介

某核電機組汽輪機軸封均采用迷宮式汽封，通過汽輪機軸封系統向軸封提供密封蒸汽，防止汽輪機軸端蒸汽沿軸外漏或使空氣漏入汽缸，破壞凝汽器真空。

軸封系統有主蒸汽、輔助蒸汽、低壓缸抽汽三路汽源。正常運行時，由低壓缸抽汽作為供汽汽源，輔助蒸汽供汽壓力控制閥和供汽壓力卸壓閥共同控制軸封蒸汽母管壓力在20～28kPa之間，軸封母管內的蒸汽被分別送至每個軸密封體，經過軸密封體后的乏汽流向軸封冷卻器，在那里被冷凝水冷卻，產生的凝結水疏至凝汽器中，而不凝結氣體由兩臺軸加風機抽出，排到大氣。異常工況下，主蒸汽作為供汽汽源，由主蒸汽供汽壓力控制閥保持軸封蒸汽母管壓力為22kPa。輔助蒸汽只在機組啟停期間使用，正常運行期間處于隔離狀態。

2 軸封系統歷次異常工況分析及對策

2.1 軸封冒汽、冒水、嘯叫

軸封系統運行過程中，出現最多的情況就是軸封系統在投運過程中或者機組工況變化時，汽輪機軸封處出現冒汽、冒水和嘯叫現象。典型的事例如下：

2004年5月17日，2號機組啟動過程中，利用主蒸汽汽源投運軸封系統。在軸封系統投運后不久，汽輪機3#、6#軸封處有大量蒸汽往外冒出，4#、5#軸封處也有輕微的冒汽現象，同時還有少量積水從軸封處冒出，并且汽輪機平臺可以聽到尖銳的嘯叫聲。

由于主蒸汽當時正處于升溫升壓過程中，參數還未到達額定參數，所以主蒸汽品質欠佳，濕度過大，這些濕蒸汽在流經軸密封體時大量凝結并且不能及時被吹掃，淤積在密封腔室內，導致大量蒸汽沿軸漏到大氣，部份凝結水也從軸封處被擠出。另外，濕度較大的主蒸汽在進入軸封母管以前，被主蒸汽供汽壓力調節閥節流后也會產生大量凝結水，而這些凝結水僅靠一根裝有孔徑為5mm節流孔板的管線疏往凝汽器，疏水能力不足，軸封母管內會殘留大量的積水，致使軸封母管內的蒸汽產生汽帶水現象進入軸密封體，從而引起軸封腔室進水，產生以上現象。此外，如果在軸封系統投運的過程中，操作人員操之過急，暖管時間不夠，會引起密封體和軸封蒸汽溫差較大，導致蒸汽在密封體內凝結，也會產生上述現象。針對以上現象，運行人員通過增加軸加風機入口閥開度調整軸加負壓至-6kPa左右，對密封體內的積水進行吹掃，同時，通過調整壓力控制器的輸出提高軸封供氣壓力至30kPa左右，增加軸封體前后壓差，迫使積水流出，保持蒸汽流道暢通。通過以上干預后，軸封處的冒汽、冒水現象和嘯叫聲自動消失，在軸封處可聽見明顯的吸氣聲。

鑒于以上問題，在今后的軸封系統操作中，如果是在機組啟動狀態下投運軸封系統，應優先選用輔助蒸汽（由另一機組輔助蒸汽通過兩個機組間的連通管供汽）作為軸封汽源，待機組功率達到90%以上后再直接切換至低壓缸抽汽供汽。這樣，不但可以保證軸封蒸汽品質更優，減少軸封體積水的可能性，而且在進行由輔助蒸汽往低壓缸抽汽的切換時，只需切換兩路汽源的手動隔離閥即可，不必調整壓力控制器，從而大大簡化了軸封切換流程，降低了系統壓力波動的風險。

2.2 輔助蒸汽連通管供軸封不能實現機組間互為備用

輔助蒸汽系統設計有一根連通管，可將1#、2#機組輔助蒸汽系統連接起來，以實現任一機組降功率或停機時，其輔助蒸汽用戶由正常運行機組輔助蒸汽系統供應蒸汽，以便保持機組繼續運行或快速重新啟動。然而運行實踐證明，這種設計帶有一定的局限性：

2003年12月16日，2#機組因機械脫扣閥動作而跳機，之后軸封系統壓力急劇下降，凝汽器真空因低壓缸汽封大量漏入空氣而遭到破壞。與此同時，1#、2#機組輔助蒸汽連通管貫穿2#機組RCW熱交換器房間管段發生劇烈擺動，大量水泥封堵材料被振落。

如圖1所示，在發生該事件前，兩臺機組均滿功率運行，輔助蒸汽母管內壓力相等，1#、2#機組連通管中蒸汽處于相對靜止狀態，連通管內因蒸汽冷卻散熱形成較多積水。當2#機組跳機后，其輔助蒸汽母管壓力急劇下降，而1#機組的輔助蒸汽壓力保持不變，兩者產生壓力差，1#機組的輔助蒸汽便通過連通管流向2#機組，連通管中的積水被蒸汽帶入軸封系統，形成濕蒸汽，并在低壓缸軸封處再次被冷凝，使低壓缸軸封壓力迅速下降，失去密封功能，空氣通過低壓缸軸封進入凝汽器，使真空惡化。另外，連通管中的低溫冷凝水在蒸汽流過時，發生閃蒸，引起汽水共振，導致連通管線劇烈振動。上述事件發生后，運行人員立即關閉兩個機組間的輔助蒸汽連通閥，不久管道振動消失。

針對此問題，運行人員改變了系統的運行模式，將兩個機組間的輔助蒸汽連通閥和輔助蒸汽供汽隔離閥由常開狀態改為常關狀態，取消其正常運行期間兩個機組輔助蒸汽互為備用的功能，僅僅用于當一臺機組正常運行，另一臺機組啟動的時候，作為啟動機組的輔助蒸汽供汽（主要是軸封系統用汽）。另外，還通過設計變更，在連通管的最低點設置疏水器，確保連通管投運過程中產生的凝結水能被及時疏往凝汽器，避免發生管線汽水共振現象。

2.3 U形管水封被破壞

在軸封冷卻器的疏水管線上，設計有一U形管水封，確保正常運行期間，軸封冷卻器液位和凝汽器真空達到一個平衡狀態。但在實際運行過程中，這個U形管水封很容易被破壞，引起凝汽器真空惡化。

2003年6月22日，1#機組低功率運行期間，輔助鍋爐故障停運，軸封蒸汽（當時由輔助鍋爐供汽）自動切換到主蒸汽供汽，軸封壓力短時降低后恢復正常，但凝汽器真空卻一直惡化，進一步檢查后發現軸封冷卻器U形管水封被破環。

如圖2所示，U形水封要想保持平衡，必須使U形管兩側壓力相對于最低點處保持平衡，一旦任一側壓力發生波動，這個平衡就會被打破。本事件中，當輔助鍋爐停運后，軸封蒸汽短時斷汽，軸封冷卻器殼側壓力降低，當軸封蒸汽切換到主蒸汽后，軸封冷卻器殼側壓力瞬間陡增，同時疏水量也急劇增加，打破U形管兩側壓力平衡，引起水封破壞，大量軸封回流蒸汽涌入軸封冷卻器中，來不及冷凝便被吸到凝汽器中，使凝汽器真空惡化。事件發生后，運行人員迅速手動關閉水封與凝汽器的手動隔離閥，并重新對U形管注水形成水封，凝汽器真空得以恢復正常。

為了徹底解決瞬態工況下，U形管水封被破壞問題，目前已通過設計變更在兩個機組的水封隔離閥之前增加了一臺捕水器，這樣，即便是在壓力瞬態下U形管水封被破壞，空氣也不會進入到凝汽器中，不會威脅到凝汽器真空，而且被破壞的水封可重新自動建立，不必再人工注水建立水封。增加這一改造后，兩臺機組的水封至今沒有出現過異常。

2.4 低壓缸抽汽管線垂直段無法疏水

當機組利用另一機組輔助蒸汽作為軸封汽源起機，功率達90%以后，需將軸封汽源由另一機組輔助蒸汽切換到本機組低壓缸抽汽。但在歷次切換操作中，軸封蒸汽母管均出現過不同程度的壓力波動，低壓缸抽汽管線甚至出現振動現象。

如圖3所示，低壓缸抽汽隔離閥（V4601）閥門前有一段約2米高的豎直管道，起機過程中，V4601處于關閉狀態，低壓缸抽汽管道中的凝結水都積聚在V4601前。當進行軸封蒸汽切換時，開啟V4601，關閉輔助蒸汽隔離閥V4603，V4601閥前的積水便進入母管，在母管內遇熱發生閃蒸，引起軸封母管壓力波動。另外，啟機過程中V4601后的逆止閥V4602受輔助蒸汽的反壓作用也處于關閉狀態，所以V4601與V4602之間的這段管線內幾乎沒有蒸汽介質，管線溫度較低，當低壓缸抽汽流經此段管線時，會產生凝結水，引起汽水兩相流導致抽汽管線振動。

為了解決這一問題，我們通過設計變更，在V4601與V4602間的管線上加裝自動疏水器，確保低壓缸抽汽在進入母管以前被徹底疏水。經過數次機組的啟動驗證，改造后沒有再出現過類似問題。

3 結論與建議

通過分析軸封系統各種異常運行工況，大多與軸封系統管線布置、軸封蒸汽參數、系統運行方式等因素有關。通過設計變更改善管線布置、增加低位疏水裝置，可解決系統的疏水問題；通過優化運行方式：減少低參數軸封蒸汽運行時間、增加軸封系統暖管時間、加大啟動階段軸加負壓，可提高軸封正常運行可靠性。另外，升版運行規程、提高運行人員培訓和經驗反饋，也是保障系統正常運行的關鍵。

【參考文獻】

[1]胡念蘇，汽輪機設備系統及運行，北京：中國電力出版社，2009：340-348.

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