淺談高背壓式汽輪機軸封系統優化設計

胡昕

（南京汽輪電機（集團）有限責任公司，江蘇 南京 210037）

高背壓式汽輪機為排汽壓力大于2.0MPa.a的背壓式汽輪機，多用作前置機，或熱電聯產汽輪機，適用于造紙、化工、冶金等企業的自備電廠。通過多個項目的跟蹤發現，采用常規背壓軸封系統的高背機，如機組運行波動較大、啟停頻繁，軸封易失效，軸端部會出現一定程度的漏汽現象。壓力蒸汽泄漏出汽缸后會竄入軸承座，導致潤滑油帶水乳化，危及機組安全運行。

1 高背機的軸封設計分析

1.1 常規軸封系統設計簡介

背壓式汽輪機的軸封系統，由端部的前后軸封（多采用曲徑汽封）和與之相連的管道，以及附屬設備汽封加熱器等組成，常規布置如圖1所示。

圖1 常規背壓汽輪機軸封系統示意圖

前軸封由五段軸封組成4個汽室，后軸封由四段軸封組成3個汽室。前1、前2、前3和后1、后2腔室均為正壓，向外漏汽，逐級降壓。汽封加熱器借助抽氣機，在前后軸封最外部腔室（前4、后3）內形成微真空（約96kPa），空氣由最外面一段軸封漏入此室，同時，內軸封漏出的蒸汽也漏入此室，以此形成密封。汽氣混合物被引入汽封加熱器中，蒸汽凝結成水疏出，而不凝氣則由抽氣機排向大氣。

1.2 高背機應用時產生的問題

隨著排汽壓力增加，高背機軸封設計通常會在后軸封第一段增加軸封齒數的方式來減少排汽端的軸封漏汽量。但如軸封系統不合理調整，實際密封效果并不理想，原因如下：

（1）前軸封腔室1漏汽被引至排汽，前1腔室的壓力P1同時受漏汽初始壓力Pe和排汽壓力Pb的影響。當Pe遠遠大于Pb時，可以實現將漏汽引流至排汽管的效果。但當Pe和Pb相差不大時，例如，機組設計背壓偏高時，或當機組部分負荷運行時，則易引起從排汽至前軸封的返流，返流蒸汽會順著前軸封向前流動。

（2）高壓除氧器通常布置汽輪機廠房外，其壓頭要求以及長距離輸送而產生的管損，造成實際軸封腔室壓力P2比除氧器工作壓力要高，部分前2和后1腔室本該引出至高壓除氧器的軸封漏汽繼續向前外漏。部分項目設計為單級除氧，現場無大氣式除氧器，實際安裝時，會分別將前3與前4漏汽管道，后2和后3漏汽管道并聯，造成前3和后2腔室的漏汽可旁路流至汽封加熱器。以上均導致大量未充分降壓的蒸汽最終漏入了汽封加熱器，加重其冷卻負擔。

（3）由于前級排汽不暢，軸封漏汽未能順利引流，致使實際漏入汽封加熱器的蒸汽量超過了汽封加熱器的設計冷卻能力。有限的冷卻水不能及時將高溫漏汽在汽封加熱器中冷凝下來，微真空難以建立，從而導致軸封失效，軸頭向外冒汽。尤其運行一段時間后，軸封齒逐漸磨損，間隙增大，軸封漏汽量增多，微真空越發建立困難。此外，前4和后3汽封管路并聯，相互干擾，前后汽封會同時失效。

2 軸封優化設計實例

2.1 設計方案說明

在考慮上述問題后，對某項目B15-8.83/4.12型高背機的軸封系統進行設計改造，如圖2所示，具體改進措施如下：

圖2 優化后的高背壓汽輪機軸封系統示意圖

（1）將前1腔室對應的缸上開口予以封堵，不再引出接排汽。第一段汽封與第二段汽封合并，在前2腔室的位置，引出接至高壓除氧器，后汽封腔室1也引出接至高壓除氧器。前2和后1腔室在軸封漏汽計算時，按工程實際情況將壓力取值為1.0MPa.a。

（2）前3和后2腔室引出接至增設的高壓汽封加熱器中。高壓汽封加熱器換熱面積為20m2，其主要作用是讓前3和后2腔室保持在1.5～2.0MPa.a，工作原理類似低壓加熱器。前4和后3腔室分別獨立引出接至低壓汽封加熱器（微負壓）的兩個接口。除鹽水先經過低壓汽封加熱器，再分支少量進入高壓汽封加熱器中，其余從旁路進入補給水系統。高壓汽封加熱器配有氣液兩相流自調節液位控制器，能自動調整其水位，保證其換熱效果。

（3）改進汽封體設計，增大中間腔室，讓軸封漏汽在腔室內充分擴容。管路設計時，將缸上開口增大，管道流速按中低限設計，盡可能幫助軸封漏汽在高壓出口順暢流出，并進行回收利用。

2.2 軸封漏汽計算對比

以B15-8.83/4.12高背機為例，采用常規設計和優化設計的軸封漏汽計算數據分列于表1和表2。

表1 常規設計軸封漏汽計算

表2 優化設計軸封漏汽計算

由表1和表2對比可以看出：

（1）常規設計時，前1漏汽量為負值，表示從排汽向前1腔室確實出現了蒸汽返流。

（2）常規設計時，單級汽封加熱器的進汽總量達到了1.023t/h，給汽封加熱器設計帶來很大困難。

（3）但優化設計時，高壓汽封加熱器為低壓汽封器分擔降壓任務，實際漏入低壓汽封加熱器的降低為0.162t/h，為微真空的建立和終端密封創造了良好的條件。

3 結語

高背機軸封設計，因其排汽壓力高、現場系統布置簡單等因素影響，軸端分段密封設計難度增大，需根據實際情況進行優化設計。通過對部分高背壓汽輪機項目軸封系統的改造實踐，證明優化設計后的軸封系統，能改善端部軸封冒汽的情況，使得機組頻繁因軸封失效導致潤滑油進水的狀況得到了有效遏制，也為后續的高背壓機組的設計制造積累了寶貴經驗。