H級燃氣機組汽機軸封系統問題研究及改進

梁其鋒　柳治民　楊星　田明巖

摘要：對西門子H級燃氣-蒸汽聯合循環機組中蒸汽輪機軸封系統調試過程中存在的問題進行分析，并給出解決問題的方法及建議：機組溫、熱態時先投入軸封，之后拉真空。機組改造后，軸封蒸汽供應溫度可以保持與轉子匹配，且軸封系統將可控可調。

關鍵詞：燃氣輪機;聯合循環;軸封系統

0? ? 引言

廣東某廠H級燃機采用西門子公司生產的SGT5-8000H型高效一拖一雙軸聯合循環發電機組。其中，汽機為西門子公司生產的三壓、再熱、抽凝式、高中壓合缸、水平一側排汽汽輪機，型號為SST5-5000，額定出力223 MW。軸端汽封采用迷宮式汽封，通過主軸上的汽封齒與汽封片之間相互配合，通過等焓節流和耗散效應將汽缸內部壓力與環境溫度隔開實現密封。本文研究了蒸汽輪機調試過程中軸封系統存在的問題，并提出了改造建議[1-2]。

1? ? 調試過程中存在問題描述

汽機對軸封供汽的汽源有壓力及溫度要求，汽機軸封系統結構如圖1所示。

高、中、低壓軸封密封蒸汽由一根總的供汽調閥供汽，高、中壓軸封共用同一根母管，供汽母管上設置一個溢流閥。在投入軸封初期（機組低負荷時）由供汽調閥提供軸封母管蒸汽壓力3.5 kPa（35 mbar），在機組高負荷時軸封切至自密封，由溢流閥控制軸封壓力3.5 kPa（35 mbar）;當軸封溫度過高或過低時，開啟軸封溢流增加通流量，降低或升高軸封溫度至軸封允許范圍之內。當軸封溫度持續在過高或者過低的溫度下運行時，觸發高限或低限溫度報警。各瓦回汽各有手動調節閥，調節各瓦蒸汽不冒不漏，達到最佳狀態。

在機組調試期間發現軸封運行存在下述問題[3]：

1.1? ? 順控投入軸封問題

在汽機軸封蒸汽投入SGC步序STEP 1中完成判斷條件：真空破壞閥關閉且真空小于80 kPa（0.8 bar）（絕對壓力）。

SGC順控走步過程中必須先開啟真空泵將真空拉至小于80 kPa（0.8 bar），才能進入下一步序。

此過程存在問題：機組在溫、熱態時，先抽真空至80 kPa（0.8 bar），將冷空氣吸入汽缸內，容易導致汽機局部受熱不均勻，從而引發局部熱彎曲，可能對汽機產生不良影響，如軸封碰磨、軸發生永久彎曲損傷，嚴重時可能導致盤車轉速下降或者抱軸等事故。

而《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全〔2014〕161號）中8.3.3.6要求：“機組熱態啟動投軸封供汽時，應確認盤車裝置運行正常，先向軸封供汽，后抽真空。停機后，凝汽器真空到零，方可停止軸封供汽。應根據缸溫選擇供汽汽源，以使供汽溫度與金屬溫度相匹配。”

綜上可以看出，軸封SGC順控不僅存在違反《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的情況，還有可能對汽機造成不良影響。在未改造前，溫、熱態軸封系統運行時，應手動投入軸封后再拉真空。

1.2? ? 軸封供汽問題

輔助蒸汽給軸封系統提供密封蒸汽，在機組啟動、運行過程中，軸封供汽調節閥邏輯保護如表1所示。

機組啟動前，高、中、低壓軸封由輔汽供給，此時蒸汽通流量較大，控制輔汽的壓力及溫度可以滿足機組所需密封蒸汽要求;機組并網帶負荷后，高、中壓軸封由原來需要密封蒸汽逐步變成軸封溢流狀態，此時只有低壓軸封需要供汽，但高、中壓軸封溢流蒸汽量明顯比低壓軸封需要的蒸汽量大。為了保證軸封母管的氣壓要求[3.5 kPa（35 mbar）]，軸封供汽閥關閉，溢流閥開啟。輔助供汽此時蒸汽無通流，軸封供汽閥前蒸汽溫度會不斷下降，容易下降至供氣閥保護關條件，導致軸封供汽閥閉鎖無法打開，如果此時機組發生異常跳閘或者快速減負荷情況，由于軸封系統無法正常投用，將破壞真空，迫停燃機，擴大事故，嚴重時汽機由軸封吸入冷空氣，甚至可能導致軸發生局部熱彎曲，由此引起汽機損壞。

調試過程中為了避免此種情況發生，在機組軸封變成自密封運行后，手動開啟軸封供汽閥前疏水閥，保證一定量的蒸汽流量，保證軸封供汽閥前溫度，做到任何情況下軸封蒸汽都處于備用狀態，保證機組的安全運行[4-5]。

1.3? ? 低壓軸封溫度過高問題

隨著汽機負荷升高，機組的低壓軸封供汽由高、中壓軸封溢流提供，高、中壓蒸汽額定溫度為600 ℃，溢流蒸汽溫度為330～340 ℃，從圖1可以看出，從高、中壓溢流至低壓軸封過程中無減溫水設置，低壓軸封供汽溫度為330～340 ℃。調試時，在機組滿負荷運行期間，由于低壓軸封溫度高于330 ℃，觸發軸封溫度高限報警，需要額外開啟輔汽至軸封供汽，將部分冷蒸汽加入，從而解決低壓軸封溫度過高的問題。從機組安全運行角度出發，低壓軸封溫度過高，對低壓軸封金屬產生熱應力，會影響機組壽命及經濟性，嚴重時可能損害軸封片。

2? ? 軸封系統改造建議

西門子SST5-5000型號汽機存在的上述問題，通過改造可以避免，經研究有下述建議：

2.1? ? 軸封蒸汽投入SGC改造建議

機組投入軸封蒸汽時必須考慮汽機缸溫，盡量降低冷空氣進入缸內對汽機造成的影響。

當缸溫低于150 ℃時，可以保留原來的SGC順控，即：（1）關閉真空破壞閥，開啟真空泵，當真空低于80 kPa（0.8 bar）時進入下一步;（2）關閉本體疏水閥，并投入軸加冷卻水;（3）投入軸加風機;（4）投入軸封供汽閥及溢流閥自動;（5）軸封壓力穩定在3.5 kPa（35 mbar），軸封SGC結束。

當缸溫高于150 ℃時，為了避免冷空氣進入缸內，SGC順控應先投入密封蒸汽后抽真空：（1）關閉本體疏水閥，并投入軸加冷卻水;（2）投入軸加風機;（3）投入軸封供汽閥及溢流閥自動;（4）軸封壓力穩定在3.5 kPa（35 mbar）;（5）關閉真空破壞閥，開啟真空泵。

改造后，溫、熱態投入真空軸封蒸汽時，冷空氣不會再被吸入缸內，避免了汽機系統損壞。

在實際操作中，還需要密切關注軸封供汽蒸汽溫度，應與轉子溫度匹配，可以通過加強疏水及控制輔汽溫度來控制軸封供汽溫度。

2.2? ? 軸封系統改造建議

目前軸封系統存在兩個問題：（1）自密封后，輔汽至軸封供汽氣源溫度不足;（2）自密封后，低壓軸封溫度過高。在此軸封系統基礎上可以加以改造，避免上述兩個問題的發生。改造后的軸封蒸汽系統如圖2所示。

改造后的軸封系統投運，實現了以下功能：機組盤車時投入軸封蒸汽，此時兩路軸封蒸汽均由輔汽提供，高、中壓軸封供汽調閥及低壓軸封供汽調閥由PID功能塊實現壓力自動控制。在投運初期，高、中壓軸封溫度可以由增大溢流閥開度快速提升;機組沖轉并網后，高、中壓軸封慢慢切至自密封狀態，高、中壓軸封供汽調閥關閉，由溢流閥進行壓力控制;低壓軸封在機組高負荷階段仍然由輔汽提供，低壓供汽調閥進行壓力控制，蒸汽溫度由輔汽系統控制;在機組降負荷或情況異常時，由輔汽提供密封蒸汽，特別是異常情況時密封蒸汽能快速切入。

改造后的高、中壓軸封與低壓軸封分開獨立供汽，增加低壓軸封供汽調節閥，高、中壓軸封單獨供汽，避免了高、中壓溢流出來溫度過高的蒸汽再進入低壓軸封，直接進入溢流進入疏水立管（凝汽器），保證了高、中壓軸封蒸汽任意工況下的壓力控制;低壓軸封單獨供汽一方面可以保證在任意工況下低壓軸封由輔汽提供，溫度、壓力都在可控范圍內，另一方面可以在任意工況下保證輔汽至軸封管道有一定蒸汽通流量，保證輔汽供應溫度，在機組跳閘或正常停機過程中，機組高、中壓軸封有溫度合適的蒸汽供應，從而保證機組設備運行安全[6]。

3? ? 結語

一般來說，機組在投入軸封時應對機組冷、溫、熱態分別進行考慮，在機組冷態投入軸封時，應先拉真空至一定壓力下再投入軸封;在機組溫態及熱態時，應先保證軸封密封蒸汽供應，然后再進行拉真空操作。

軸封系統要求各機組各個工況下都能滿足供汽要求，確保機組安全，降低機組損壞風險。軸封系統改造后，機組在任意工況下輔汽至軸封管道均能保證一定通流量，保證高、中壓軸封蒸汽溫度備用狀態，而且低壓軸封溫度也變得可控可調，避免了緊急狀態下軸封系統無法投入的情況，也提高了軸封系統可靠性。

[參考文獻]

[1] 西門子GT5-8000H燃氣輪機說明書[Z].

[2] 西門子SST5-5000蒸汽輪機說明書[Z].

[3] 陳齊平.某核電廠軸封系統運行問題研究及改進[J].熱力透平，2020，49（3）：243-246.

[4] 郭春暉，趙培山，宋益純.汽輪機低壓軸封系統存在問題分析及改進措施[J].吉林電力，2020，48（4）：49-50.

[5] 王宏瓊.低壓缸軸封進汽溫差大處理技術方案及優化措施[J].電站系統工程，2020，36（5）：77-78.

[6] 梁鵬.超臨界機組軸封系統異常排查及處理[J].冶金動力，2020（3）：49-51.