汽封供汽汽源溫度匹配的探索和實踐

杜開榜，童宏仙，劉孝峰

(上海汽輪機廠有限公司，上海200240)

汽輪機汽封系統的功能是減少動靜間隙的漏汽，汽輪機端部汽封可防止汽輪機內蒸汽溢出至大氣，并防止空氣進入汽輪機和凝汽器，通過維持汽封供汽母管的微正壓和汽封漏汽母管的微負壓來實現密封功能。在機組啟停和低負荷時，需要引入外部蒸汽來實現汽封供汽母管的微正壓。在機組高負荷時，則通過內部高中壓漏汽來維持汽封供汽母管的微正壓，此時無需外部蒸汽的引入，俗稱機組達到自密封。汽封系統的運行關系著機組的安全性和經濟性，而汽封供汽溫度的匹配則是汽封系統設計的關鍵。

目前上海汽輪機廠所設計的超超臨界汽輪機均采用單路輔助蒸汽作為機組啟動和低負荷時汽封系統的密封蒸汽汽源，通過溫度匹配來滿足機組在所有工況下對軸封蒸汽的需求。

采用單路汽源設計的汽封系統，系統配置有一個供汽閥門站和一個溢流閥門站。汽封供汽閥門站及溢流閥門站分別采用1路氣動調節閥加1路手動調節閥，以保證汽封系統的正常工作。正常情況下，汽封系統通過氣動閥門的調節以實現系統的自動化操作。手動調節閥作為備選方案，在汽封系統自動調節功能故障工況下(如分布式控制系統故障，測點反饋故障或定位器故障等)使用，以實現上述特殊工況下機組汽封系統的正常運行。在確保實現系統功能的前提下簡化系統配置，可有效地降低因設備故障導致的系統異常，便于現場的控制和維護。

單路汽源汽封系統的汽源溫度的選取主要基于3點：保證各種工況下軸封處轉子熱應力在正常范圍，保證汽封端部的差脹正常，以及保證不會有凝結水進入汽輪機。為確保各種啟動和停機工況下轉子和端部汽封的安全性，汽封系統對汽封蒸汽溫度有嚴格的限制，當汽封供汽溫度超出許用的溫度范圍時，須嚴格禁止不合格蒸汽的進入[1]。目前國內已投運的超超臨界機組中，部分電廠出現了由于汽封供汽溫度過低導致的大軸抱死的事故[2]。同樣，若汽封蒸汽溫度過高，則會影響轉子壽命和端部差脹，這也會給機組的安全運行帶來隱患。針對這些問題，本文從輔助蒸汽來源進行分析，結合軸封供汽溫度要求，提出一種控制汽封供汽溫度，使其滿足要求的思路。

1 汽封用輔助蒸汽來源簡述

電廠輔助蒸汽均來源于輔助蒸汽聯箱，輔助蒸汽系統的作用是保證機組安全可靠的啟停，以及在機組低負荷或異常工況下提供整個電廠需要的汽源。除去汽輪機軸封用汽外，其還提供除氧器用汽、鍋爐暖風用汽以及其他用汽。典型的輔助聯箱設計如圖1所示。

圖1 典型的用戶輔助蒸汽聯箱設計

為確保輔助聯箱的安全可靠，輔助聯箱往往設置多路來汽，典型的輔助聯箱來汽設計包含啟動鍋爐來汽、老廠來汽、本機冷再熱蒸汽以及本機抽汽。同時，2臺或多臺機組的輔助聯箱互相連通，互作備用，以確保輔助蒸汽的穩定性。典型的輔助蒸汽聯箱的蒸汽來源如下：

1)啟動鍋爐來汽，由啟動鍋爐燃燒產生，適用于單臺機組的首次啟動。

2)老廠來汽，來自電廠老機組輔助聯箱蒸汽，在參數匹配的情形下可以滿足機組各工況的軸封蒸汽需求。

3)本機抽汽，來自本機組的某段抽汽(一般為4段抽汽)。

4)冷再熱蒸汽，由本機組的冷再熱蒸汽管道接入輔助聯箱。在冷再熱管道有汽的工況下可以一直供應輔助蒸汽。

當輔助蒸汽來源于老廠或啟動鍋爐來汽時，由于老廠或啟動鍋爐本身溫度略低，或由于管道存在溫降，當電廠實際運行時，在采用老廠來汽或啟動鍋爐來汽作為軸封蒸汽汽源時，汽封供汽閥門站前溫度往往不滿足設計需求。當軸封蒸汽來源于本機抽汽或冷再熱蒸汽時，其溫度高于軸封用汽需求。由于在機組自密封階段不需要外部蒸汽，因此汽封供汽閥門站前蒸汽基本無流動，而輔助蒸汽溫度的下降容易造成供汽閥門站前積水，此時一旦機組需要供應大量外部蒸汽，就會導致軸封供汽無法滿足需求。如果輔助蒸汽聯箱與汽封供汽的需求不一致，則在現場實際運行中易發生軸封溫度不滿足設計要求的情況。

2 汽封用蒸汽匹配解決方案

通過輔助蒸汽聯箱的配置情況可以看出，輔助蒸汽聯箱與汽封供汽溫度的需求存在一定的不匹配性。針對現場運行過程中閥門站前溫度不滿足要求的情況，對輔助聯箱至供汽閥門站前的配置進行了優化。問題主要原因及相應的優化方案如下：

1)輔助蒸汽管道溫降較大。為防止供汽閥門站前出現死汽，一般在設計時考慮在閥門站前加設暖管用節流孔板，輔助蒸汽溫降較大的原因在于暖管節流孔板的通流能力不足導致沒有足夠的蒸汽加熱管道，致使因管道散熱導致蒸汽冷卻降溫。但若擴大節流孔板，則會導致蒸汽的浪費。基于經濟性與可控性考慮，可加設預暖疏水閥，當暖管節流孔板的暖管能力不足時將其打開，以確保閥門站前溫度不會過低。

2)輔助蒸汽來源溫度較高，超過設計允許值。對此可通過加設減溫器，以確保蒸汽溫度滿足要求。

3)輔助蒸汽溫度來源偏低，低于設計允許值。對此可通過加設電加熱裝置，以確保蒸汽溫度滿足要求。

輔助聯箱至汽封閥門站前優化匹配推薦配置如圖2所示。

圖2 輔助聯箱至汽封閥門站前優化匹配推薦配置

通過加設暖管用孔板、疏水閥、減溫器以及電加熱器可以有效解決輔助蒸汽聯箱與汽封供汽需求不一致的問題，但由于加設了相應的設備，需要進行相應的邏輯控制，以確保各設備安全可靠地投入運行。

部分電廠在實際運行中已有增設電加熱器、減溫器及暖管用節流孔板的考慮[3-5]，但未針對詳細的控制邏輯進行分析。本文結合典型的配置方案，針對電廠實際運行效果，對控制邏輯進行詳細的研究，提出一套可靠的控制方案。

3 輔汽至汽封閥門站各設備邏輯控制優化探索

3.1 某電廠運行情況分析

某電廠采用上海汽輪機廠生產的新型超超臨界二次再熱機組，其輔助蒸汽來源于老廠來汽、本機冷再熱蒸汽、本機6段抽汽以及鄰機輔助聯箱。輔助聯箱至汽封閥門站前設有汽封電加熱器、減溫器、節流孔板及預熱用疏水閥。雖增設了用以解決輔助聯箱與汽封供汽需求矛盾的全部設備，但在實際使用過程中，由于邏輯控制的不完善，仍出現了供汽溫度需求與輔助蒸汽不一致問題。

電廠原控制邏輯如圖3所示。當汽封溫度高于供汽溫度值上限時，投入減溫器，使減溫器出口溫度達到整定值。當汽封溫度低于啟動電加熱器下限時，投入電加熱器，使其出口溫度達到整定值。當汽封閥門站前溫度超出供汽溫度允許范圍(高于上限或低于下限時)，汽封供汽閥門站關閉。

圖3 電廠原控制邏輯

在某次停機過程中，由于機組輔助蒸汽聯箱來汽溫度偏高，因此投入減溫器以將出口溫度維持在整定值。減溫器出口溫度(供汽閥入口)的波動導致汽封供汽閥門站頻繁開關，進而導致供汽不穩定。停機閥門站前溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電廠某次停機閥門站前溫度變化曲線

在電廠另一次停機過程中，輔助蒸汽聯箱來汽溫度偏低，且電加熱器響應時間較慢，導致閥門站前溫度低于設定值，機組無法供應穩定的軸封用汽。此次停機閥門站前溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 電廠另一次停機閥門站前溫度變化曲線

3.2 解決方案

前文問題的主要原因在于減溫器及電加熱器的調溫存在一定的波動且信號需要一定的響應時間，而一旦汽封供汽閥門站前的溫度不滿足供汽閥的要求，則汽封供汽閥門強制關閉，導致供汽中斷。需要對邏輯進行優化完善，以確保各設備的正常工作。

3.2.1 降低減溫器出口整定值

適當地降低減溫器出口的整定值，以確保出口溫度的波動不會導致溫度超限。以減溫器前溫度測點作為判定減溫器開啟的依據，電加熱器與減溫器工作進行反聯鎖，正常運行時只能有一個設備在運行。

減溫水調節閥開啟邏輯如下：

1)當超高壓轉子溫度低于200 ℃時，如果減溫器前溫度高于300 ℃，則開啟減溫水調節閥；

2)當超高壓轉子溫度高于400 ℃時，如果減溫器前溫度高于350 ℃，則開啟減溫水調節閥；

3)當超高壓轉子溫度在200～400 ℃時，減溫器開啟溫度在二者之間。

減溫器出口整定值設定如下：

1)當超高壓轉子溫度高于200 ℃時，設定減溫器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)為280 ℃；

2)當超高壓轉子溫度高于400 ℃時，設定減溫器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)為335 ℃；

3)當超高壓轉子溫度在200～400 ℃時，設定減溫器整定溫度在二者之間。

優化后減溫器控制邏輯如圖6所示。

圖6 優化后減溫器控制邏輯

3.2.2 降低電加熱器出口整定值

適當地降低電加熱器出口的整定值，以確保出口溫度的波動不會導致溫度超限。以電加熱器前溫度測點作為判定電加熱器開啟的依據，電加熱器與減溫器工作進行反聯鎖，正常運行時只能有一個設備在運行。

電加熱器開啟邏輯如下：

1)當超高壓轉子溫度低于200 ℃時，如果電加熱器前溫度低于240 ℃，則開啟電加熱器；

2)當超高壓轉子溫度高于400 ℃時，如果電加熱器前溫度低于320 ℃，則開啟電加熱器。

電加熱器出口整定值設定如下：

1)當超高壓轉子溫度低于200 ℃時，將電加熱器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)設定為280 ℃；

2)當超高壓轉子溫度高于400 ℃時，將電加熱器出口整定值(汽封供汽閥門站前溫度)設定為335 ℃；

3)當超高壓轉子溫度在200～400 ℃時，將電加熱整定溫度設定在二者之間。

優化后電加熱器控制邏輯如圖7所示。

圖7 優化后電加熱器控制邏輯

3.2.3 控制邏輯優化

為便于減溫器和電加熱器的調溫響應，防止在調溫波動過程中出現閥門站關閉的情況，對供汽溫度超限導致供汽閥門站關閉的控制邏輯進行了優化：

1)當閥門站前溫度低于供汽溫度允許值下限且高于溫度低無延遲關閥門曲線時，發出報警信號，并延遲關閉軸封供汽閥；

2)當輔助蒸汽溫度低于溫度低無延遲關閥門曲線時，立即關閉軸封供汽調節閥；

3)當閥門站前溫度高于供汽溫度允許值上限且溫度低于400 ℃時，發出報警信號并延遲關閉軸封供汽閥；

4)當閥門站前汽封供汽溫度測點大于400 ℃時，立即聯鎖關閉軸封供汽調節閥。

優化后供汽閥門站與閥前溫度的控制邏輯如圖8所示。

圖8 優化后供汽閥門站與閥前溫度的控制邏輯

3.2.4 其他注意事項

需快速將減溫器和電加熱器的溫度穩定在整定值范圍內，波動不得超過10 ℃。當閥門站前溫度低于260 ℃時,打開預熱用疏水閥;當該溫度超過265 ℃時，關閉預熱用疏水閥。雖然有一系列的邏輯控制，建議現場仍需要密切關注汽封供汽溫度。

4 結 論

本文基于電廠輔助蒸汽與汽封供汽不匹配的現象，對輔助蒸汽來源和典型的配置方案(電加熱器、減溫器、暖管孔板及疏水閥)及相關控制邏輯進行了分析,提出了一套具有實際操作性的汽封用汽匹配方案和控制邏輯。此方案可以解決目前部分電廠存在的輔助蒸汽與汽封供汽不匹配的問題，可以有效地確保汽封供汽的穩定性，提高機組的經濟性和安全性。