抽背式汽輪機組軸封漏汽大的分析與處理

劉妙斌，吳恩柏，張云鵬，謝平原

（中國石油四川石化有限責任公司，四川成都 611930）

0 引言

四川石化自備電站鍋爐采用燃油、燃氣、低氮環保型燃燒器，以天然氣、燃料氣和燃料油為燃質，發電成本高，故遵循“以熱定電”的原則，主要為煉油、化工裝置供應4.0 MPa、1.2 MPa、0.4 MPa 蒸汽，為生產裝置的安全生產提供保障。近年來，天然氣價格不斷上漲、環保形勢日益嚴峻、市場競爭愈發激烈，為進一步達到“挖潛增效、節能減排”的目標，2018 年四川石化自備電站4#汽輪機進行“抽凝改抽背”的項目改造；2020 年9 月3日4#抽背機組24 h 試運行正常，正式投入生產，每年可節約成本2000 萬元。但自運行以來，機組長期存在軸封漏汽大缺陷，嚴重影響機組的安全、平穩運行。

1 軸封漏汽大的危害

四川石化自備電站4#抽背機組軸封系統采用自密封的方式，自2020 年9 月3 日運行以來，一直存在軸封漏汽大且汽中帶水現象，操作人員無法靠近觀察，采取加裝臨時擋板的方式加以控制。軸封加熱器一經投用就出現高液位、滿水現象，為此，長期開啟多級水封就地排放門以保持軸加水位穩定。

軸封漏汽大且軸加長期維持高水位運行，容易造成潤滑油系統油中帶水，導致潤滑油乳化、油質變壞，破壞轉子軸瓦處油膜質量，軸瓦金屬溫度升高，軸瓦烏金熔化，造成汽輪機燒瓦事故；軸加滿水嚴重將導致汽缸進水，轉子葉片水擊損壞，上下缸溫差大造成汽缸“貓拱背”變形的嚴重事故。

磷酸酯抗燃油酸值（以KOH 計）要求控制指標為≤0.2 mg/g[1]，在定期取樣分析過程中發現磷酸酯抗燃油酸值＞0.2 mg/g，最大值達到2.22 mg/g；為保證磷酸酯抗燃油酸值在合格范圍內，除投運抗燃油系統濾油裝置外，還外接“降酸值一體化濾油機”進行24 h 不間斷濾油。此外，機組調速系統在運行過程中，高中低調門頻繁出現小幅波動，影響機組電熱負荷的穩定供應。

2 磷酸酯抗燃油酸值高原因分析

酸值是評定抗燃油劣化或水解變質的一項重要指標[2]。長期保持較高酸值，會加速磷酸酯抗燃油的水解直至劣化，導致產生沉淀和起泡，縮短抗燃油的使用壽命。抗燃油酸值升高還會對金屬部件產生腐蝕，例如伺服閥內部滑閥遭到腐蝕后，會造成伺服閥的內漏加重，調節性能穩定性下降，造成配汽機構的抖動，機組轉速或負荷波動幅度大，嚴重影響著機組的安全、可靠運行。抗燃油酸值指標的影響因素主要有溫度、油中劣化產物和水分等3 個方面。

（1）當溫度低于80 ℃時，溫度對抗燃油酸值的影響不大；當溫度高于80 ℃尤其是高于110 ℃時，抗燃油的酸值隨著溫度的上升而急劇上升。

（2）抗燃油中的劣化產物是氧化反應、熱裂解反應和水解反應的共同產物[3]，抗燃油中的劣化產物不僅會對油質產生影響，還會對油質劣化進行催化，加速油的劣化。

（3）結合四川石化生產檢測部抗燃油的定期化驗結果，抗燃油中水分的指標并沒有超標，可以排除水分對抗燃油酸值的影響。

綜上可以看出，由于現場軸封漏汽大，4#抽背機組機頭位置和高中低調門閥體、抗燃油管線現場測溫溫度都在100 ℃以上，造成磷酸酯抗燃油劣化反應加劇，劣化產物增加又對劣化反應起催化作用，反復疊加造成抗燃油酸值不斷增高，影響調速系統穩定，造成閥門波動。

3 軸封漏汽大的原因分析

造成軸封漏汽大的原因主要有軸封選型不當、軸封面磨損造成軸封間隙過大、軸封排汽系統不暢、設計不當等方面。

3.1 軸封選型不當

目前，汽輪機組的軸封一般選擇梳齒式汽封或蜂窩式汽封，其中梳齒式汽封要求徑向間隙為0.2～0.6 mm；當汽封的徑向間隙在0.2～0.4 mm 時，蜂窩汽封的密封特性比梳齒汽封好。采用蜂窩汽封后汽封間隙可以很小，同時由于蜂窩汽封很軟，即使與轉子發生擦碰一般不會發熱和傷及轉子而引發安全問題，故蜂窩密封被廣泛應用于燃氣輪機、壓縮機、高壓渦輪泵等設備[4]。

軸封設計間隙為0.40～0.65 mm，前后汽封均為梳齒式，且為保證密封效果，特在前后汽封靠近大氣端部分各采用一圈蜂窩汽封[1]，滿足機組軸封系統要求，可排除軸封選型不當造成的軸封漏汽大。

3.2 軸封間隙過大

梳齒式汽封在徑向間隙超過0.5～0.6 mm，蜂窩汽封在芯格發生明顯變形時，就要視運行情況在大修時及時更換汽封[4]。對4#抽背機組揭蓋檢查，梳齒式汽封實際測量值為0.4～0.45 mm，設計值為0.4～0.65 mm，蜂窩汽封芯格完好，故可排除軸封面磨損造成軸封間隙過大引起的軸封漏汽大（表1）。

表1 前后軸封間隙測量值 mm

3.3 軸封設計不當、排汽系統不暢

根據現場確認，武汽CB17.5 MW 機組軸封漏汽管線設計、布局存在不合理的局部問題。

高壓端一段軸封漏汽至背壓抽汽管徑DN65 偏小，導致高壓端排汽不暢、回汽阻力增加、高壓軸封回汽腔室壓力升高，回汽腔室的蒸汽向外逸出，造成高壓端軸封漏汽大。

高壓端二段軸封漏汽與低壓端一段軸封漏汽均連接在一根母管上高除，阻力懸殊，高壓端二段軸封漏汽排擠低壓端一段軸封漏汽，導致低壓軸封回汽困難，使回汽阻力增加、低壓軸封回汽腔室壓力升高，因此回汽腔室的蒸汽向外逸出，造成低壓端軸封漏汽大。

因高壓端四段軸封漏汽與低壓端三段軸封漏汽均排至1#軸加，且高低壓端軸封漏汽大，導致1#軸封加熱器液位無法控制在230 mm 以內（軸封加熱器液位230 mm 切旁路），實際運行時液位長期維持在460 mm 以上，為防止出現軸加滿水事件，現場開啟1#軸封加熱器多級水封就地排放門加強軸加排水。

在機組停機揭蓋檢修過程中，發現后軸封三段排汽孔位置受隔板遮擋，妨礙蒸汽流通，導致后軸封漏汽大。

綜上可以看出，4#抽背機組軸封漏汽大的原因就是軸封設計不當、排汽系統不暢造成。

4 軸封漏汽大的改造處理

針對軸封漏汽大的形成原因，對機組的軸封系統進行以下改造處理（圖1）。

圖1 軸封改造后

（1）對高壓端軸封一段漏汽管線進行擴徑處理，將前軸封一段漏汽至排汽管線由DN65 改為DN100。

（2）前軸封二段漏汽和后軸封一段漏汽匯合后由1 根管線排至除氧器，現改為2 根DN100 管線分別排至除氧器。

（3）抽背機組軸加疏水不進凝汽器，按設計要求無需安裝多級水封，4#抽背機組1#軸加多級水封是利舊，故應該予以取消。取消多級水封后，各軸封加熱器原進多級水封疏水線分開就近進地溝。

（4）后軸封三段排汽孔位置向前調整，避開隔板遮擋，原排汽孔現場封堵，保證排汽順暢。

（5）檢修中對前后軸封進行檢查發現，汽封塊彈簧片彈性不好，更換全部420 塊汽封彈簧片。

（6）對磷酸酯抗燃油箱進行全面清掃，并進行換油處理，避免系統中劣化產物及其他因素影響抗燃油酸值。

5 改造后的效果

4#抽背機組經改造投運后，運行狀況良好，主要問題得到明顯改善：①前后軸封漏汽明顯減小，前后軸封漏汽大問題得到根本解決；②磷酸酯抗燃油酸值得到有效控制，運行以來分析指標均≤0.2 mg/g；③機頭位置、各調門及管線溫度明顯下降，現場測溫溫度都在80 ℃以下；④前后軸加液位降至可控范圍之內，未有液位超230 mm 聯鎖動作情況出現；⑤調速系統各調門閥位穩定，未再出現波動現象，保證了電熱負荷的穩定供應。