1 000 MW機組給水泵汽輪機軸封系統故障分析及處理

余興剛，魏海峰，朱太春，郭緒宏，蔣伯華

(1.高效清潔發電技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；3.國家能源集團永州發電有限公司，湖南 永州 425000；4.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

為提升大容量火電機組運行經濟性，采用100%鍋爐最大連續出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)容量的汽動給水泵并為驅動給水泵的汽輪機配備獨立的凝汽器[1-2]，因而汽動給水泵組及其輔助系統運行的可靠性對機組的安全穩定運行至關重要[3-4]。給水泵汽輪機(以下簡稱小機)軸封蒸汽系統作為汽動給水泵組的重要輔助系統，其主要作用是為小機軸端汽封提供密封蒸汽，防止外界冷空氣漏入汽輪機而影響小機真空，同時將各汽封的漏汽合理導入和引出[5-6]。小機軸封系統的運行出現問題將嚴重影響汽動給水泵組運行的安全性和經濟性[7]。

本文介紹了某新建燃煤電廠1 000 MW機組在調試期間發生的小機軸封帶水、給水泵側軸封管道異響的故障，通過現場排查找出了上述故障發生的原因，對小機軸封系統進行整改后成功排除了故障，確保了機組后續調試工作的順利開展。

1 設備概況

某新建燃煤電廠一期2×1 000 MW工程采用1×100%BMCR容量的汽動給水泵，前置泵與給水泵采用同軸布置方式，共同由小機驅動，小機與前置泵之間通過減速齒輪箱連接，汽動給水泵組橫向布置在汽機房8.6 m層固定端，小機配備獨立的雙室水冷凝汽器，凝汽器布置在汽機房0 m層。小機為單缸、雙流程、沖動式、再熱冷段汽源外切換凝汽式汽輪機，小機兩端排汽向下排入自帶凝汽器。

小機軸封蒸汽系統如圖1所示，小機軸封供汽來自機組輔助蒸汽系統，輔汽經調節閥減壓和噴水減溫器減溫后穿過凝汽器供給小機兩端汽封體，小機兩端軸封漏汽通過管道接至主汽輪機軸封加熱器。在汽輪機的軸封回汽管道上布置有三個疏水水封，分別布置在兩端汽封體回汽管道(0 m層)和回汽總管(8.6 m層)上。在軸封供汽調節閥后和噴水減溫器后管道上分別設計有壓力變送器和溫度變送器用于運行中控制和監視軸封母管蒸汽壓力、溫度。小機說明書規定:軸封母管蒸汽壓力正常運行值為18～30 kPa，噴水減溫器后蒸汽溫度整定值為180℃左右。

圖1 小機軸封蒸汽系統

2 小機軸封帶水問題及處理

該電廠1號機組小機首次單機試運時，在投運小機軸封系統的過程中，輔助蒸汽溫度為280℃左右，小機軸封母管壓力為30 kPa(g，表示表壓)時，噴水減溫器后蒸汽溫度僅109℃[8]，遠低于小機說明書的要求。啟動小機真空泵進行凝汽器抽真空后，凝汽器壓力最高值為7.2 kPa(a，表示絕對壓力)，但小機軸封蒸汽溫度低的問題未有明顯改善。嘗試開大小機軸封供汽調節閥將軸封母管蒸汽壓力最高調整至100 kPa(g)時，軸封蒸汽溫度上升不到10℃，現場運行和調試人員檢查發現小機兩端軸封有往外冒水現象，檢查凝結水至噴水減溫器管道上的閥門均處于關閉狀態，軸封供汽管道上疏水閥門均處于開啟狀態。

現場檢查小機軸封系統供、回汽管道，發現小機軸封回汽管道的安裝方式不合理，如圖2所示。小機兩端軸封回汽管道從位于標高4.534 m處軸封漏汽接口引出后通過一段向下斜管接至標高4.124 m處，再通過一段立管穿過8.6 m層平臺在標高8.6 m處合并后，通過一段立管引至標高14.353 m位置處，而后通過一段較長管道接至標高10.84 m的軸封加熱器接口處。小機軸封回汽管道最高位置與最低位置高度差為10 m左右，這一結構導致軸封回汽管道形似水封。由于軸封加熱器的負壓僅為-6 kPa(g)左右，軸封回汽管內蒸汽壓力與軸封加熱器之間的壓差無法克服此段高差，極易導致管道內積水。此外，小機軸封回汽管道上未設計疏水管道，僅安裝有三個尺寸φ32×2.5 mm的疏水水封，且小機軸封回汽總管的疏水水封安裝在8.6 m層的立管上，無法起到疏水的作用。安裝單位人員對比小機軸封回汽管道設計圖紙，現場安裝方式與設計圖紙基本一致。經分析，初步懷疑是小機軸封回汽管道安裝方式設計不合理，造成軸封回汽管道內積水，而小機軸封回汽管道上疏水水封來不及將管道中積水排出，積水導致軸封蒸汽流通不暢，進而使軸封蒸汽溫度偏低。采用紅外測溫儀測量小機軸封回汽管壁溫度證實了這一推測。

圖2 小機軸封回汽管道安裝示意圖

此外，運行人員最新的小機潤滑油油質化驗報告顯示，小機潤滑油顆粒度大于NAS 12級(儀器最大顯示為12級)，油中水分含量為1 000 mg/L，遠大于小機潤滑油的標準(顆粒度不大于NAS 8級，水分含量不大于100 mg/L)。而小機軸封系統投運前小機潤滑油質化驗結果為合格(顆粒度為NAS 5級，水分含量為65 mg/L)，基本可判斷小機軸封內水已通過軸承箱進入潤滑油內，對小機潤滑油質造成了較大影響[9-11]。決定暫不進行小機沖轉，優先解決小機軸封蒸汽帶水問題。

推測造成小機兩端軸封冒水問題的原因主要為小機軸封回汽管道安裝方式設計不合理，致管道內積水，但更改小機軸封回汽管道的安裝方式工作量非常大。由于試運工期短，時間緊迫，決定從加強小機軸封回汽管道的疏水方面采取措施。在小機兩端軸封回汽管道上各加裝1個水封筒，以便及時將小機軸封回汽管道內積水排出。新加裝水封筒結構如圖3所示。

圖3 小機軸封回汽管道新增水封筒示意圖

為確保小機軸封回汽管道中的積水能夠及時排出，新增水封筒鋼管1與軸封回汽管的管徑和管材相同，管徑為φ133×4 mm，管材為20號鋼，且安裝在0 m層空中小機兩端軸封回汽管最低處。水封筒上設計有承接主機凝結水的注水孔和孔徑為φ76 mm的溢流孔，小機軸封系統投運前需通過注水孔將水封筒內注滿水，正常運行過程中，軸封回汽管內積水通過水封筒溢流孔流至無壓放水母管。水封筒還設計有透明軟管以便觀察水封筒內水位。

在小機軸封回汽管道水封筒安裝完并待小機潤滑油油質合格后，重新投運小機軸封系統。當小機軸封母管蒸汽壓力為30 kPa(g)、輔助蒸汽溫度為270℃左右時，經過噴水減溫器后小機軸封蒸汽溫度為176℃，現場檢查小機兩端軸封均沒有出現冒水現象，且有輕微的冒汽。之后將軸封蒸汽壓力調整至25 kPa(g)，小機兩端軸封也不再冒汽，沖轉前化驗小機潤滑油油質結果與小機軸封系統投運前相比未有明顯變化。

3 小機給水泵側異響問題及處理

小機兩端軸封蒸汽帶水問題解決后，小機得以順利開展試運。但在后續的小機試運、機組吹管和整套啟動前期，發現小機給水泵側從凝汽器內部間歇性地傳出異響，初步推斷造成異響的原因為管道發生水擊。小機前置泵側未發生異響，對小機給水泵和前泵側的軸封供、回汽管道進行了對比，發現兩端軸封供汽管道安裝方式基本一樣，但兩端軸封回汽管道安裝方式存在一定差別。小機前置泵側軸封回汽管道嚴格按照設計方式安裝，從凝汽器引出后具有連續向下的坡度接至0 m層空中最低點，而小機給水泵側排氣口處有一人孔門，小機給水泵側軸封回汽管道若按照設計方式安裝將擋住人孔門，進而影響人孔門的拆裝。安裝小機給水泵側和前置泵側軸封回汽管時，采取了如圖4所示的安裝方式。

圖4 給水泵側和前置泵側軸封回汽管道安裝示意圖

可以看出，給水泵側軸封回汽管道采取避開人孔門的安裝方式后，將在凝汽器接口處形成一最低點，容易導致此處管道內積水，從而使管道發生水擊而產生異響。因此，在小機給水泵側人孔門前軸封回汽管道最低位置處加裝了一疏水水封，疏水水封尺寸為φ32×2.5 mm。然而，加裝此疏水水封后，小機啟動后給水泵側依然發出間歇性的異響，現場檢查發現安裝單位新加裝的疏水水封的高度差h較小(約300 mm)。機組正常運行過程中軸封加熱器的負壓約為-6 kPa(g)，按此壓力計算，疏水水封高度差h最小須達600 mm，高度差h過小將導致管道內積水無法從新增疏水水封中排出。

對于軸封蒸汽管道穿過凝汽器供至汽封體的機組，其凝汽器內部軸封蒸汽管道需加裝套管以防止汽輪機排汽對軸封蒸汽管道的沖刷、冷卻[12]，曾出現過因凝汽器內軸封蒸汽管道未安裝套管或安裝不良導致軸封蒸汽帶水的問題[13-14]。該機組小機凝汽器內軸封蒸汽管道為制造廠供貨安裝，安裝單位人員也不清楚是否安裝套管。

小機給水泵側異響問題給機組安全穩定運行造成了較大的安全隱患[15]，為徹底解決小機給水泵側異響問題，利用機組整套啟動期間停機消缺機會，打開凝汽器人孔門，人員進入凝汽器內檢查軸封蒸汽管道，發現凝汽器內軸封供、回汽管道只有一部分管道加裝了套管，下部管道均裸露在凝汽器內，且加裝了套管的軸封蒸汽管道套管上下均未焊接固定。小機軸封供、回汽管路大部分裸露在凝汽器內，機組正常運行過程中，小機的排汽溫度為25～45℃，遠低于小機軸封蒸汽溫度。小機排汽將沖刷、冷卻軸封蒸汽管道，使軸封蒸汽管道內蒸汽冷凝成水，造成管道內積水而引發水擊問題。

有兩種方法解決小機給水泵側異響問題:一種方法是將疏水水封的高度差增大，確保管道內積水可及時排出；另一種方法是完善凝汽器內軸封蒸汽管道套管，避免小機排汽對軸封蒸汽管道的沖刷，徹底杜絕管道內積水的形成。經討論決定采用第二種方法，以便徹底解決小機給水泵側和前置泵側軸封管道內積水問題。同時制定了如下整改方案:對未加裝套管的軸封蒸汽管道采用保溫棉進行保溫，用保溫鐵皮包住保溫棉，為避免小機排汽對保溫鐵皮的沖刷，在保溫鐵皮的外面再加裝套管，將套管上下端焊死，保溫棉和保溫鐵皮全密封；對于已加裝套管的管道，將套管上下端焊死，避免軸封蒸汽管道與小機排汽的直接接觸。

上述整改后，小機給水泵側軸端未再發生異響問題，小機軸封異常的問題得以徹底解決。

4 結論

1)小機軸封蒸汽帶水問題原因為小機軸封回汽管道安裝方式設計不合理、管道內容易積水且積水無法及時排出，通過加裝水封筒及時將管道內積水排出，解決了小機軸封蒸汽帶水的問題。

2)小機給水泵側異響問題原因為小機給水泵側軸封回汽管道安裝方式不合理、凝汽器內小機軸封蒸汽管道套管安裝不完善，通過采取對凝汽器內小機軸封蒸汽管道進行保溫和加裝套管封住的措施，避免了小機排汽對軸封蒸汽管道的沖刷、冷卻，有效地解決了小機軸端異響的問題。