杜英智

(博萊克威奇(北京)工程設計有限公司，北京 100022)

1 汽輪機軸封系統(tǒng)簡介

汽輪機運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，汽缸、隔板等固定不動，為了避免轉(zhuǎn)動部件與靜止部件摩擦、碰撞，應留有適當?shù)拈g隙。但由于壓力差的存在，在這些間隙處必然會產(chǎn)生漏汽(漏氣)，不僅會降低機組效率，還會影響機組安全運行。為了減少蒸汽泄漏并防止空氣漏入，需要有密封裝置。轉(zhuǎn)子穿過汽缸兩端處的汽封稱為軸封，高壓軸封的作用是防止蒸汽漏出汽缸,造成工質(zhì)損失，惡化運行環(huán)境，導致軸頸受熱或沖進軸承使?jié)櫥唾|(zhì)劣化；低壓軸封則用來防止空氣漏入汽缸，影響凝汽器真空度[1]。

軸封加熱器的主要作用：利用軸封系統(tǒng)漏汽和閥桿漏汽的熱量加熱凝結(jié)水，提高凝結(jié)水溫度，同時可以將蒸汽凝結(jié)成水后排至凝汽器，提高機組熱效率并回收工質(zhì)。軸封加熱器風機的主要作用：將軸封系統(tǒng)內(nèi)混入的不凝結(jié)氣體及時排出，維持軸封加熱器及軸封漏汽管道內(nèi)一定的負壓, 防止汽缸內(nèi)蒸汽和閥桿漏汽向外泄漏及空氣漏入汽缸的真空部分。

2 AFT Arrow軟件簡介

AFT Arrow是一種管道內(nèi)流體模擬分析軟件,能夠準確地模擬可壓縮介質(zhì)的流體分析。AFT Arrow采用圖形化的交互工作環(huán)境，軟件提供的建模單元包括管道、管件(大小頭、彎頭、三通)、閥門、給定流量元件、給定壓力元件和換熱器等，用戶可以通過內(nèi)置的庫來選擇可壓縮流體屬性和內(nèi)嵌的各種閥門及管件的阻力系數(shù)(也可以自定義阻力系數(shù))進行管網(wǎng)分析，計算出整個管網(wǎng)中各處壓力、溫度、流速等信息，便于用戶對管網(wǎng)進行整體檢查和修改。

汽輪機軸封系統(tǒng)漏出的是蒸汽或蒸汽和空氣的混合物，都是可壓縮流體，因此可采用AFT Arrow軟件建立軸封漏汽系統(tǒng)的模型。

3 軸封漏汽量的計算方法

汽輪機軸封漏汽量的計算方法較常用的有公式法和焓降法[2-3]，主要都是基于汽輪機本體的軸封設計，根據(jù)汽輪機設計說明書中的軸封設計參數(shù)或現(xiàn)場熱力測量得到的參數(shù)計算軸封漏汽量。

公式法是已知軸封齒前的蒸汽參數(shù)、軸封齒數(shù)、漏汽面積，根據(jù)軸封齒前、后壓力的比值來判斷是否達到臨界速度，然后選擇相應的公式來計算軸封漏汽量。焓降法是基于汽輪機發(fā)電機組的能量平衡原理，分兩步進行計算:先求出前端軸封漏汽量，然后求出前、后端軸封漏汽量的比值，再計算出后端軸封漏汽量。

本文則運用流體分析軟件AFT Arrow模擬汽輪機軸封漏汽系統(tǒng)，建立軸封漏汽系統(tǒng)的管道模型，采用設定流量法和設定壓力法計算軸封漏汽量。

4 計算實例

國內(nèi)某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)項目配置2套一拖一多軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組, 性能保證工況下的總出力為293.7 MW(燃氣輪機發(fā)電機出力為251.7 MW，汽輪機發(fā)電機出力為42.0 MW)，燃氣輪機是GE公司生產(chǎn)的9FA機組，汽輪機是哈爾濱汽輪機有限責任公司生產(chǎn)的單缸雙抽軸向排汽式汽輪機，高壓抽汽為非調(diào)整抽汽,低壓抽汽為調(diào)整抽汽，抽汽用于對外供熱負荷。

汽輪機軸封蒸汽在啟動和低負荷期間由廠用輔助蒸汽提供，熱態(tài)啟動時由主蒸汽經(jīng)減壓后提供。正常運行期間，從高壓軸封泄漏的蒸汽引入汽輪機的低壓段來保持所需的密封，形成自平衡密封系統(tǒng)。軸封蒸汽排汽系統(tǒng)的外圈軸封之間保持低真空度，防止密封蒸汽通過汽機轉(zhuǎn)子兩端的軸封逸出，該系統(tǒng)連續(xù)地將蒸汽和空氣的混合物排出，排入軸封加熱器。圖1為汽輪機軸封漏汽系統(tǒng)示意圖(不包括軸封供汽系統(tǒng))。

圖1 汽輪機軸封漏汽系統(tǒng)示意圖

4.1 軸封漏汽模型的設計輸入

軸封系統(tǒng)由汽輪機生產(chǎn)廠家進行設計，廠家負責軸封齒類型、軸封間隙尺寸、軸封系統(tǒng)管道規(guī)格、閥門及相關設備(包括軸封加熱器和均壓箱等)的設計，提供軸封設計說明書、系統(tǒng)圖和設備圖紙，系統(tǒng)圖中包括漏汽點的壓力、溫度、接管規(guī)格，閥門類型和設備的設計參數(shù)等。軸封系統(tǒng)的管道布置由設計院來完成。軸封漏汽模型的設計輸入見表1。

表1 軸封漏汽模型的設計輸入

續(xù)表

4.2 軸封漏汽模型的建立

軸封漏汽模型包括主汽門閥桿漏汽、調(diào)節(jié)汽門閥桿漏汽、調(diào)整抽汽的調(diào)節(jié)閥閥桿漏汽、汽輪機軸最末端的漏汽(不包括前軸封至后軸封的自密封蒸汽)。軸封漏汽接入軸封母管的順序為(按照距離軸封加熱器的遠近)：后軸封漏汽→調(diào)整抽汽調(diào)節(jié)閥閥桿漏汽→前軸封漏汽→主汽門閥桿漏汽→調(diào)節(jié)汽門閥桿漏汽→軸封加熱器。根據(jù)已知的漏汽點參數(shù)(壓力和溫度)、管道規(guī)格(外徑和壁厚)、實際的管道布置(包括管道的長度、管件的數(shù)量、閥門的類型和數(shù)量等)建立管道模型，計算出各個漏汽點的漏汽量及軸封加熱器入口處的混合溫度，供汽輪機廠進行軸封系統(tǒng)設計、軸封加熱器設計選型及管道布置優(yōu)化時參考。

運用AFT Arrow軟件模擬軸封漏汽系統(tǒng)，可以采用2種建模方法(各漏汽點參數(shù)和管道布置完全一致)計算軸封漏汽量，一種是設定流量法，一種是設定壓力法。

4.2.1 設定流量法

設定流量法是以進入軸封加熱器的漏汽量(通常可參照汽輪機生產(chǎn)廠家提供的軸封加熱器殼側(cè)的流量)為依據(jù)進行建模，模型如圖2所示(圖中的壓力值均為絕對壓力，下同)。該方法是按照流量分配的原理來計算每個漏汽點的漏汽量，計算結(jié)果見表2。

圖2 設定流量法

表2 設定流量法計算結(jié)果

采用設定流量法計算軸封漏汽量時，漏汽點的管道規(guī)格、管道的布置、阻力系數(shù)的選取是影響漏汽量的主要因素。一般來說，選取的管道內(nèi)徑越大、接入漏汽母管的各支管管道布置越簡單(管道長度短、管件數(shù)量少等)，阻力系數(shù)越小(計算中選取常用的美標管子粗糙度)，漏汽量也就越大。漏汽點的蒸汽參數(shù)對漏汽量的影響很小,但是對軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度影響很大。

4.2.2 設定壓力法

設定壓力法是基于軸封加熱器殼側(cè)的運行壓力(軸封加熱器在運行過程中需維持一定的負壓,由汽輪機廠家提供)進行建模，如圖3所示。該方法是依據(jù)管系壓降計算原理來計算每個漏汽點的漏汽量，計算結(jié)果見表3。

圖3 設定壓力法

表3 設定壓力法計算結(jié)果

采用設定壓力法計算軸封漏汽量時，漏汽量的大小除了與漏汽點的管道規(guī)格、管道布置方式、阻力系數(shù)的選取有關之外，漏汽點的蒸汽壓力和軸封加熱器殼側(cè)的運行壓力是兩個很重要的影響因素。漏汽點的蒸汽壓力越高，軸封加熱器殼側(cè)的運行壓力越低，也就是壓差越大，漏汽量也就越大。通常漏汽點的蒸汽壓力略低于大氣壓力，并且變化很小，因此軸封加熱器殼側(cè)的運行壓力越低，漏汽量也就越大。軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度則與每個漏汽點的溫度有關。

4.3 結(jié)果分析

設定流量法和設定壓力法都適用于軸封漏汽量的計算，根據(jù)不同的已知條件來確定采用哪種方法。

(1)同設定壓力法相比，采用設定流量法得出的軸封漏汽量要偏小，汽輪機廠可以把這個漏汽量作為軸封設計的參考值，如果實際的漏汽量大于模型的計算值，那么可能是軸封管道的規(guī)格設計偏小或是管道布置不合理，建議汽輪機廠重新核算管道規(guī)格或由設計院優(yōu)化管道布置方式。

(2)設定流量法是按照流量分配原理進行計算，管道布置是否合理非常重要。如果管道布置不合理，可能會有個別漏汽點的漏汽量為負值，導致蒸汽無法從漏汽點順利排出。設計院應更改該漏汽點處的管道布置方式，如減少管道的長度或是管件的數(shù)量等。

(3)軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度可作為軸封加熱器殼側(cè)的設計溫度和材料選擇的依據(jù)。從計算結(jié)果可以看出，這兩種方法計算得出的溫度均低于碳鋼允許的溫度上限，因此軸封加熱器殼側(cè)材料可以考慮使用碳鋼。

(4)各漏汽點接入漏汽母管的順序?qū)S封加熱器入口汽、氣混合物的溫度影響很大。模型中主汽門及調(diào)節(jié)汽門閥桿的漏汽(溫度最高)靠近軸封加熱器，因此軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度也要高一些，如果改變各漏汽點的接入順序，軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度也會相應改變。采用設定流量法計算得出的軸封加熱器入口的混合溫度比設定壓力法要高。

(5)如果進入軸封加熱器的漏汽量和軸封加熱器殼側(cè)的運行壓力都是已知的，那么可以采用設定壓力法來驗證系統(tǒng)的通流能力。模型中采用設定壓力法計算得出的軸封加熱器入口的總流量為3 127.8 kg/h，高于軸封加熱器的設計流量1 720.0kg/h，因此只要軸封加熱器的壓力保持在95 kPa(絕對壓力)或更低，就可以滿足系統(tǒng)通流能力的要求。

5 結(jié)束語

公式法和焓降法主要是依據(jù)軸封齒前、后的蒸汽參數(shù)來計算軸封漏汽量。實際上軸封漏汽量的大小是與汽封齒的類型、汽封間隙的大小、蒸汽參數(shù)等有關。通常來說，汽封間隙越大，軸封漏汽量越大；蒸汽參數(shù)越高，軸封漏汽量越大；不同運行工況時的漏汽量也不一樣，啟動和低負荷時會小一些，正常運行時要大一些。本文則是通過建模的方法來計算軸封漏汽量，得出的計算結(jié)果與上述方法相比較，用來供汽輪機廠家進行軸封系統(tǒng)設計時參考，也可供設計院進行軸封系統(tǒng)管道布置優(yōu)化時參考。

實際上，汽輪機軸最末端漏出的是蒸汽和空氣的混合物，而該模型假設漏出的全部是蒸汽，計算出的軸封漏汽量和軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度都偏大，計算結(jié)果也偏保守；實際漏汽點的壓力(現(xiàn)場實際測量的漏汽壓力)應略低于大氣壓力，而該模型是按大氣壓力進行計算，計算得出的漏汽量也是偏大的，結(jié)果也是偏保守。

本文計算實例中的汽輪機軸封系統(tǒng)相對比較簡單，建模法同樣可應用于大容量汽輪機復雜軸封系統(tǒng)漏汽量的計算。

參考文獻：

[1]代云修，張燦勇.600 MW級汽輪機設備及系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2009.

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[4]GB 50764—2012 電廠動力管道設計規(guī)范[S].