平东汽轮机组轴加疏水系统改造方案

1、平东汽轮机组轴加疏水系统改造方案摘 要以国内大型机组为例，以运行实践为基础，探讨了大型汽轮机组轴封加热器(以下简称轴加)及其热力系统的设计和运行问题，认为目前情况下，平东公司轴加疏水单级U型管水封疏水必须进行改造，对存在的问题进行了分析，提出了改造的设计要点。一、 概 述 平东热电有限公司#6、#7汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的C140/ N21012.75/535/535/0.981型超高压、一次中间再热、两缸两排汽、采暖用可调整抽汽、供热凝汽式汽轮机，自试运以来，两台机组真空系统严密性均较差，#6汽轮机最好时达到1.4kPa/min左右，#7汽轮机为3.5kPa/min左右，严重影响机组的经

2、济性。#6、#7机设计上轴加疏水水封采用多级水封方式，根据以往其它机组的运行经验，多级水封运行中易发生水封破坏现象，公司2006年10月对轴加疏水水封进行改进，改为单级水封。 U 型水封管通常应用在电厂低压加热器 轴封蒸汽冷却器等设备内的凝结疏水至凝汽器的管路上，它是依靠介质在U型水封管进口与出口之间的压力差来进行疏水的 U 型水封管，分为单级和多级， 在电厂实际应用中多级水封管应用较多，平东公司改造后的轴封疏水 U 型运行一直不稳定，存在不少问题，针对这些问题进行分析和提出改造方案。二、U型水封管在实际运行中遇到的问题目前国内设计轴加疏水水封不论是单级还是多级水封存在运行不稳定问题，易发生水

3、封破坏现象，并且多是运行中临时对轴加水封进水和回水阀门进行调节。 一般情况下， 主要是由于负压侧沿程阻力和局部阻力较小，难以抵消真空的影响，在U型套桶管里未能建立起水封，致使空气随疏水一同进入凝汽器中，使得真空恶化。因此，在U型套桶管的出口加装一个调节阀，使疏水在U型套桶管里流动会产生节流，增大沿程阻力和局部阻力，强制建立起水封，改善真空。如果U型套桶管直通凝汽器或者设计不当，将无法建立起水封，从轴封回收的蒸汽(含有空气)冷却后空气随疏水一同进入凝汽器,影响凝汽器真空。目前机组加减负荷较频繁轴封蒸汽冷却器进汽量经常变化，使冷却器的水位无法维持在一定范围内，而导致其U型水封管内的疏水量经常变化，

4、U 型水封管多次发生失水现象，当 U 型管水封管失水时，轴封蒸汽冷却器的汽侧就直接与凝汽器相通，机组真空就会急剧下跌，需要运行人员对轴加进行注水，并且当注水量大时，遇突然发生机组跳闸造成轴加电机烧损，多次影响机组的安全经济运行。在U型套桶管的出口处加装调节阀，起到了增大沿程阻力和局部阻力的作用，在U型套桶管里形成水封，保持了两端的压力差。但这并非长久之计，主要问题是担心轴加泄漏，轴加汽侧由于阻力较大(调节阀的节流作用)，轴加疏水及泄漏的凝结水很难较快地排入凝汽器，轴加汽侧水位升高很快，疏水会沿着轴封汽管道经汽轮机高、低压汽封进入汽轮机，这样将会产生严重的后果，一则疏水会对汽轮机的大轴起着冷却作

5、用，使大轴产生热应力或产生热弯曲；二则疏水进入汽轮机后会产生水击作用，严重时会打坏汽轮机的叶片。其次需要对轴加进行注水，并且当注水量大时，遇突然发生机组跳闸造成轴加电机烧损，因此，电厂在条件允许的情况下，应彻底进行改造，消除隐患。一般由于设计精度问题，在轴加U型套桶管出口处加装调节阀，满负荷时逐渐关小调节阀，凝汽器真空随之变化，调节阀关闭到20%开度时，真空就应正常。但是目前平东公司其调节阀开度仅为3%，其存在的问题应认真分析。三、国内轴加系统方案简介3.1、姚孟电厂现有4台300 MW机组和两台600MW，其中1、2号机组由上海汽轮机厂制造，分别于1975年和1981年投产，3、4号机组从法

6、国阿尔斯通公司引进,，5、6机为哈汽机组，分别于1985年和1986年及2007年投产，其轴加疏水均为单级水封系统。4台300MW机组的轴封加热器系统在调试中及投产后都发生过一些问题，曾多次发生过水封破坏事故，致使真空急剧下降而停机。经过多次改进后，问题基本上得到了解决。采用了新设计的水封系统后，已安全运行1725年，表明了所采用的低位高深度水封筒和高位高深度U形管水封的高度可靠性。3.1 轴加安装标高图1，标高为4米，轴加汽侧系统轴加应装在运转层平台以下足够低的标高上，以便从汽缸下部引出的轴封抽出管道的支管及母管，能顺着流向，以足够的单向坡度引至轴加顶部，较大的标高差(35m)以防轴加水位异

7、常时，水进入轴封系统。轴加标高越低疏水U形管水封可利用的正压侧水柱高度越小(不宜小于4m)，往往需向地下插套管式水封管，轴加的合适标高一般在26m标高上，较低的标高用于有地下室的布置中（例如姚孟#3、4300 MW机组和平东#6、7机组）。图一：轴加汽侧系统图3.2 国内外汽轮机组的轴加疏水系统类型国内外汽轮机组的轴加疏水系统一般为水封式和低位水箱式，水封式又分为多级和单级水封，低位水箱式分为疏水式和内浮球式。3.2.1上海汽轮机厂早期引进西屋型300MW机组轴加低位水箱疏水泵其原则性热力系统图为：图二：上海汽轮机厂早期引进西屋型300MW机组轴加低位水箱疏水泵3.2.2上海汽轮机厂引进西屋型

8、300MW机组轴加疏水优化后其原则性热力系统图为：图三：上海汽轮机厂引进西屋型300MW机组疏水系统(华能阳逻电厂)3.2.3 姚孟#5、6机组600MW机组轴加单级水封系统：图四：3.2.4 湖南株洲电厂135MW机组轴加多级水封系统：图五： 300MW机组轴加多级水封系统3.2.5 135MW机组利用两相流控制轴加水封系统湖南株洲电厂N125-13.24/535/535/的汽轮机疏水优化后其原则性热力系统图为：图六：135MW机组利用两相流控制轴加水封系统3.2.6江苏射阳港200MW机组低位水箱轴加水封系统 2001年改造为轴加疏水直接进入低位水箱，而低位水箱的水位由自动控制水位的浮球阀

9、控制。图七：江苏射阳港200MW机组利用两相流控制轴加水封系统3.2.7 邹县电厂600MW机组轴封加热器U型疏系统邹县电厂两台N-600型双背压凝汽式机组(5号、6号机组),分别于1997.01.17和1997.11.05移交生产。邹县电厂600MW机组原轴封加热器U型疏系统水管密封易发生水封破坏，自投产以来,其排汽真空一直达不到设计值,试运期间满负荷下只有(92-93)kPa, 比设计值低3-4kPa,为验证U型疏水管水封的严密性进行以下试验：1)、开注水后,A凝汽器-96kPaB凝汽器-92kPa,关注水后,A凝汽器-93kPaB凝汽器-91.5kPaA凝汽器差3kPa,B凝汽器差0.k

10、Pa。因轴加疏水排至A凝汽器。对A凝汽器影响较大。2）、停轴封加热器风机后,轴加筒体压力-780Pa。3）、在轴加U型疏水管的封头处钻一小孔后向里吸气。通过上述试验,证明轴加U型疏水管高度不够,密封破坏,影响主机真空。4）、将原U型水封改为多级水封后试验。开注水后,A凝汽器真空无变化，停轴加风机,轴加筒体压力为-1Pa。改后轴加多级疏水密封性能良好。图八：邹县电厂600MW机组轴加水封系统改前和改后图邹县电厂原设计轴封加热器单级“U”型水封的总高度为10.6m，改为多级“U”型水封后，多级水封的总高度12.3m。改造后的试验表明，机组启动前多级水封注满水，机组启动后不需要连续注水。真空无变化，

11、完全满足运行要求,彻底解决了轴封漏气的问题，并且安装检修方便。3.3疏水方式的选择长期运行实践表明，U形管水封疏水方式是简单、可靠、免操作、免维护的方式，最适合用于对可靠性要求很高、压差不大的轴加疏水系统，任何其它疏水方式，如电动、气动或浮子式水位调节装置都无法与它媲美。有的机组轴加疏水放至低位水箱或疏水箱，再经疏水泵打至凝汽器、水箱设水位控制装置。3.4轴加疏水U形管有效水封高度的安全值计算轴加疏水U形管有效水封高度的安全值，轴加汽侧压力最高为0.097Mpa，凝汽器压力最低为0.003MPa,疏水密度取970kg/m3,按计算,需要的水封有效高度为：（0.097-0.003）9.8106=

12、9.89m。然而，由于疏水在U形管负压侧上升过程中，压力下降而汽化，平均密度下降，平衡U形两侧压差所需有效水封高度比计算值大15%20%，已由试验证实。在U形管正压侧装水面计，实测水封破坏时的有效水封高度(U形管负压侧排出口与正压侧水面标高差)，在工况稳定时为11.5m，工况变动时为12.0m。姚孟电厂有3台300MW机组原设计轴封加热器疏水U形管的最大有效水封高度为11.712m，调试过程中均多次因水封破坏,真空急剧下降而停机。后改为1415m，已安全运行915年，遇到过各种工况变化，均未发生U形管水封破坏事故。设计中最高有效水封高度应大于12.5m。6.4 轴加疏水U形管水封两侧分枝的高度

13、因为水柱只能承受压力而不能承受拉力,所以只有U形管正压侧有水柱存在时,U形管中的水位才是稳定的。根据运行经验，当有效水封高度达最大值时，正压侧水柱高度应大于2m；所以U形管负压侧分枝的高度应不小于：12.5+2=14.5m。夏季凝汽器真空在低限,有效水封高度将比其最大值降2m，正压侧水柱高度将为2+2=4m,为安全起见,U形管负压侧分枝高度应大于15m。6.5 轴加疏水低位U形管水封U形管负压侧分枝为14.5m,凝汽器最高点标高一般为79m,所以,U形管需做成套管式,插入地下,负压侧出口接在凝汽器低位,正压侧分枝高度大于负压侧。抽真空时,正压侧水柱进入负压侧后仍留有足够高度;破坏真空两分枝水面

14、平衡后,水不会进入轴加,这是最可靠的方式,能适应任何工况。地下井壁应有衬管,套管应用不锈钢管,以防腐蚀。曾有一电厂地下插管漏泄,地下水进入热力系统,无法处理。在这种方式中,地下套管中的水柱总是放不掉的。姚电公司#1、2台机组改为这种方式(地下部分15m)，已安全运行25年，经历了各种工况考验。图九：姚孟#1、2机组和华能阳逻电厂低位U形管水封安装图6.6 轴加疏水高位U形管水封如果现场条件不宜做低位水封，则应采用高位水封。将250圆管(等压罐)置于高位,下端以125管道(排水管),上端以50管道(虹吸破坏管)分别接至凝汽器,两管道均应有足够大的单向坡度。U形管水封的负压侧接在等压罐的上部。等压

15、罐的标高以满足最大有效水封高度及U形管正压侧的安全水柱高度为准。高位水封U形管正压侧高度很小,所以直径应大,以便有足够的容积接纳停机后负压侧反回的水,防止轴加水位升高;启动快速真空时,正压侧有足够的水补充到负压侧,以防止正压侧水柱消失(改进前曾发生过这类事故)。6.7 轴加疏水U形管水封的通流能力轴加疏水量很小,在(13)103kg/h,但是,当传热管束漏泄时,可能增加数10倍,所以U形管水封的通流能力应有足够大的富裕量,单枝管径可在100150之间,若取125,则当传热管束的漏泄面积为单管横断面积的5倍时,仍不会出现危险水位。6.8 U形管正压侧加装溢流管凝汽器真空出现异常,U形管两侧压差减

16、小时,或传热管束漏泄水量增大时,为避免轴加出现水位,应装设U形管正压侧溢流管,(见图8)从距轴加壳体最低点0.60.8m的正压侧分枝上接一水封高度为0.50.6m的U形管,其大气端接至顶端开放的竖直排放管,排至下水道系统。溢流装置的通流能力应足够大,管径可在125150间选用。引进机组采用了U形管负压侧低位排等压罐及低加轴封正压侧溢流照片，放(排至凝汽器低位)以备凝汽器真空异常时使用,此系统不宜采用,手动调节很难掌握调整不当或发生误操作都可能使水封破坏,况且U形管正压侧溢流系统完全可以取代它，已把它永久隔离。U形管正侧上应装束自轴加进水管的注水管、管道上要隔离阀及68孔板以限制流量,管道可用2

17、030图十：姚孟#3、4机组高位U形管系统轴加正压侧溢流管安装图图十一：姚孟#3、4机组高位U形管等压罐安装图图十二：姚孟#3、4机组高位U形管系统设计示意图四、平东公司水封改造1、平东公司单级水封问题安装与设计存在较大差异，见图13和图14，不能形成有效水封，基本依靠调门节流，开度2%，存在不稳定问题，需要经常注水，影响凝结水含氧量，同时存在真空突降轴加满水和烧风机电机问题。图十三：平东#6、7机组U形管系统安置图设计示意图2、平东公司多级水封问题设计的水封高度为10米，经校核计算，多级水封本身9.6米,由于出水管位差0.45米,运行良好的多级水封在12-15米之间，所以调试时，出现掉真空现

18、象。3、改造的成本分析1）、低位U形管水封系统：根据国内经验，低位U形管水封运行操作量少和不需要维护，轴加在零米层，但是平东公司零米地面下为整体防渗层，在负4米，需要在负4米向下打井11米，工作量和施工难度较大。2）轴加疏水高位U形管水封系统平东公司运行层为正10米，凝泵层为负4米，循环水进水间为负4.8，轴加在零米层，可以在汽轮机运行层按装等压罐，汽侧和水侧分别引入凝汽器，但是需要增加轴加疏水溢流系统，工作量和施工难度较大。3）、恢复多级水封(1)技术条件根据上述分析, 多级水封密封回水系统应满足的技术条件为：(1)能在凝汽器正常运行压力范围内(10134.9kPa)投运。(2)凝汽器真空、凝结水含氧