杜英智

(博萊克威奇(北京)工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100022)

1 汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)簡介

汽輪機(jī)運(yùn)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(yīng)留有適當(dāng)?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(jī)組效率，還會影響機(jī)組安全運(yùn)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(yùn)行環(huán)境，導(dǎo)致軸頸受熱或沖進(jìn)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(jī)組熱效率并回收工質(zhì)。軸封加熱器風(fēng)機(jī)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(fù)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(zhǔn)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(jìn)行管網(wǎng)分析，計(jì)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(jìn)行整體檢查和修改。

汽輪機(jī)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(jì)算方法

汽輪機(jī)軸封漏汽量的計(jì)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(jī)本體的軸封設(shè)計(jì)，根據(jù)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)說明書中的軸封設(shè)計(jì)參數(shù)或現(xiàn)場熱力測量得到的參數(shù)計(jì)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(dá)到臨界速度，然后選擇相應(yīng)的公式來計(jì)算軸封漏汽量。焓降法是基于汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的能量平衡原理，分兩步進(jìn)行計(jì)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(jì)算出后端軸封漏汽量。

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

4 計(jì)算實(shí)例

國內(nèi)某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目配置2套一拖一多軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組, 性能保證工況下的總出力為293.7 MW(燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)出力為251.7 MW，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)出力為42.0 MW)，燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司生產(chǎn)的9FA機(jī)組，汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的單缸雙抽軸向排汽式汽輪機(jī)，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(fù)荷。

汽輪機(jī)軸封蒸汽在啟動和低負(fù)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(yùn)行期間，從高壓軸封泄漏的蒸汽引入汽輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)軸封漏汽系統(tǒng)示意圖

4.1 軸封漏汽模型的設(shè)計(jì)輸入

軸封系統(tǒng)由汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)，廠家負(fù)責(zé)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(guān)設(shè)備(包括軸封加熱器和均壓箱等)的設(shè)計(jì)，提供軸封設(shè)計(jì)說明書、系統(tǒng)圖和設(shè)備圖紙，系統(tǒng)圖中包括漏汽點(diǎn)的壓力、溫度、接管規(guī)格，閥門類型和設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)等。軸封系統(tǒng)的管道布置由設(shè)計(jì)院來完成。軸封漏汽模型的設(shè)計(jì)輸入見表1。

表1 軸封漏汽模型的設(shè)計(jì)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(jī)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?yàn)?按照距離軸封加熱器的遠(yuǎn)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(diǎn)參數(shù)(壓力和溫度)、管道規(guī)格(外徑和壁厚)、實(shí)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(jì)算出各個漏汽點(diǎn)的漏汽量及軸封加熱器入口處的混合溫度，供汽輪機(jī)廠進(jìn)行軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軸封加熱器設(shè)計(jì)選型及管道布置優(yōu)化時參考。

運(yùn)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(diǎn)參數(shù)和管道布置完全一致)計(jì)算軸封漏汽量，一種是設(shè)定流量法，一種是設(shè)定壓力法。

4.2.1 設(shè)定流量法

設(shè)定流量法是以進(jìn)入軸封加熱器的漏汽量(通?？蓞⒄掌啓C(jī)生產(chǎn)廠家提供的軸封加熱器殼側(cè)的流量)為依據(jù)進(jìn)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(jì)算每個漏汽點(diǎn)的漏汽量，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 設(shè)定流量法

表2 設(shè)定流量法計(jì)算結(jié)果

采用設(shè)定流量法計(jì)算軸封漏汽量時，漏汽點(diǎn)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(jì)算中選取常用的美標(biāo)管子粗糙度)，漏汽量也就越大。漏汽點(diǎn)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(shè)定壓力法

設(shè)定壓力法是基于軸封加熱器殼側(cè)的運(yùn)行壓力(軸封加熱器在運(yùn)行過程中需維持一定的負(fù)壓,由汽輪機(jī)廠家提供)進(jìn)行建模，如圖3所示。該方法是依據(jù)管系壓降計(jì)算原理來計(jì)算每個漏汽點(diǎn)的漏汽量，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 設(shè)定壓力法

表3 設(shè)定壓力法計(jì)算結(jié)果

采用設(shè)定壓力法計(jì)算軸封漏汽量時，漏汽量的大小除了與漏汽點(diǎn)的管道規(guī)格、管道布置方式、阻力系數(shù)的選取有關(guān)之外，漏汽點(diǎn)的蒸汽壓力和軸封加熱器殼側(cè)的運(yùn)行壓力是兩個很重要的影響因素。漏汽點(diǎn)的蒸汽壓力越高，軸封加熱器殼側(cè)的運(yùn)行壓力越低，也就是壓差越大，漏汽量也就越大。通常漏汽點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)的溫度有關(guān)。

4.3 結(jié)果分析

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

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

(2)設(shè)定流量法是按照流量分配原理進(jìn)行計(jì)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(diǎn)的漏汽量為負(fù)值，導(dǎo)致蒸汽無法從漏汽點(diǎn)順利排出。設(shè)計(jì)院應(yīng)更改該漏汽點(diǎn)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(shè)計(jì)溫度和材料選擇的依據(jù)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，這兩種方法計(jì)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(diǎn)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(diǎn)的接入順序，軸封加熱器入口汽、氣混合物的溫度也會相應(yīng)改變。采用設(shè)定流量法計(jì)算得出的軸封加熱器入口的混合溫度比設(shè)定壓力法要高。

(5)如果進(jìn)入軸封加熱器的漏汽量和軸封加熱器殼側(cè)的運(yùn)行壓力都是已知的，那么可以采用設(shè)定壓力法來驗(yàn)證系統(tǒng)的通流能力。模型中采用設(shè)定壓力法計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)算軸封漏汽量。實(shí)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(guān)。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(yùn)行工況時的漏汽量也不一樣，啟動和低負(fù)荷時會小一些，正常運(yùn)行時要大一些。本文則是通過建模的方法來計(jì)算軸封漏汽量，得出的計(jì)算結(jié)果與上述方法相比較，用來供汽輪機(jī)廠家進(jìn)行軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時參考，也可供設(shè)計(jì)院進(jìn)行軸封系統(tǒng)管道布置優(yōu)化時參考。

實(shí)際上，汽輪機(jī)軸最末端漏出的是蒸汽和空氣的混合物，而該模型假設(shè)漏出的全部是蒸汽，計(jì)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(jì)算結(jié)果也偏保守；實(shí)際漏汽點(diǎn)的壓力(現(xiàn)場實(shí)際測量的漏汽壓力)應(yīng)略低于大氣壓力，而該模型是按大氣壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出的漏汽量也是偏大的，結(jié)果也是偏保守。

本文計(jì)算實(shí)例中的汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)相對比較簡單，建模法同樣可應(yīng)用于大容量汽輪機(jī)復(fù)雜軸封系統(tǒng)漏汽量的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

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