汽轮机的轴端设置系统，防止蒸汽和空气漏入

一、轴封系统绪论

汽轮机的定子应当穿过喷管，支撑于轴套上，在定子穿出喷管处还要有间隙，正常运行时，对于高、中压气缸的两端，气缸内蒸气压力小于外界的环境压力，部份蒸气由此处的间隙露出，引起工质和能量的损失，但是露出的蒸气或许踏入汽机联轴器箱，影响润滑油的品质和联轴器的正常工作。对于低压缸的两端，因为气缸内的压力为负压，大于外界的大气压力，在间隙处空气会漏入低压缸，导致真空衰退，造成蒸气作功能力增加，冷源损失减小，最终使循环效率增加。对于直接空冷锅炉，如漏入的空气不能被及时抽出，将直接影响空冷散热片的传热疗效；夏季时，还或许导致空冷散热片管束冻结、冻裂，严重关乎锅炉安全运行。所以，要在汽轮机的轴端设置衬套系统，避免蒸气露出喷管和空气漏入气缸。

二、轴封系统的工作原理

基本上所有汽轮机的轴端密封均选用自密封系统。自密封汽封系统是指在锅炉正常运行时，由高、中压缸轴端汽封的漏汽经喷水减温后作为低压轴端汽封供汽的汽轮机汽封系统（如图1）。在锅炉启动或低负荷运行阶段，汽封供汽由外来蒸气提供（如图2）。该汽封系统从锅炉启动到满负荷运行，全过程均能按锅炉汽封供汽要求手动进行切换。自密封汽封系统具备简略、安全、可靠、工况适应性好等优点。

图1汽轮机在25%负荷或更高负荷下的汽封系统

图2汽轮机在空负荷或低负荷下的汽封系统

在启动过程中，汽源供汽经均压箱调压稳压后，一部份往前汽封供汽，另一部份向后汽封供汽；当锅炉达到一定负荷后，车钩封用汽完全由前汽封的漏汽供给，随着负荷继续下降，前汽封的多余漏汽手动溢流到凝汽器，并由调节阀手动保持供汽压力稳定。设置在低压汽封供汽管道上的气温控制站手动调节以保持低压汽封供汽体温的稳定。其实，从启动前投汽封到停机后停止汽封送汽，该系统完全能手动调整，具备良好的负荷适应性。

在汽轮机起动和低负荷时所有气缸中压力都高于大气压力。密封汽供到“X”腔室，通过汽封片一边漏入汽轮机，另一边漏到“Y”腔室。“Y”腔室与轴套加热器相通，轴加水泵抽吸此漏水，控制该室压力具备一定的真空度。因此，外界空气通过外部汽封片漏入“Y”腔室后，与从“X”腔室来的密封蒸气混和，再流向衬套冷却器。

随着锅炉负荷的提高，调速汽阀开大，进汽量降低，喷管内压力相应减小。当中学压缸两端的排汽压力低于“X”腔室压力时，汽流在内汽封环内发生相反流动，缸内的蒸气经过汽封流向“X”腔室。

三、轴封系统的组成及主要设备

衬套系统辅以压力和湿度是手动控制的自密封系统。设有衬套压力手动调整装置、高低压衬套蒸气气温手动调节装置、溢流泄压装置和水封抽气装置，衬套用汽进口处设有永久性蒸气过滤器。衬套用汽系统包括衬套汽源切换用的电动隔绝阀、减压阀、旁路阀、泄压阀和其它球阀以及仪表、减温设备和有关附属设备等，系统供汽母管还设有安全阀，可避免供汽压力过低而罔顾锅炉安全。另外设置一台100％容量的衬套蒸气冷却器，两台100％容量的轴加水泵，用以排出衬套蒸气冷却器内的不凝结的二氧化碳，两台电动进气水泵互为备用。汽封系统疏水选用一直疏水，且辅以手动疏水器。

1.轴端汽封

DAS汽封其结构方式与梳齿类似，但汽封块两边的高齿部份齿宽厚实，它与轴的锥面间隙略大于其它齿，并辅以铁素体类材料将其嵌入汽封块中，与定子磨擦时形成的糖分小，不易弯轴。关机过临界时如形成碰磨都会先与大齿磨，因为它厚不易磨掉故不会磨到其它的齿，保证正常运行时的汽封间隙。

DAS汽封属于传统迷宫汽封的范畴，安全靠谱性高。迷宫密封由一组链状的密封齿片组成，齿与轴之间产生了一组节流间隙与膨胀空腔。氢气流经各个环型的齿顶间隙时，形成节流效应，间隙中的压力湿度均增加。当二氧化碳流经各个膨胀空腔时，则会形成一系列等焓热力学过程。

二氧化碳穿过齿顶间隙踏入空腔，因为体积忽然扩大，氢气膨胀而形成猛烈的旋涡。在体积比间隙体积大太多的空腔中二氧化碳流速几乎等于零，这时，气流的绝大部份动能转换为热能，被腔室中的二氧化碳吸收，二氧化碳气温又从流经间隙时的气温下降到流入间隙前的体温，在空腔内的压力却下降很小，使气流的焓值保持接近于间隙前的数值。气流仅存小部份动能，以余速穿过下一级齿顶间隙继续增加压力和流量。经过一级一级地重复上述节流及等焓热力学过程，使二氧化碳的残余速率十分低，二氧化碳压力日益增加，最终二氧化碳的外漏量十分小，起到了密封作用。

接触式汽封是靠弹性钢梁(如弹簧)和介质的压力在旋转的接触表面(轮缘)上形成适当的压紧力，使轮缘密切贴合，轮缘间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具备流体动压力与静压力，起着润滑和平衡压力的作用。

2.供汽母管压力调整机构

衬套供汽选用三阀系统，即在汽轮机所有运行载荷下，供汽压力通过三个调节阀即主汽供汽调节阀（有的锅炉选用再热蒸气）、辅助汽源供汽调节阀和溢流调节阀来控制，使汽轮机在任何运行载荷下均手动保持供汽母管中设定的蒸气压力。上述三个调节阀及其前后截至阀和必需的旁路阀组成三个压力控制站，分别为主汽汽源供汽站、辅汽汽源供汽站和溢流站。

每位调节球阀配有一个位移变送器，将球阀的开度转化为4～20mA。汽封联箱的压力变化通过压力变送器将4～20mA的联通号运抵DCS，由DCS完成对球阀的控制功能，并输出相应控制讯号，控制运抵调节阀膜盒的空气量，以便控制调节阀的开度，来维持汽封母管的压力在规定的范围内。

汽轮机启停机或负荷较低时由辅助汽源提供衬套用汽，正常运行由冷再热蒸气提供汽源。随着负荷的下降，衬套系统逐步达到自密封状态，假如通过内汽封漏入“X”腔室的汽量（图2—9）少于各低压汽封还要的密封汽量，则汽封联箱压力将下降，超出各衬套压力调节阀的设定值时，各供汽阀将完全关掉，而溢流阀开启，将多余的蒸气排往凝汽器，以便控制汽封联箱的压力。因而，溢流调节阀的给定值比冷端再热供汽阀高。

3.低压减压器

低压衬套蒸气减温器适于增加在踏入凝汽器空间之前供汽管线内低压汽封供汽的气温，低压汽封内的蒸气气温维持在120℃～180℃之间，以防汽封体或许的变型和毁坏汽轮机定子。在冷凝器内衬套供汽管线中蒸气能进行自然降温，但供汽气温主要由减温喷水系统控制。在踏入减温器的蒸气气温约为260℃或更高的状况下，用此系统能够使汽封蒸气气温达到120℃～180℃之间，并且，假如踏入减温器的蒸气气温高于260℃，非常是假如接近控制范围120℃～180℃时，则不要喷水，但是供汽管线中的自然降温作用或许使汽封气温降到控制值121℃以下。

减温器和连结管线示意如图2—11中，过热的衬套蒸气踏入减温器，且在减温器收缩的管线截面中蒸气速率降低。之后稳压减压阀，蒸气通过喷管，在喷管中冷却水被注入高速汽流中，那样保证绝对雾化，且因冷却水气化而使蒸气气温增加。来自凝结电机的冷却水通过管线经过减温器头部的喷管而进入减温器，经过喷管的冷却水量由低压衬套气温调节器阀来控制。该调节阀可投入水温手动控制，通常低压衬套蒸气气温定值为150℃。当低压衬套气温小于150℃时，就向减温器中喷水冷却。在喷管出口约1.52米处的供汽管线中装有一个疏水罐，进行充分的疏水，避免未充分雾化的喷水踏入低压衬套。

4.高压减温器

为了限制在启动和停机过程中或许发生的衬套蒸气和大学压定子表面之间的温差，以防衬套区的定子在热蠕变的作用下形成裂痕受损，在系统中设置了高压减温器。DCS中的温差控制器整定值为85℃。当高压汽封蒸气气温与调端高压缸端壁金属气温之差小于85℃时，通过温差控制器控制高压减温调节阀，向高压减温器内喷水，冷却高压汽封蒸气。汽封蒸气与缸壁之间的温差，用高压汽封供汽母管中的蒸气电厂偶及高压缸调端缸壁金属电厂偶测得。

为了避免在汽封蒸气气温较低时喷水。在DCS系统中提供如下控制逻辑：当高﹑中压汽封供汽气温大于150℃时，但是汽封蒸气气温与调端高压缸端壁金属气温之差小于85℃，高压减温调节阀仍处于关掉状态，截断水源。之外，为避免未充分雾化的喷水踏入汽封，在距减温器出口约1.52m的供汽管路中装有一个疏水罐。

5.衬套蒸气冷却器（衬套加热器）及多级轴封

如图1和图2所示，“Y”腔室是汽封漏水区，其中应当维持稍高于大气压力，一般显示690Pa的负压，但是，假若系统工作正常，容许达到500～750Pa的负压。

主要作用是将汽—气混和物的糖分传给凝结水，减少了汽轮机热力系统的经济性。再者运用凝结水来冷却各段衬套和高、中压主汽调节阀衬套抽出的汽—气混和物，在轴套加热器汽侧腔室外产生并维持一定的真空，避免蒸气从阀体端泄露。使混和物中的蒸气凝结成水，以便回收工质。同时，将混和物的气温增加到轴加水泵常年运行所容许的盐度。

运行时，凝结水由水室水闸流入冷却铁管内，经过U型管到水室出口并流出加热器;汽—气混和物踏入外壳后，在冷却铁管处迂回流动，通过管壁与冷却水进行热交换，使凝结水盐度下降，而汽—气混和物中绝大部份蒸气凝结成水，通过轴封U型管疏水至凝汽器，不凝结二氧化碳和少量蒸气则由衬套水泵抽出并排放到大气。

多级轴封示意图

衬套加热器多级轴封，轴封的级数可以用公式：

P1:轴加内的压力，kPa;P2:外界压力，kPa;h:每级轴封管的高度；ρ：水的密度，kg/m3.

多级轴封作为轴加的疏水装置的异同点：

特点：没有机械传动，所以无锈蚀、无卡涩；没有机电器件，所以不须要调试，不耗电；结构简略，维护便于。

劣势：停机后轴封管内有残留积水，易导致金属生锈，所以影响再度启动时凝结水的品质；占地面积大，需挖大坑放置轴封，以及仅能在加热器间压力差不大的状况下使用。

6.安全阀

因为运抵汽封系统的供汽压力低于系统容许的设计压力，在系统中装有两个安全阀，以防止因为调节阀失灵或许导致的过低压力。

安全阀是一个以“突然”作用为特性的直接压力启动的放泄阀，两个安全阀全调整在压力为时开启排放系统中多余的蒸气，当汽封系统中的三个调节阀和旁路阀以最大通流能力供汽时，两个安全阀处于全开位置，能排放系统中适量的蒸气。

7.蒸气过滤器

为了避免外部物质踏入汽封和造成定子的毁坏，在每位汽封的供汽管线中使用了蒸气过滤器。过滤器的“Y”形支管是水平安装的或放在管线的底部，因此能否自行排空。

8.电厂偶

电厂偶是拿来使运行人员才能监视高压和中压汽封供汽与某些汽封区的定子金属之间的温差，汽封供汽的气温是直接从调节阀和汽封之间的供汽管线中测得的，而汽封区的定子金属湿度是不能直接测得的，它是通过在喷管的一端或两端检测喷管壁气温取得的近似值。

9.衬套水泵

本系统辅以两台100%容量衬套水泵(其中一台备用)。

作用是用以抽出衬套加热器内的不凝结二氧化碳，以保证衬套加热器在良好的传热条件下工作，并维持汽封腔室一定的负压，使衬套汽的外挡漏水不向外冒汽。

四、轴封系统的运行1.衬套系统投入

留意事项：

投产操作：

汽轮机本体和水封供汽管线所有疏水阀打开且汽轮机处于连续盘车状态。启动凝结电机并确立通过衬套冷却器的冷却水量。开启衬套冷却器水室上的漏气口，直到全部残留二氧化碳排入大气。开启衬套冷却器疏水门。开启各衬套压力调节阀前后自动门及电动门、轴封气温调节阀前后自动门，供汽调节阀处于自动关掉状态，衬套溢流调节阀投入手动，。稍开辅汽供衬套调节阀，衬套管道暖管。检测衬套管道各疏水阀已无水，暖管结束。启动一台轴加水泵。渐渐开大辅汽供衬套调节阀，向衬套母管供汽，投入辅汽调节阀压力手动。投入高、低压衬套气温调节手动。冷再供衬套用汽在冷态启动时处于自动关掉状态，当机组打火降压，冷再蒸气压力、温度符合衬套用汽的要求（蒸气为过热蒸气，最小有14℃的过热度），可投入冷再供衬套调节阀的手动。锅炉温态、热态、极热态启动时，可选用冷再供汽。确认各气缸的每位汽封处均有低度真空。确认各气缸的任何汽封的蒸气没有漏入大气，假如发觉有漏汽，则增加衬套冷却器真空，或调整各调节阀的给定值以增加汽封联箱内的蒸气压力直到停止向外部漏汽。衬套压力构建后，开始抽真空。当负荷提高到少于初始值时，所需的外部汽封供汽量减少，约在25％的额定负荷下，冷端再热供汽插口将提供密封汽轮机所需的全部供汽量，在更高的负荷下，来自高压和中压汽轮机汽封的漏汽或许等于各低压汽封所需的蒸气数量，当达到高负荷时，汽封联箱的蒸气压力将提高到冷端再热供汽阀控制器（在DCS中）的给定值，且此调节阀关掉。假如汽封联箱的压力继续增高，则汽封联箱溢流阀将开启，并允许多余的汽封漏汽流往主凝汽器。

2.衬套系统停航

在主凝汽器的抽汽设备停止运行和主凝汽器的真空完全消失曾经，不得截断汽封供汽。否则冷空气沿衬套处流入气缸，会使定子表面金属随之冷却，又会造成热的﹑静止的汽封体变型。停止次序在锅炉盘车和汽封供汽来自外部汽源的状况下，确认主凝汽器真空已完全消失。停止衬套冷却器水泵在停止衬套冷却器的水泵后，应立刻关掉各衬套供汽调节阀及调节阀前后自动门、电动门。关掉高、低压汽封蒸气减控温制阀两边的自动截至阀。停止衬套冷却器的凝结水侧运行。

4.正常运行的监视

衬套蒸气母管压力0.023～0.。低压衬套供汽压力、温度。衬套加热器疏水水位。衬套加热器汽侧负压。正常运行时真空在500～750Pa范围之内，一般是690Pa。轴加水泵运行状况。衬套系统运行限制汽封供汽应当具备不大于14℃的过热度。盘车之前不得投入汽封供汽系统，以免定子弯曲。低压缸汽封供汽气温120～180℃，低压汽封气温控制器整定值为150℃。为了避免汽封部位因为热蠕变而导致定子受损，锅炉在启动和停机时，要尽量减少汽封蒸气和定子表面间的温差下稳压减压阀，因为热蠕变而使定子开始形成裂痕的估算循环次数，由图2-12的曲线确定。建议定子循环疲劳能力为10000次。假如热态启动选用辅助机组向衬套供汽，则应留意辅助机组所供蒸气的体温也不得使衬套蒸气与定子表面金属的最大容许温差超出上述规定。

5.当锅炉甩负荷时，衬套系统调整处理：

如锅炉辅汽压力达到要求，则衬套供汽由辅汽供给。如辅汽压力达不到要求，而汽平衡达到要求，衬套供汽切至汽平衡供给；如汽平衡也达不到要求，则打开主汽至衬套排气门，将轴套供汽切至主蒸气（再热蒸气）供给。锅炉运行时，如锅炉断电或锅炉停机时，应调整打开主汽至衬套排气门及减冷水，调整冷再压力在2.94-29.4kPa，气温在180～220℃，调整衬套压力至正常，保证汽机惰走其间真空正常。如轴套压力难以维持，在汽机车速降至2000r/min以下时，凝汽器破坏真空，真空到零后停止衬套系统。查找锅炉断电成因，尽早恢复锅炉运行。

五、轴封系统的通常车祸处理

1、轴封供汽不足

1）现象

A:凝汽器真空衰退。

B:衬套供汽压力升高。

2)成因

A:溢流站调节阀失灵。

B:溢流站旁路阀误开。

C:开、停机时，衬套供汽阀失灵，或有关球阀误关。

3)处理

A:溢流站调节阀失灵，应关小调节阀前截门，并自动调整以维持正常的衬套母管压力，并联系修理处理。旁路门误开，应立刻关掉。

B:开、停机时，若衬套供汽阀失灵，联系修理处理。有关球阀误关，应立刻开启。

2、轴封气温偏低

1）成因

A:轴加满水了，水通过衬套回汽管道踏入衬套母管，导致气温升高

B:衬套减冷水手动失灵，大量的减冷水踏入衬套母管，导致衬套体温下降。

C:轴加注水管道仍然在注水，导致轴加满水，水通过衬套回汽管道踏入衬套母管，导致气温骤降。

D:轴加水泵长时间停航，导致衬套回汽不畅，导致衬套带水

E:衬套汽源汽温偏低，带水，以便影响衬套蒸气的质量，带水，气温骤降.

2)处理

A:开疏水

B:同时增加辅汽压力，既可保住真空，又能把进汽管线、回汽管线的积水冲蚀干净使衬套回到正常状态。

C:看真空，可以涨负荷，

3、轴承体温过低

1）现象

A:相对应的支撑轴瓦气温

B:回油气温下降

C:锅炉胀差不正常下降

D:定子轴振上升

2)成因

A:低压衬套减冷水都投不上

B:衬套齿受损

3）处理

A:按照锅炉负荷、相对应的抽气参数

B:及时调整衬套进汽量、

C:调整衬套母管的压力、温度

D:调整减冷水

E:倒换汽源等

4、轴封带水

1）现象

衬套带水将影响胀差向负值减小

2）成因：

锅炉刚启动或低负荷时衬套供汽带水有导致水冲击，倘若是甩负荷车钩封供汽带水就会使低温的大轴表面遭到不均匀的骤变冲击，对大轴的害处是极其严重的。假如锅炉带较高负荷稳定运行，高压衬套漏汽压力比较高并且是向外排，低压衬套气温低，影响不是太大

3）处理：

A:切换衬套汽源，

B:打开衬套供汽系统及本体疏水门，聆听机内声音，检测震动，记录惰走时间，检测盘车电动电气流是否正常且稳定，盘车后检测定子弯曲数值。如惰走时间显著降低或机内有异常声音，推力瓦气温下降，轴向位移，胀差超限时，不经检测不容许锅炉再次启动。

C:假如发觉锅炉声音变沉，震动减小，轴向位移减小，胀差降低或出现负胀差，应立刻破坏真空，打闸停机。

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