核电汽轮机轴封供汽系统的优化设计

赵巍巍

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

汽轮机轴封系统的功能是向汽轮机端部轴封提供密封蒸汽，防止汽轮机在正常运行、启动和停止时，环境中的空气从轴封处漏入汽轮机或汽缸中的蒸汽漏入外界环境中，并回收汽轮机端部轴封和汽机进汽阀阀杆的漏汽。目前，国内已投运的百万等级核电站中，无论是全速汽轮机还是半速汽轮机均无法达到自密封，即汽轮机正常运行（达到一定负荷）时，高中压缸的端轴封漏汽的汽量和品质无法满足低压缸端轴封的供汽要求，还需要外汽源供汽。文献［1］对核电半速与全速汽轮机轴封系统进行了比较，半速汽轮机（岭澳二期）启停时的轴封蒸汽来自于辅助蒸汽，正常运行时的轴封蒸汽来自于主蒸汽；全速汽轮机（岭澳一期）启停时的轴封蒸汽来自于辅助蒸汽或主蒸汽，正常运行时不需外供汽源，由主汽门后的主蒸汽导管供高压缸及低压缸轴封蒸汽，此方案依然不能称为自密封，主汽门后的主蒸汽导管供汽其实质还是主蒸汽供汽。汽轮机正常运行时采用主蒸汽供轴封蒸汽，势必减少汽轮机进汽量，降低机组经济性。某核电汽轮机轴封耗汽量达到9.7t/h，约占蒸发器额定产汽量（6 144t/h）的0.16%，因此，有必要优化汽轮机轴封供汽系统设计，提高机组经济性。

1 某核电工程汽轮机主要参数及轴封供汽系统

某核电工程选用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的单轴、四缸六排汽（一个高压缸、三个低压缸）汽水分离中间再热凝汽式半速汽轮机，汽轮机额定工况数据：

a.蒸发器的额定产汽量是6 144t/h，主汽阀进口处压力5.84 MPa（绝对压力，下同），蒸汽湿度小于0.5%。

b.汽轮机高压缸排汽（再热冷段蒸汽）参数0.987 MPa，179.3 ℃（湿蒸汽，湿度约12.7%）。

c.启动阶段轴封蒸汽用量26.8t/h，正常运行阶段轴封蒸汽用量为9.7t/h。

d.辅助蒸汽来自于已投运的机组的抽汽，0.85 MPa，湿度13%。

核电汽轮机轴封供汽系统见图1，轴封供汽设有两路汽源，一路是启动汽源至辅助蒸汽，另一路是低压缸端轴封工作汽源至主蒸汽。机组启停时，辅助蒸汽经高压缸端轴封供汽调节阀和低压缸端轴封供汽调节阀减压后向高压缸及低压缸端轴封提供密封蒸汽，蒸汽压力为0.13 MPa，所需最大蒸汽量为26.8t/h。当机组功率高于15%额定功率时，高压缸端轴封处于自密封状态，溢流调节阀调节高压缸端轴封压力，多余的轴封蒸汽全部溢流至1号低加；低压缸端轴封蒸汽全部由主蒸汽供给，消耗量高达9.7t/h，较文献［1］中某制造厂的半速汽轮机耗汽量大，原因是文献［1］中的汽轮机低压缸端轴封蒸汽由主汽阀门杆漏汽、高压缸端轴封漏汽和主蒸汽混合后供给，从而节省了主蒸汽耗量。

图1 核电汽轮机轴封供汽系统

2 核电汽轮机轴封供汽系统的优化设计

2.1 汽轮机轴封启动汽源的优化

轴封蒸汽的温度应加以限制，轴封蒸汽温度过高，会造成轴封部位由于热应力而造成转子损坏；轴封蒸汽温度过低，可能产生轴封处不均匀的热变形，引起摩擦、振动，严重时还可能导致汽轮机进水。在任何情况下轴封蒸汽过热度不小于14℃，高中压缸轴封蒸汽与转子金属温度之间温差小于110 ℃，低压轴封蒸汽温度在121～177 ℃之间［2］。

本工程现有的辅助蒸汽湿度较大，即使节流减压到0.13 MPa后，依然有9%左右的湿度，不满足轴封蒸汽的过热度要求。替代现有的辅助蒸汽需要新建辅助锅炉，增加工程的初投资及日后的运行、维护费用，较为可行的提高辅助蒸汽品质（干度）的方案有2种。

第1种方案：设置电加热器加热辅助蒸汽。按照轴封供汽过热度14 ℃计算，将26.8t/h的辅助蒸汽加热到所需要求，经计算，电加热功率至少为1 600kW，设备投资较大，占地面积大、布置困难，且需增加机组启动用变压器的容量。

第2种方案：设置汽水分离器除湿，提高蒸汽干度（见图2）。从分离器分离出来的疏水进入疏水箱，疏水箱配有调节阀控制水位，疏水最终回收入凝汽器。按最大轴封蒸汽量（26.8t/h）设置的汽水分离器、疏水箱、水位调节阀及相关管道等，增加投资约70万元。

图2 再热冷段供轴封蒸汽系统

比较2种方案，利用汽水分离器除湿，提高蒸汽干度的方案更合理。

2.2 汽轮机低压缸端轴封工作汽源的优化

汽轮机低压缸端轴封的工作汽源采用主蒸汽，耗量达到9.7t/h，约占额定主蒸汽量（6 144t/h）的0.16%，影响机组出力，有必要为低压缸端轴封寻找替代的工作汽源。由于汽轮机高压缸排汽参数与辅助蒸汽参数相当，可以采用汽轮机高压缸排汽替代主蒸汽作为低压缸端轴封的工作汽源。

设置由汽轮机再热冷段蒸汽（高压缸排汽）到轴封系统供汽的管路，与辅助蒸汽共用汽水分离器，机组正常运行时，约有11.1t/h的高压缸排汽流经汽水分离器除湿后，向低压缸端轴封提供约9.7t/h的工作蒸汽。

机组启动时，高低缸端轴封的蒸汽均由辅助蒸汽提供，在主蒸汽具备条件时，可以由主蒸汽提供轴封蒸汽，减小邻机辅助蒸汽量。当机组达到15%额定负荷时，高压缸端轴封处于自密封状态，关闭高压缸端轴封供汽调节阀，主蒸汽仅向低压缸端轴封提供轴封蒸汽，当汽轮机高压缸排汽达到0.85 MPa时，可以逐步切换到再热冷段经汽水分离器，除湿后供汽。当汽水分离器或汽轮机再热冷段蒸汽故障时，联锁投入主蒸汽轴封供汽调节阀向轴封供汽。主蒸汽作为低压缸端轴封工作汽源的备用汽源，提高了供汽系统的可靠性。

3 经济性比较

以图1中所示的核电汽轮机轴封供汽系统（简称原方案）为基准，与图2所示的采用汽轮机高压缸排汽作为低压缸端轴封的工作汽源的优化方案（简称优化方案）进行经济性比较，比较结果见表1。

由表1 可知，优化方案的初投资仅增加70 万元，但机组额定出力（热平衡计算所得）由1 177 MW增加到1 178 MW，每年增加收入191万元，当年即可收回初投资，每台机组寿期（60年）内可增加收入约11 460万元。

表1 原方案与优化方案经济性比较

4 结论

本文根据工程的特点，对某核电汽轮机的轴封供汽系统的启动汽源及工作汽源进行了优化设计。针对轴封供汽的启动汽源湿度较大的情况，核电汽轮机优先选用汽水分离器除湿，提高蒸汽干度，提出的轴封供汽系统的优化设计，具有如下优点。

a.适应性强。不需要改变汽轮机本体设计，仅调整轴封供汽系统。

b.可靠性强。不改变原有轴封的供汽汽源，增加一路供汽汽源，供汽可靠性更强。

c.经济性好。采用高压缸排汽作为低压缸端轴封工作汽源可以提高汽轮发电机组效率约0.05%。

对于将主蒸汽作为汽轮机低压缸端轴封工作汽源的轴封供汽系统，有必要结合工程的具体条件进行技术经济比较，合理选择低压缸端轴封的工作汽源，提高汽轮发电机组效率。本文提出的优化方案已获得国家实用新型专利［3］。

［1］ 王小刚，范瑞波.核电半速与全速汽轮机轴封系统的比较与优化［J］.热力透平，2010，39（4）：239－242.

［2］ 王旭.汽轮机低压轴封蒸汽温度瞬间突降分析及对策［J］.华北电力技术，2003，（1）：38－39.

［3］ 刘向明，裴育峰，赵巍巍.一种汽轮机低压缸端轴供汽系统：中国，ZL201420295509.9［P］.2014－10－29.