汽封供汽汽源温度匹配的探索和实践

杜开榜，童宏仙，刘孝峰

(上海汽轮机厂有限公司，上海200240)

汽轮机汽封系统的功能是减少动静间隙的漏汽，汽轮机端部汽封可防止汽轮机内蒸汽溢出至大气，并防止空气进入汽轮机和凝汽器，通过维持汽封供汽母管的微正压和汽封漏汽母管的微负压来实现密封功能。在机组启停和低负荷时，需要引入外部蒸汽来实现汽封供汽母管的微正压。在机组高负荷时，则通过内部高中压漏汽来维持汽封供汽母管的微正压，此时无需外部蒸汽的引入，俗称机组达到自密封。汽封系统的运行关系着机组的安全性和经济性，而汽封供汽温度的匹配则是汽封系统设计的关键。

目前上海汽轮机厂所设计的超超临界汽轮机均采用单路辅助蒸汽作为机组启动和低负荷时汽封系统的密封蒸汽汽源，通过温度匹配来满足机组在所有工况下对轴封蒸汽的需求。

采用单路汽源设计的汽封系统，系统配置有一个供汽阀门站和一个溢流阀门站。汽封供汽阀门站及溢流阀门站分别采用1路气动调节阀加1路手动调节阀，以保证汽封系统的正常工作。正常情况下，汽封系统通过气动阀门的调节以实现系统的自动化操作。手动调节阀作为备选方案，在汽封系统自动调节功能故障工况下(如分布式控制系统故障，测点反馈故障或定位器故障等)使用，以实现上述特殊工况下机组汽封系统的正常运行。在确保实现系统功能的前提下简化系统配置，可有效地降低因设备故障导致的系统异常，便于现场的控制和维护。

单路汽源汽封系统的汽源温度的选取主要基于3点：保证各种工况下轴封处转子热应力在正常范围，保证汽封端部的差胀正常，以及保证不会有凝结水进入汽轮机。为确保各种启动和停机工况下转子和端部汽封的安全性，汽封系统对汽封蒸汽温度有严格的限制，当汽封供汽温度超出许用的温度范围时，须严格禁止不合格蒸汽的进入[1]。目前国内已投运的超超临界机组中，部分电厂出现了由于汽封供汽温度过低导致的大轴抱死的事故[2]。同样，若汽封蒸汽温度过高，则会影响转子寿命和端部差胀，这也会给机组的安全运行带来隐患。针对这些问题，本文从辅助蒸汽来源进行分析，结合轴封供汽温度要求，提出一种控制汽封供汽温度，使其满足要求的思路。

1 汽封用辅助蒸汽来源简述

电厂辅助蒸汽均来源于辅助蒸汽联箱，辅助蒸汽系统的作用是保证机组安全可靠的启停，以及在机组低负荷或异常工况下提供整个电厂需要的汽源。除去汽轮机轴封用汽外，其还提供除氧器用汽、锅炉暖风用汽以及其他用汽。典型的辅助联箱设计如图1所示。

图1 典型的用户辅助蒸汽联箱设计

为确保辅助联箱的安全可靠，辅助联箱往往设置多路来汽，典型的辅助联箱来汽设计包含启动锅炉来汽、老厂来汽、本机冷再热蒸汽以及本机抽汽。同时，2台或多台机组的辅助联箱互相连通，互作备用，以确保辅助蒸汽的稳定性。典型的辅助蒸汽联箱的蒸汽来源如下：

1)启动锅炉来汽，由启动锅炉燃烧产生，适用于单台机组的首次启动。

2)老厂来汽，来自电厂老机组辅助联箱蒸汽，在参数匹配的情形下可以满足机组各工况的轴封蒸汽需求。

3)本机抽汽，来自本机组的某段抽汽(一般为4段抽汽)。

4)冷再热蒸汽，由本机组的冷再热蒸汽管道接入辅助联箱。在冷再热管道有汽的工况下可以一直供应辅助蒸汽。

当辅助蒸汽来源于老厂或启动锅炉来汽时，由于老厂或启动锅炉本身温度略低，或由于管道存在温降，当电厂实际运行时，在采用老厂来汽或启动锅炉来汽作为轴封蒸汽汽源时，汽封供汽阀门站前温度往往不满足设计需求。当轴封蒸汽来源于本机抽汽或冷再热蒸汽时，其温度高于轴封用汽需求。由于在机组自密封阶段不需要外部蒸汽，因此汽封供汽阀门站前蒸汽基本无流动，而辅助蒸汽温度的下降容易造成供汽阀门站前积水，此时一旦机组需要供应大量外部蒸汽，就会导致轴封供汽无法满足需求。如果辅助蒸汽联箱与汽封供汽的需求不一致，则在现场实际运行中易发生轴封温度不满足设计要求的情况。

2 汽封用蒸汽匹配解决方案

通过辅助蒸汽联箱的配置情况可以看出，辅助蒸汽联箱与汽封供汽温度的需求存在一定的不匹配性。针对现场运行过程中阀门站前温度不满足要求的情况，对辅助联箱至供汽阀门站前的配置进行了优化。问题主要原因及相应的优化方案如下：

1)辅助蒸汽管道温降较大。为防止供汽阀门站前出现死汽，一般在设计时考虑在阀门站前加设暖管用节流孔板，辅助蒸汽温降较大的原因在于暖管节流孔板的通流能力不足导致没有足够的蒸汽加热管道，致使因管道散热导致蒸汽冷却降温。但若扩大节流孔板，则会导致蒸汽的浪费。基于经济性与可控性考虑，可加设预暖疏水阀，当暖管节流孔板的暖管能力不足时将其打开，以确保阀门站前温度不会过低。

2)辅助蒸汽来源温度较高，超过设计允许值。对此可通过加设减温器，以确保蒸汽温度满足要求。

3)辅助蒸汽温度来源偏低，低于设计允许值。对此可通过加设电加热装置，以确保蒸汽温度满足要求。

辅助联箱至汽封阀门站前优化匹配推荐配置如图2所示。

图2 辅助联箱至汽封阀门站前优化匹配推荐配置

通过加设暖管用孔板、疏水阀、减温器以及电加热器可以有效解决辅助蒸汽联箱与汽封供汽需求不一致的问题，但由于加设了相应的设备，需要进行相应的逻辑控制，以确保各设备安全可靠地投入运行。

部分电厂在实际运行中已有增设电加热器、减温器及暖管用节流孔板的考虑[3-5]，但未针对详细的控制逻辑进行分析。本文结合典型的配置方案，针对电厂实际运行效果，对控制逻辑进行详细的研究，提出一套可靠的控制方案。

3 辅汽至汽封阀门站各设备逻辑控制优化探索

3.1 某电厂运行情况分析

某电厂采用上海汽轮机厂生产的新型超超临界二次再热机组，其辅助蒸汽来源于老厂来汽、本机冷再热蒸汽、本机6段抽汽以及邻机辅助联箱。辅助联箱至汽封阀门站前设有汽封电加热器、减温器、节流孔板及预热用疏水阀。虽增设了用以解决辅助联箱与汽封供汽需求矛盾的全部设备，但在实际使用过程中，由于逻辑控制的不完善，仍出现了供汽温度需求与辅助蒸汽不一致问题。

电厂原控制逻辑如图3所示。当汽封温度高于供汽温度值上限时，投入减温器，使减温器出口温度达到整定值。当汽封温度低于启动电加热器下限时，投入电加热器，使其出口温度达到整定值。当汽封阀门站前温度超出供汽温度允许范围(高于上限或低于下限时)，汽封供汽阀门站关闭。

图3 电厂原控制逻辑

在某次停机过程中，由于机组辅助蒸汽联箱来汽温度偏高，因此投入减温器以将出口温度维持在整定值。减温器出口温度(供汽阀入口)的波动导致汽封供汽阀门站频繁开关，进而导致供汽不稳定。停机阀门站前温度变化曲线如图4所示。

图4 电厂某次停机阀门站前温度变化曲线

在电厂另一次停机过程中，辅助蒸汽联箱来汽温度偏低，且电加热器响应时间较慢，导致阀门站前温度低于设定值，机组无法供应稳定的轴封用汽。此次停机阀门站前温度变化曲线如图5所示。

图5 电厂另一次停机阀门站前温度变化曲线

3.2 解决方案

前文问题的主要原因在于减温器及电加热器的调温存在一定的波动且信号需要一定的响应时间，而一旦汽封供汽阀门站前的温度不满足供汽阀的要求，则汽封供汽阀门强制关闭，导致供汽中断。需要对逻辑进行优化完善，以确保各设备的正常工作。

3.2.1 降低减温器出口整定值

适当地降低减温器出口的整定值，以确保出口温度的波动不会导致温度超限。以减温器前温度测点作为判定减温器开启的依据，电加热器与减温器工作进行反联锁，正常运行时只能有一个设备在运行。

减温水调节阀开启逻辑如下：

1)当超高压转子温度低于200 ℃时，如果减温器前温度高于300 ℃，则开启减温水调节阀；

2)当超高压转子温度高于400 ℃时，如果减温器前温度高于350 ℃，则开启减温水调节阀；

3)当超高压转子温度在200～400 ℃时，减温器开启温度在二者之间。

减温器出口整定值设定如下：

1)当超高压转子温度高于200 ℃时，设定减温器出口整定值(汽封供汽阀门站前温度)为280 ℃；

2)当超高压转子温度高于400 ℃时，设定减温器出口整定值(汽封供汽阀门站前温度)为335 ℃；

3)当超高压转子温度在200～400 ℃时，设定减温器整定温度在二者之间。

优化后减温器控制逻辑如图6所示。

图6 优化后减温器控制逻辑

3.2.2 降低电加热器出口整定值

适当地降低电加热器出口的整定值，以确保出口温度的波动不会导致温度超限。以电加热器前温度测点作为判定电加热器开启的依据，电加热器与减温器工作进行反联锁，正常运行时只能有一个设备在运行。

电加热器开启逻辑如下：

1)当超高压转子温度低于200 ℃时，如果电加热器前温度低于240 ℃，则开启电加热器；

2)当超高压转子温度高于400 ℃时，如果电加热器前温度低于320 ℃，则开启电加热器。

电加热器出口整定值设定如下：

1)当超高压转子温度低于200 ℃时，将电加热器出口整定值(汽封供汽阀门站前温度)设定为280 ℃；

2)当超高压转子温度高于400 ℃时，将电加热器出口整定值(汽封供汽阀门站前温度)设定为335 ℃；

3)当超高压转子温度在200～400 ℃时，将电加热整定温度设定在二者之间。

优化后电加热器控制逻辑如图7所示。

图7 优化后电加热器控制逻辑

3.2.3 控制逻辑优化

为便于减温器和电加热器的调温响应，防止在调温波动过程中出现阀门站关闭的情况，对供汽温度超限导致供汽阀门站关闭的控制逻辑进行了优化：

1)当阀门站前温度低于供汽温度允许值下限且高于温度低无延迟关阀门曲线时，发出报警信号，并延迟关闭轴封供汽阀；

2)当辅助蒸汽温度低于温度低无延迟关阀门曲线时，立即关闭轴封供汽调节阀；

3)当阀门站前温度高于供汽温度允许值上限且温度低于400 ℃时，发出报警信号并延迟关闭轴封供汽阀；

4)当阀门站前汽封供汽温度测点大于400 ℃时，立即联锁关闭轴封供汽调节阀。

优化后供汽阀门站与阀前温度的控制逻辑如图8所示。

图8 优化后供汽阀门站与阀前温度的控制逻辑

3.2.4 其他注意事项

需快速将减温器和电加热器的温度稳定在整定值范围内，波动不得超过10 ℃。当阀门站前温度低于260 ℃时,打开预热用疏水阀;当该温度超过265 ℃时，关闭预热用疏水阀。虽然有一系列的逻辑控制，建议现场仍需要密切关注汽封供汽温度。

4 结 论

本文基于电厂辅助蒸汽与汽封供汽不匹配的现象，对辅助蒸汽来源和典型的配置方案(电加热器、减温器、暖管孔板及疏水阀)及相关控制逻辑进行了分析,提出了一套具有实际操作性的汽封用汽匹配方案和控制逻辑。此方案可以解决目前部分电厂存在的辅助蒸汽与汽封供汽不匹配的问题，可以有效地确保汽封供汽的稳定性，提高机组的经济性和安全性。