汽轮机油中带水原因分析及解决方案

摘　要：汽轮机油中带水严重时会危机汽轮机组安全的稳定运行，为此分析了汽封间隙大、排烟系统、轴封套、汽缸、轴承室负压等可能引起油中带水的原因，并分别提出了相应的改进办法。
　　关键词：汽轮机；油中带水；轴封系统；汽封间隙；轴承室负压

　　高井发电厂3号汽轮机由哈尔滨汽轮机制造厂出品，型号：51－100－2。新蒸汽压力为8．9 MPa，温度为535℃。该机为单轴、双缸、冲动凝汽式汽轮机、共计有6段抽汽。油系统中使用的是32号汽轮机油。
　　3号机油中带水现象在高负荷下反复发生：严重时可以从前箱、2和3号瓦联合轴承室排油管看到油窗处发现附着于玻璃的水珠，微水含量曾达到273mg／L，大大超过标准，标准为＜100 mg／L。空气中和汽轮机内的水蒸汽进入润滑油系统后凝结成水，当油和水混合在一起后，再被搅动油即被乳化。正常情况下乳化的油料可以重新分离成油和水，但乳化的油料被氧化后就变成永久性的乳化油，它将使润滑功能发生问题，并导致调节系统各部件的腐蚀。严重时一些锈蚀物会进入调节系统导致调节系统部件发生卡涩而发生机组事故。为了能够避免3号机油系统出现上述严重后果，加强了主油箱的放水和滤油，另外则是调低轴封供汽压力。从运行记录来看，母管供汽压力已经调低到0．019 6 MPa，低于机组正常运行时额定轴封供汽压力范围0．024 5 MPa～0．029 4 MPa。
　　降低轴封供汽压力，同时也意味着减少轴封供汽量。当机组调峰带低负荷时，高压段15级后的工作压力会降到0．01 MPa以下，轴封供汽量的减少使轴端密封作用削弱，空气会从低压缸前、后，高压缸后三个方向进入汽轮机，真空将无法得到保证。

1　原因分析
　　1）高压缸轴封（端部汽封）的作用在于阻止蒸汽沿着转子漏出。高压缸前后的端部汽封所承受的压差比较大，额定工况时调节级喷嘴处的压力为4．5
MPa，对于15级后压力则为0．197 MPa。不但压差存在，为了不使动静机件发生碰磨，而总要留有一定间隙，间隙的存在也必然要导致漏汽，漏汽量一般要达到总汽量的0．5％。由于上述两个原因，很容易使该处的蒸汽沿转子窜入轴承室，引起轴承温度升高，使油系统中带有由蒸汽凝结而成的水。可见解决油系统中带水的问题关键是消除轴封漏汽。
　　如果汽轮机高压缸前段轴封间隙调整得不合适，导致轴封供汽从该处沿轴颈窜入轴承室，造成油中带水，油质恶化。
　　轴封间隙的调整沿转子轴向分布的规律应该是外侧小、里侧大。因为轴封外侧端部距离轴承很近，转子、汽缸垂弧冷热态变化对轴封间隙影响很少，转子过临界转速时该部位的晃度小，不易发生摩擦。即使发生摩擦，由于距支点近，刚度相对大一些，不易因晃度巨增而造成弯轴事故，而轴封里侧的情况则恰恰相反，这部分汽封间隙运行状态下的不确定度最大，正是易弯轴的部位，所以应该调大一点。可见，信号汽封由于在轴封段的最外侧，调得小些对避免轴封漏汽会有关键性作用。
　　目前来看，由于检修人员考虑机组启动通过临界转速时发生动静摩擦引起振动，并可能使局部过热造成轴弯曲而尽量将汽封间隙调整到上限。实际上，信号汽封比端部汽封发生动静磨损的机率小，因此信号汽封间隙调整应该接近下限。信号汽封所给出的标准上下限范围过于大，最大达到0．30 mm，这也给检修人员留下了较大的调整裕量。
　　2）轴封系统的配置不太合理。高、低压轴封供汽联在同一根母管而引起供汽分配不均的问题。
　　3号机高压前轴封段共留有4个腔室，后轴封则留有3个腔室。高压蒸汽漏入前轴封第1腔室后被引入第4段抽汽加热给水。漏入高压前轴封第2腔室蒸汽与漏入高压后轴封第1腔室的蒸汽一同引至1号加热器凝结放热。从除氧器的汽平衡母管和2、3抽汽母引入蒸汽至高压前第3腔室、高压后第2腔室，一方面可以阻止空气漏入汽缸，另一方面阻止高温蒸汽继续外流。这股蒸汽在泄漏到高压前、后最外侧腔室后再与空气混合，被稍低于1个大气压的轴封冷却器引走。由于供汽位置在轴端外侧，若它的压力调整不当可能使轴封供汽量大于轴封抽汽量而导致油中带水。
　　从外部引入的低温蒸汽首先进入供汽联箱，由此被分配成两根支路。其中一根直接通向高压前轴封第3腔室；另外一根则是母管，高压缸后、低压缸前及后轴封供汽并于其上。高压前、后轴封的供汽压力显然不能做分别调整，只能通过供汽联箱进口的轴封压力自动调整门统一调整，流量则由预先设计好的管道尺寸决定。从整台机组来看：高、低压轴封联在同一母管的系统造成压力难以分别调整，即使是用轴封调整总门进行调节也易使高压缸后部在高负荷时漏汽，而高压缸后部轴封正对2、3瓦轴承室。
　　3）控制好高压缸前轴封第二腔室漏汽是防止轴封漏汽的关键，试验表明，如果将该二段漏汽压力提升到0．014 MPa以上，汽封处就会有明显的漏汽存在。所以在保证机组真空的前提下，二段漏汽压力应该尽量调低，防止油中带水。在机组运行中，当机组增加负荷时，轴封漏汽量增加，需要开大二段漏汽至加热器门；当机组减负荷时，又要防止空气从二段漏汽进入轴封冷却器、进入凝汽器影响机组真空，需要关小该阀门。二段漏汽至加热器门均为手动门，随着机组负荷的变化，运行人员必须频繁地就地进行操作，增加了调整难度，对机组安全运行有不利影响。
　　4）轴封冷却器也应该作解体改造和检查，重点是考虑提高冷却能力以及检查喷嘴直径是否磨损以致影响抽汽能力，使轴封的排汽不畅从而引起轴端漏出蒸汽。
　　5）油中带水主要是由蒸汽混入油系统中引起的，但不一定只是轴封漏汽，还有可能是轴承附近的缸体结合面泄露的蒸汽。结合面包括：高压缸结合面、轴封套结合面。
　　汽缸在受到快速加热和冷却时，尤其是汽缸端部靠轴封处，由于该部位的约束紧固螺栓跨距大，对汽缸的约束力明显弱于其他部位，所以最易发生变形，
在靠近猫爪内侧凹窝处易产生蒸汽外泄，高温蒸汽冲刷到轴承箱上使油中带水。3号机在2001年大修拆高压缸时，当拆卸完紧固螺丝高压缸后窗侧结合面立即出现了明显的缝隙，揭缸后检查结合面接触该处被蒸汽冲刷后留下的痕迹较为明显，从现象上看证明了这一点。
　　轴封套同汽缸一样，在汽机的启停和变工况中由于温差的变化出现变形，轴封套变形后将造成轴封段蒸汽泄露，蒸汽会冲到轴承结合面上。另外轴封套变形后使汽封磨损严重，汽封间隙增大，漏汽量增大。
　　6）理想情况下轴承内的压力应该低于大气压，这种负压通常是轴承流出的油流有抽吸作用引起的。但是润滑油释放出的大量油烟在高速旋转的转子带动下，在轴承室内扩散，升压会充满整个轴承室，若不及时排出，会从油挡间隙漏出聚集在油挡外造成漏油，所以轴承室的负压必须通过排烟机加以保持。但负压不能太大，以防将泄露出的蒸汽和空气吸入轴承室，这是一个比较矛盾的问题，需要选取合适的负压同时满足二者。负压一般控制在12～30 mm水柱，具体应该根据各瓦的实际情况进行调整，选择最佳工作压力。3号机原排烟系统布置模糊，线路不畅，不利于迅速调节轴承负压。具体数值如表1所示，2、3号瓦回油室负压是比较高的，与该轴承室的蒸汽混入现象比较显著相对应。

　　7）缺乏有效的脱水滤油设备虽然不是造成汽轮机油中带水的根本原因，但是也为机组的安全稳定运行留下了隐患。
2　采取的措施
　　1）轴封间隙的调整应该严格执行质量工艺标准，如表2。考虑到影响汽封间隙的因素很多（包括：上、下缸温差、转子偏心、轴瓦磨损下沉等多方面），将信号汽封间隙调整范围控制在0．10～0．15 mm左右。另外，在具体检修中，确保轴封间隙调整测量工艺方法得当，不允许贴一次橡皮膏就判断出间隙值，而是在有擦痕最多层数和无擦痕最少层数之间比较准确地确定轴封间隙范围，尽量使信号汽封间隙向下限靠拢，圆周间隙分布调成立椭圆形。

　　2）轴封系统的改进，轴封系统中管径配置基本合理，能够做到高压侧泄得出、低压侧供得上封得住。作了如下改动：（1）高压前轴封的供汽管路上加装阀门。（2）高压缸后轴封的供汽管路从原先的母管上取消，直接接在供汽联箱上，并加装阀门，力图增加该段轴封供汽的灵活性和独立性，3号机油中带水的现象在2瓦附近最为明显，这一改动很重要。（3）低压缸前后轴封供汽母管上加装了阀门，可以单独进行操作，从而保证该机真空严密性。（4）原先的高压缸前、后轴封供汽，低压缸前、后轴封供汽都没有压力表，这次改动添加了压力表可以监视各段轴封供汽压力。
　　3）在二段漏汽至1号加热器的管道上取消手动门，加装DN250电动蝶阀，可以全限控制。电动蝶阀前接压力信号至单元，运行人员可以根据机组负荷的变化，通过控制该电动门的开度，方便地控制二段漏汽压力。二段漏汽压力一般控制在0．005～0．015之间。
　　4）高压缸结合面修刮执行质量标准是：高压缸隔一条冷紧后0．03 mm塞不入，塞入深度不超过1／3。修刮采用：空扣缸彻底刮研结合面，拧紧螺栓找硬点的方法，由硬点中心向外逐渐扩大修刮面增大接触面积。对于汽缸变形量大的部位采取了局部补焊的办法。
　　对于轴封套中分面的刮研首先拆下所有的汽封块，将汽封块槽道的锈蚀物、盐垢清理打磨干净。修刮汽封套中分面，清除中分面间隙，0．05 mm塞尺塞不进为合格。调整轴封套的凹窝中心；装配新汽封块，认真调整汽封块的径向间隙，膨胀间隙；装轴封套时，将轴封套轴向与汽缸凹槽配合间隙调整为0．03mm～0．05 mm之间。
       5）对排烟系统进行了改进，使管路布置趋于合理清晰。在排烟风机的入口阀门加装了节流孔板，机组运行后调整负压维持正常，如表3所示。

　　6）采取有效的滤油设备也是保证汽轮机油质合格的重要手段。为此，还对滤油机进行了改造。将原来的压力式滤油机改为FS－100B聚结脱水式滤油机，该装置具有预过滤和精过滤双重设计保证了精密过滤和高效脱水双重功能。同时取消了不必要的截门和管路，简化了滤油系统，增强了汽轮机油的循环倍率，使改造后的滤油品质上升了一个等级，取得了非常显著的效果。
　　7）将轴封冷却器水室隔板由四流程改为两流程；进出口水管由DN80改为DN100。改进后，减少了水阻力，增加了轴封冷却器的凝结水量，提高了冷却能力。
3　结束语
　　通过上述改进，从各瓦回油室看油窗玻璃上已经看不到水珠，也不需要定期进行放水。油中微水含量为52mg／L，完全合格。
　　1）运行人员根据机组负荷的变化，通过控制保证电动门轴封供汽联箱压力后，利用新装阀门对轴封各段供汽（尤其是高压缸前后）量进行分配调整。
　　2）更重要的是轴封系统由母管制变为单管制后，一旦哪个轴承室有蒸汽混入，运行人员可以有针对性地对该轴承附近轴封供汽进行调整，目的明确。
　　3）高压前轴封的供汽阀门与高压前轴封二段漏汽电动蝶阀一起配合能更好的维持机组低负荷时的真空严密性。
　　4）采取高效的滤油设备，对保证汽轮机油质起到了不可忽视的作用。
　　总之，通过对轴封系统进行改造、缸体结合面精心修刮及轴封间隙的精心调整以及采取有效的滤油设备，对保持机组真空、防止油质乳化、便于运行操作、增加调整手段，具有一定的意义。