汽轮机轴封系统详解
一、轴封系统概述
汽轮机的转子必须穿过汽缸，支撑于轴承上，在转子穿出汽缸处需要有间隙，正常运行时，对于高、中压汽缸的两端，汽缸内蒸汽压力大于外界的环境压力，部分蒸汽由此处的间隙漏出，造成工质和能量的损失，而且漏出的蒸汽可能进入汽机轴承箱，影响润滑油的质量和轴承的正常工作。对于低压缸的两端，由于汽缸内的压力为负压，小于外界的大气压力，在间隙处空气会漏入低压缸，引起真空下降，导致蒸汽作功能力降低，冷源损失增大，最终使循环效率降低。对于直接空冷机组，如漏入的空气不能被及时抽出，将直接影响空冷散热片的换热效果；冬季时，还可能引起空冷散热片管束冻结、冻裂，严重危及机组安全运行。因此，要在汽轮机的轴端设置轴封系统，防止蒸汽漏出汽缸和空气漏入汽缸。
二、轴封系统的工作原理
基本上所有汽轮机的轴端密封均采用自密封系统。自密封汽封系统是指在机组正常运行时，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）。在机组启动或低负荷运行阶段，汽封供汽由外来蒸汽提供（如图2）。该汽封系统从机组启动到满负荷运行，全过程均能按机组汽封供汽要求自动进行切换。自密封汽封系统具有简单、安全、可靠、工况适应性好等特点。
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，一部分向前汽封供汽，另一部分向后汽封供汽；当机组达到一定负荷后，后轴封用汽完全由前汽封的漏汽供给，随着负荷继续升高，前汽封的多余漏汽自动溢流到凝汽器，并由调节阀自动保持供汽压力稳定。设置在低压汽封供汽管路上的温度控制站自动调节以保持低压汽封供汽温度的稳定。总之，从启动前投汽封到停机后停止汽封送汽，该系统完全能自动调整，具有良好的负荷适应性
在汽轮机起动和低负荷时所有汽缸中压力都低于大气压力。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”腔室与轴封加热器相连，轴加风机抽吸此漏气，控制该室压力具有一定的真空度。因而，外界空气通过外部汽封片漏入“Y”腔室后，与从“X”腔室来的密封蒸汽混合，再流向轴封冷却器。
随着机组负荷的增加，调速汽阀开大，进汽量增加，汽缸内压力相应增大。当高中压缸两端的排汽压力高于“X”腔室压力时，汽流在内汽封环内发生相反流动，缸内的蒸汽经过汽封流向“X”腔室。
三、轴封系统的组成及主要设备
轴封系统采用压力和温度是自动控制的自密封系统。设有轴封压力自动调整装置、高低压轴封蒸汽温度自动调节装置、溢流泄压装置和轴封抽气装置，轴封用汽进口处设有永久性蒸汽过滤器。轴封用汽系统包括轴封汽源切换用的电动隔绝阀、减压阀、旁路阀、泄压阀和其它阀门以及仪表、减温设备和有关附属设备等，系统供汽母管还设有安全阀，可防止供汽压力过高而危及机组安全。另外设置一台100％容量的轴封蒸汽冷却器，两台100％容量的轴加风机，用以排出轴封蒸汽冷却器内的不凝结的气体，两台电动排气风机互为备用。汽封系统疏水采用经常疏水，且采用自动疏水器。
1.轴端汽封
DAS汽封其结构形式与梳齿类似，但汽封块两侧的高齿部分齿宽加厚，它与轴的径向间隙略小于其它齿，并采用铁素体类材料将其嵌入汽封块中，与转子摩擦时产生的热量小，不易弯轴。开机过临界时如产生碰磨就会先与大齿磨，由于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，安全可靠性高。迷宫密封由一组环状的密封齿片组成，齿与轴之间形成了一组节流间隙与膨胀空腔。气体流经各个环形的齿顶间隙时，产生节流效应，间隙中的压力温度均降低。当气体流经各个膨胀空腔时，则会产生一系列等焓热力学过程 。
气体穿过齿顶间隙进入空腔，由于容积突然扩大，气体膨胀而产生剧烈的漩涡。在容积比间隙容积大很多的空腔中气体流速几乎等于零，这时，气流的绝大部分动能转化为热能，被腔室中的气体吸收，气体温度又从流经间隙时的温度回升到流入间隙前的温度，在空腔内的压力却回升很小，使气流的焓值保持接近于间隙前的数值。气流残存小部分动能，以余速穿过下一级齿顶间隙继续降低压力和流量。经过一级一级地重复上述节流及等焓热力学过程，使气体的残余速度非常低，气体压力逐渐降低，最终气体的外漏量非常小，起到了密封作用。
接触式汽封是靠弹性构件(如弹簧)和介质的压力在旋转的接触表面(端面)上产生适当的压紧力，使端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具有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
轴封供汽采用三阀系统，即在汽轮机所有运行工况下，供汽压力通过三个调节阀即主汽供汽调节阀（有的机组采用再热蒸汽）、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工况下均自动保持供汽母管中设定的蒸汽压力。上述三个调节阀及其前后截止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。
每个调节阀门配有一个位移变送器，将阀门的开度转换为4～20mA。汽封联箱的压力变化通过压力变送器将4～20mA的电信号送往DCS，由DCS完成对阀门的控制功能，并输出相应控制信号，控制输往调节阀膜盒的空气量，从而控制调节阀的开度，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轴封用汽，正常运行由冷再热蒸汽提供汽源。随着负荷的升高，轴封系统逐渐达到自密封状态，如果通过内汽封漏入“X”腔室的汽量（图2—9）超过各低压汽封需要的密封汽量，则汽封联箱压力将升高，超过各轴封压力调节阀的设定值时，各供汽阀将完全关闭，而溢流阀开启，将多余的蒸汽排往凝汽器，从而控制汽封联箱的压力。因此，溢流调节阀的给定值比冷端再热供汽阀高3450Pa。
各调节阀给定值（近似值）如下：
调节阀 给定值
辅汽供汽 26080Pa（表压）
冷端再热供汽 29530 Pa（表压）
溢流 32980 Pa（表压）
在不同的汽封联箱压力下各阀的状态表示于下表
调节阀状态
|
轴封联箱压力Pa（表压） |
辅汽供汽阀 |
冷端再热供汽阀 |
溢流阀 |
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22630 |
开 |
开 |
关闭 |
|
26080 |
开和调节 |
开 |
关闭 |
|
29530 |
关闭 |
开和调节 |
关闭 |
|
32980 |
关闭 |
关闭 |
开和调节 |
3.低压减压器
低压轴封蒸汽减温器用于降低在进入凝汽器空间之前供汽管道内低压汽封供汽的温度，低压汽封内的蒸汽温度维持在120℃～180℃之间，以防汽封体可能的变形和损坏汽轮机转子。在冷凝器内轴封供汽管道中蒸汽能进行自然降温，但供汽温度主要由减温喷水系统控制。在进入减温器的蒸汽温度约为260℃或更高的情况下，用此系统就能使汽封蒸汽温度达到120℃～180℃之间，但是，如果进入减温器的蒸汽温度低于260℃，特别是如果接近控制范围120℃～180℃时，则不要喷水，而且供汽管道中的自然降温作用可能使汽封温度降到控制值121℃以下。
减温器和连接管道示意如图2—11中，过热的轴封蒸汽进入减温器，且在减温器收缩的管道截面中蒸汽速度增加。然后，蒸汽通过喷嘴，在喷嘴中冷却水被注入高速汽流中，这样保证绝对雾化，且因冷却水汽化而使蒸汽温度降低。来自凝结水泵的冷却水通过管道经过减温器喉部的喷嘴而进入减温器，经过喷嘴的冷却水量由低压轴封温度调节器阀来控制。该调节阀可投入温度自动控制，一般低压轴封蒸汽温度定值为150℃。当低压轴封温度大于150℃时，就向减温器中喷水冷却。在喷嘴出口约1.52米处的供汽管道中装有一个疏水罐，进行充分的疏水，防止未充分雾化的喷水进入低压轴封。
4.高压减温器
为了限制在启动和停机过程中可能发生的轴封蒸汽和高中压转子表面之间的温差，以防轴封区的转子在热应力的作用下产生裂纹损坏，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℃。当高压汽封蒸汽温度与调端高压缸端壁金属温度之差大于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，冷却高压汽封蒸汽。汽封蒸汽与缸壁之间的温差，用高压汽封供汽母管中的蒸汽热电偶及高压缸调端缸壁金属热电偶测得。
为了防止在汽封蒸汽温度较低时喷水。在DCS系统中提供如下控制逻辑：当高﹑中压汽封供汽温度小于150℃时，即使汽封蒸汽温度与调端高压缸端壁金属温度之差大于85℃，高压减温调节阀仍处于关闭状态，切断水源。此外，为防止未充分雾化的喷水进入汽封，在距减温器出口约1.52m的供汽管道中装有一个疏水罐。
5.轴封蒸汽冷却器（轴封加热器）及多级水封
如图1和图2所示，“Y”腔室是汽封漏气区，其中必须维持稍低于大气压力，通常显示690Pa的负压，而且，如果系统工作正常，允许达到500～750Pa的负压。
主要作用是将汽—气混合物的热量传给凝结水，提高了汽轮机热力系统的经济性。其次利用凝结水来冷却各段轴封和高、中压主汽调节阀阀杆抽出的汽—气混合物，在轴封加热器汽侧腔室内形成并维持一定的真空，防止蒸汽从轴封端泄漏。使混合物中的蒸汽凝结成水，从而回收工质。同时，将混合物的温度降低到轴加风机长期运行所允许的温度。
运行时，凝结水由水室进水口流入冷却钢管内，经过U型管到水室出口并流出加热器;汽—气混合物进入壳体后，在冷却钢管处迂回流动，通过管壁与冷却水进行热交换，使凝结水温度升高，而汽—气混合物中绝大部分蒸汽凝结成水，通过水封U型管疏水至凝汽器，不凝结气体和少量蒸汽则由轴封风机抽出并排放入大气。
多级水封示意图
轴封加热器多级水封，水封的级数可以用公式：
P1:轴加内的压力，kPa;P2:外界压力，kPa;h :每级水封管的高度；ρ：水的密度，kg/m3.
多级水封作为轴加的疏水装置的优缺点：
优点：没有机械传动，因而无磨损、无卡涩；没有电气元件，因而不需要调试，不耗电；结构简单，维护方便。
缺点 ：停机后水封管内有残留积水，易造成金属锈蚀，因而影响再次启动时凝结水的质量；占地面积大，需挖深坑放置水封，以及仅能在加热器间压力差不大的情况下使用。
6.安全阀
由于送往汽封系统的供汽压力高于系统允许的设计压力，在系统中装有两个安全阀，以避免由于调节阀失灵可能引起的过高压力。
安全阀是一个以“突然”作用为特征的直接压力启动的放泄阀，两个安全阀全调整在压力为275000Pa时开启排放系统中多余的蒸汽，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，能排放系统中过量的蒸汽。
7.蒸汽过滤器
为了防止外部物质进入汽封和引起转子的损坏，在每个汽封的供汽管道中使用了蒸汽过滤器。过滤器的“Y”形支管是水平安装的或置于管道的顶部，所以能够自行排空。
8.热电偶
热电偶是用来使运行人员能够监视高压和中压汽封供汽与这些汽封区的转子金属之间的温差，汽封供汽的温度是直接从调节阀和汽封之间的供汽管道中测得的，而汽封区的转子金属温度是不能直接测得的，它是通过在汽缸的一端或两端测量汽缸壁温度取得的近似值。
9.轴封风机
本系统采用两台100%容量轴封风机(其中一台备用)。
作用是用以抽出轴封加热器内的不凝结气体，以保证轴封加热器在良好的换热条件下工作，并维持汽封腔室一定的负压，使轴封汽的外挡漏气不向外冒汽。
四、轴封系统的运行
1.轴封系统投入
注意事项：
投运轴封前，机组盘车装置必须运行正常。
冷态投运轴封应先抽真空，后投轴封；热态正相反，应先投轴封，后抽真空。
冷态投运轴封系统时，必须充分暖管、疏水，以防轴封管道振动和轴封蒸汽带水。
冷态时轴封投运不宜过早，以免机组启动过程中胀差不易控制。
轴封加热器水位维持正常，以防水位过高轴封风机进水，烧坏电机、损坏轴承。
机组负荷大幅度变动，不能满足自密封时，应即时切换汽源。
投运操作：
汽轮机本体和轴封供汽管道所有疏水阀打开且汽轮机处于连续盘车状态。
启动凝结水泵并建立通过轴封冷却器的冷却水量。
开启轴封冷却器水室上的放气口，直至全部残留气体排入大气。
开启轴封冷却器疏水门。
开启各轴封压力调节阀前后手动门及电动门、轴封温度调节阀前后手动门，供汽调节阀处于手动关闭状态，轴封溢流调节阀投入自动，。
稍开辅汽供轴封调节阀，轴封管路暖管。
检查轴封管路各疏水阀已无水，暖管结束。
启动一台轴加风机。
逐渐开大辅汽供轴封调节阀，向轴封母管供汽，投入辅汽调节阀压力自动。
投入高、低压轴封温度调节自动。
冷再供轴封用汽在冷态启动时处于手动关闭状态，当锅炉点火升压，冷再蒸汽压力、温度符合轴封用汽的要求（蒸汽为过热蒸汽，最小有14℃的过热度），可投入冷再供轴封调节阀的自动。
机组温态、热态、极热态启动时，可采用冷再供汽。
确认各汽缸的每个汽封处均有低度真空。
确认各汽缸的任何汽封的蒸汽没有漏入大气，如果发现有漏汽，则提高轴封冷却器真空，或调整各调节阀的给定值以降低汽封联箱内的蒸汽压力直至停止向外部漏汽。
轴封压力建立后，开始抽真空。
当负荷增加到超过初始值时，所需的外部汽封供汽量减小，约在25％的额定负荷下，冷端再热供汽接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可能等于各低压汽封所需的蒸汽总量，当达到高负荷时，汽封联箱的蒸汽压力将增加到冷端再热供汽阀控制器（在DCS中）的给定值，且此调节阀关闭。如果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.轴封系统停运
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以前，不得切断汽封供汽。否则冷空气沿轴封处流入汽缸，会使转子表面金属急剧冷却，又会导致热的﹑静止的汽封体变形。
停止顺序
在机组盘车和汽封供汽来自外部汽源的情况下，确认主凝汽器真空已完全消失。
停止轴封冷却器风机
在停止轴封冷却器的风机后，应立即关闭各轴封供汽调节阀及调节阀前后手动门、电动门。
关闭高、低压汽封蒸汽减温控制阀两侧的手动截止阀。
停止轴封冷却器的凝结水侧运行。
4.正常运行的监视
轴封蒸汽母管压力0.023～0.032MPa。
低压轴封供汽压力、温度。
轴封加热器疏水水位。
轴封加热器汽侧负压。正常运行时真空在500～750Pa范围之内，通常是690Pa。
轴加风机运行情况。
轴封系统运行限制
汽封供汽必须具有不小于14℃的过热度。
盘车之前不得投入汽封供汽系统，以免转子弯曲。
低压缸汽封供汽温度120～180℃，低压汽封温度控制器整定值为150℃。
为了防止汽封部位由于热应力而造成转子损坏，机组在启动和停机时，要尽量减小汽封蒸汽和转子表面间的温差下，由于热应力而使转子开始产生裂纹的计算循环次数，由图2-12的曲线确定。建议转子循环疲劳能力为10000次。
如果热态启动采用辅助锅炉向轴封供汽，则应注意辅助锅炉所供蒸汽的温度也不得使轴封蒸汽与转子表面金属的最大允许温差超过上述规定。
5.当机组甩负荷时，轴封系统调整处理：
如机组辅汽压力达到要求，则轴封供汽由辅汽供给。
如辅汽压力达不到要求，而汽平衡达到要求，轴封供汽切至汽平衡供给；如汽平衡也达不到要求，则打开主汽至轴封进气门，将轴封供汽切至主蒸汽（再热蒸汽）供给。
机组运行时，如机组跳闸或机组停机时，应调整打开主汽至轴封进气门及减温水，调整冷再压力在2.94-29.4kPa，温度在180～220℃，调整轴封压力至正常，保证汽机惰走期间真空正常。
如轴封压力无法维持，在汽机转速降至2000r/min以下时，凝汽器破坏真空，真空到零后停止轴封系统。
查找机组跳闸原因，尽快恢复机组运行。
五、轴封系统的一般事故处理
1、轴封供汽不足
1）现象
A:凝汽器真空下降。
B:轴封供汽压力下降。
2)原因
A:溢流站调节阀失灵。
B:溢流站旁路阀误开。
C:开、停机时，轴封供汽阀失灵，或有关阀门误关。
3)处理
A:溢流站调节阀失灵，应关小调节阀前截门，并手动调整以维持正常的轴封母管压力，并联系维修处理。旁路门误开，应立即关闭。
B:开、停机时，若轴封供汽阀失灵，联系维修处理。有关阀门误关，应立即开启。
2、轴封温度过低
1）原因
A:轴加满水了，水通过轴封回汽管路进入轴封母管，引起温度下降
B:轴封减温水自动失灵，大量的减温水进入轴封母管，引起轴封温度骤降。
C:轴加注水管路一直在注水，引起轴加满水，水通过轴封回汽管路进入轴封母管，引起温度下降。
D:轴加风机长时间停运，造成轴封回汽不畅，引起轴封带水
E:轴封汽源汽温过低，带水，从而影响轴封蒸汽的品质，带水，温度下降.
2)处理
A:开疏水
B:同时提高辅汽压力，既可保住真空，又能把进汽管道、回汽管道的积水冲刷干净使轴封回到正常状态。
C:看真空，可以涨负荷，
3、轴承温度过高
1）现象
A:相对应的支撑轴瓦温度
B:回油温度升高
C:机组胀差不正常升高
D: 转子轴振上升
2)原因
A:低压轴封减温水都投不上
B:轴封齿损坏
3）处理
A:根据机组负荷、相对应的抽气参数
B:及时调整轴封进汽量、
C:调整轴封母管的压力、温度
D:调整减温水
E:倒换汽源等
4、轴封带水
1）现象
轴封带水将影响胀差向负值增大
2）原因：
机组刚启动或低负荷时轴封供汽带水有造成水冲击，如果是甩负荷后轴封供汽带水还会使高温的大轴表面受到不均匀的骤冷冲击，对大轴的危害是非常严重的。如果机组带较高负荷稳定运行，高压轴封漏汽压力比较高而且是向外排，低压轴封温度低，影响不是太大
3）处理：
A:切换轴封汽源，
B:打开轴封供汽系统及本体疏水门，倾听机内声音，测量振动，记录惰走时间，检查盘车电动机电流是否正常且稳定，盘车后测量转子弯曲数值。如惰走时间明显缩短或机内有异常声音，推力瓦温度升高，轴向位移，胀差超限时，不经检查不允许机组重新启动。
C:如果发现机组声音变沉，振动增大，轴向位移增大，胀差减小或出现负胀差，应立即破坏真空，打闸停机。
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