第五节 汽轮机辅助系统

一、轴封系统

在汽轮机内，汽封有多种形式：各级隔板的内孔和转子之间装有隔板汽封，高、中压级动叶栅的围带和隔板外缘的凸缘之间装有围带汽封，有些高压级动叶栅的根部和隔板之间还装有叶根汽封，这些汽封统称级间汽封。级间汽封设在汽轮机内部，主要是为了减少高压端蒸汽漏向低压端。而在转子端部和汽缸之间所装的是轴端汽封，与电站设计有关的主要是轴端汽封。轴端汽封通常为曲径式汽封，按其齿形可分平齿、高低齿和枞树形等多种形式。轴端汽封简称为轴封。

（一）轴封系统功能及特点

汽轮机的轴封系统是由汽轮机的轴端汽封和电站的外部汽源，通过管道、阀门和设备、附件等共同组成，是用以防止或减弱轴间蒸汽泄漏的设施。这些漏汽不仅造成热量和汽水损失，而且会加热轴承座，影响汽缸和转子中心线的相对位置。若漏汽进入轴承座，将使润滑油乳化和老化，降低其品质，影响润滑效果。在起动初期，各汽缸内的压力会低于大气压力，在正常运行中，低压排汽缸的压力也低于大气压力，此时空气将由轴封处漏入汽缸，进入凝汽器，使排汽压力升高，冷源损失加大，因此需设置轴封系统。

虽然不同的汽轮机组有不同的轴封系统，但其功能要求和特点，大致可归纳如下。

1.轴封汽的利用 在汽轮机的高压部分，高压端轴封两端的压差很大，为保证机组安全运行，防止动静部分发生摩擦，轴封间隙不能过小，而轴的直径是根据主轴强度确定的，不可能任意缩小，因此漏汽量可能较大。若较多地增加轴封齿数，将增大机组的轴向长度。为减小轴封漏汽损失，往往将轴封分成数段，各段间形成中间腔室，使每段的压差减少以减少漏汽。引出的轴封漏汽可与回热抽气合并，流到回热加热器中加热给水。此外，从轴封中抽吸出来的漏汽和空气混合物均引至轴封加热器加热凝结水。

2.低压低温汽源的应用 高压汽轮机高压缸两端的轴封与主轴承靠得很近，运行中如由高压缸和端部轴封处有过多的热量传至主轴承处会造成轴承温度升高，影响轴承安全。为此，在大容量机组的轴封系统中，常向高压轴封处供给低压低温蒸汽，以降低轴封处的温度，低压低温汽源可来自高压除氧器母管的蒸汽。在机组起动及低负荷运行时，在高压缸内也可能形成真空，为防止空气漏入，需有备用汽源向轴封供汽。

3.防止蒸汽由端轴封漏入大气 对于大型汽轮机，为了避免端轴封漏汽漏入轴承以致油中带水恶化油质，减小车间内的湿度，使仪表及运行人员的工作条件不致恶化，同时也为了减少汽水损失，常在高低压端轴封出口处人为地造成一个比大气压力稍低的压力（如0.095～0.097MPa），将漏出的蒸汽和漏入的空气一起抽出，送到轴封冷却器，蒸汽冷凝后被回收，空气由抽气器或轴封风机抽出后排至大气。

4.防止空气漏入真空部分 为了防止空气漏入低压缸的真空部分，影响机组真空，常在低压端轴封中间送入比大气压力稍高（如压力0.101～0.147MPa）的蒸汽，这股蒸汽漏入汽缸内，同时沿着主轴向背离汽缸的方向流动，以阻止外界空气漏入汽缸。

（二）轴封系统示例

开式轴封系统，系统虽然简单，但不便于调整，而且冒汽管有微弱蒸汽冒至汽轮机房内，目前已很少采用，故不再介绍。现重点介绍中大型机组普遍采用的自动调节的闭式轴封系统。

下面以国产某台汽轮机的自动调节闭式轴封系统为例来作介绍，见图3-18。

高压缸前后轴封和中压缸的前轴封各分为五段。每段有四个汽室（A1、A2、A3、A4；B1、B2、B3、B4；C1、C2、C3、C4）。中压缸的后汽封和低压缸的前后汽封各分为三段，每段有两个汽室（D1、D2；E1、E2；F1、F2）。其中A4、B4、C4三个汽室与第五段回热抽气管相通，漏汽引入四号低压加热器加以利用；A3、B3、C3三个汽室与轴封加热器相连，漏汽引入轴封加热器加热主凝结水；A2、B2、C2、D2、E2、F2六个汽室与轴封供汽母管连接，由除氧器汽平衡管经压力调节器供汽，维持汽室压力为0.101MPa；A1、B1、C1、D1、E1、F1六个汽室经轴封冷却器与轴封抽气器相通，抽取各汽室的汽-气混合物，维持各汽室内的压力为0.095～0.097MPa。由于各轴封的供汽汽室和抽气气室内的压力稳定，在任何工况下空气都不会漏入汽缸，且蒸汽也不会由轴封外端漏出。由于系统设置了轴封供汽压力调节器和轴封抽气器，在运行中可实现自动调节，使操作简化。

二、油系统

（一）油系统功能

现代汽轮机的调节保护系统都是用油驱动，各轴承也需要大量的润滑油来进行润滑和冷却，因此，每台机组均需设置供油系统，在各种工况下不间断地向调节系统、保护系统和轴承供油，并保证油压、油温和油的流量符合要求。

通常，当调节系统和轴承使用同一牌号的润滑油时，由一套供油系统共同供给，它由主油泵、高压油泵（起动调速用）、交流润滑油泵、直流润滑油泵（事故油泵）、注油器（射油器）、冷油器和油箱等主要设备组成，见图3-19。

（二）油系统组成

1.油泵 大型机组所采用的油泵都是离心式油泵。大多数汽轮机的主油泵置于前轴承箱内，由汽轮机的主轴拖动。只有当机组的转速高于某转速（如2800r/min左右）时，轴头主油泵达到使用所需油压时，主油泵才开始进入正常工作状态向油系统供油。压力油分为两路，一路至调节保护系统，另一路作为注油器的动力油。系统中通常设置2～3台注油器，一台向主油泵供油，以防止压力油中带气影响油压稳定，另一台向轴承供油，若有第三台，则是向发电机的密封油系统供油。起动油泵的出口油压与主油泵相同，要满足调速油压的要求，在起动/升速过程中，由它代替主油泵向系统供油。两台润滑油泵的出口油压较低，仅需满足轴承润滑对油压的要求，在起动前和停机时由它向轴承供油。

由于注油器效率低，噪声大，有些机组用液力涡轮机（油涡轮）拖动低压离心油泵代替注油器，液力涡轮机的动力油仍由主油泵供给。

中小型机组油系统设备通常采用分散布置，油泵布置在零米层。大型机组现均采用集装方式，各类油泵都立式放置在油箱上，成为一整体。

为了防止汽轮机在全厂停电/厂用电丢失时不受损害，润滑油泵除正常供电电源外，尚需配备保安电源，可用直流电供电，也可由保安柴油发电机供电。

2.油箱 油箱是供油系统存油的容器，轴承的回油排入油箱，供循环使用。油箱的容积为每小时供油量的1/12～1/8，保证油在油箱中有足够长的停留时间，以便分离出回油中所含的气体、水分和残渣。同时，油箱容积（即存油量）与油的循环倍数（单位油量在相同时间内流经汽轮机轴承的次数）有关，油的循环倍数过大，油质易被恶化，所以油箱容积不宜太小。分离出来的气体，由排烟风机排至室外，而水分和残渣则定期由排污管放出。

3.冷油器 润滑油流经轴承吸收摩擦产生的热量和转子传来的热量，油温相应升高。为保证轴承的供油温度，进入轴承的润滑油需先经冷油器降温。冷油器是一种表面式热交换器，由循环水或工业水冷却。通常每台机组设置2～3台冷油器，根据油温的高低可切换为串联或并联运行，必要时可停一台进行清洗或检修。

4.油净化装置 润滑油流经轴承因吸收热量，久而久之会使油质乳化，需定期处理和更换汽轮机用油。对中大型汽轮机组，常配备有油净化装置，在机组运行的同时抽出一部分（通常为15%左右）油至油净化装置，通过吸附和过滤净化处理后再返回油箱，使总体油质在整个运行过程都能得以保持。

5.油压调节和低油压保护 为了保证轴承的供油压力，在轴承进油母管上设置调压阀（溢流阀）和低压保护装置。调压阀的整定压力通常为0.09～0.10MPa，油压升高，调压阀开大；油压降低，调压阀关小。当调压阀关闭而油压继续下降时，低油压保护装置相继动作。

三、冷却供水系统

这里所介绍的供水系统主要是指与汽轮机凝汽设备有关的循环水（冷却水）系统，不包括电厂各设备的工艺冷却用水系统。

（一）重视水资源利用

热力发电厂是“用水大户”，因为冷却汽轮机排汽使之凝结所需要的冷却水量很大。一般每凝结1t蒸汽需要用50～80t的冷却水，一座有5台200MW汽轮机的发电厂，在满负荷下运行所需冷却水量为（1～1.5）×105t/h，数量是很可观的。在电厂里，这部分冷却水、补充锅炉给水的化学水、化水车间所需的生水以及其他设备所要的工业水都由专门的供水系统供给。

在建设电厂进行厂址选择时，足够的水源是一项极为重要的条件。在发电厂设计中，应对水资源合理利用作全面规划，做好水量的综合平衡，积极地采用节水新技术、新设备、新工艺，采用各种合理、有效的回收措施，搞好水资源的综合利用和重复使用。

常规的凝汽设备及冷却方式，主要特点是冷却塔中空气与被冷却的循环水直接接触，其换热方式主要是蒸发冷却。因此，这种冷却系统也叫做蒸发冷却系统，这种系统换热能力强，但却要损失大量的冷却水，因为在冷却塔中空气所带走的不仅是凝汽器要排放的热量，而且也带走了蒸发而成蒸汽的水，这往往使厂址选择遇到困难。

对火力发电厂，《大中型火力发电厂设计规范》（GB 50660—2011）和《小型火力发电厂设计规范》（GB 50049—2011）规定了用水指标。

我国水资源并不丰富，人均占有水量仅有世界人均占有量的1/4，而且资源分布极不平衡，南方有水但缺煤，北方有煤但缺水，富煤而缺水成为火电厂建设的难题。寻找能够节水的发电厂冷端方案成为重要而紧迫的任务。为解决此矛盾的重要技术措施——空气冷却技术和干式冷却塔，近年来在缺水地区新建电厂中普遍采用。

（二）供水方式

冷却水供应方式主要根据厂区自然环境，特别是水源条件与耗水量等情况而定，其次是水源距厂区的距离等。一般可分成两大类：一为直流供水，也叫开式系统，这种供水方式很简单，一般在江河上游建立岸边泵站取水，经循环水系统进入凝汽器升温后的水再排放回江河的下游（以保证取水温度不致因排出的热水可能回流而受影响），这种方式的冷却水只使用一次，不重复使用。这种方案系统简单，造价低廉，运行维护方便，但必须具备流量足够丰富的天然水源才能采用。图3-20为直流（开式）供水系统示例。最广泛的是带冷却塔的闭式供水方案，见图3-21。

在没有天然水源或虽有天然水源但水流量不足，或水源离厂区太远，经技术经济论证采用开式系统在经济上不具有优越性时，可采用闭式系统。闭式系统中必须有冷却设施，如冷却水池、喷水池和冷却塔等。当前使用最广泛的是带冷却塔的闭式供水方案。

（三）冷却设施

目前应用最广泛的冷却设施是冷却塔。冷却塔形式很多，从空气流动方面分类有自然通风冷却塔和强制通风冷却塔或叫机力塔；从热交换形式分类有对流换热冷却塔和横向冲刷换热的冷却塔。

1.机力通风冷却塔 机力通风冷却塔见图3-22，它初期投资小，建设工期短，布置紧凑，占地少，而且冷却效果稳定，适宜在空气湿度大、气温高、要求冷却后水温比较低的情况下采用，也更适应于小型发电厂建设投资少速度快的特点。对小型热电厂，机力通风塔可通过改变运行台数来适应外界热负荷的变化，具有更好的灵活适应性。但机力通风冷却塔需要风机设备，运行中要消耗电能，也增加了检修维护工作量和运行费用。6MW及以下的机组宜采用机力通风冷却塔，12MW及以上机组视条件也可采用机力通风冷却塔。

2.自然通风冷却塔 我国习惯上使用自然通风的双曲线冷却塔，这也是世界上许多国家广泛使用的塔型。

冷却塔的塔身由钢筋混凝土浇筑而成，是以双曲线为母线而形成的塔体而得名，这种塔体符合自然通风的流线，可减小空气流动的阻力。塔身内有淋水装置、配水槽与集水池等设施。由于塔内被冷却的水的温度高于塔外的空气温度，因而产生塔内外介质的密度差，这是引起自生通风的原因。塔内的配水槽是将水均匀分布于塔的截面上，淋水装置又将水碎成雨滴，增强水（被冷却介质）与空气（冷却介质）的接触，可以达到最大限度的传热。实际上在塔内循环水的冷却一是靠传热，二是靠蒸发，就是说一部分循环水在塔内换热过程中蒸发，携走热量，这种蒸发传热强度较单纯换热强度高出若干倍。因此，这种冷却塔也叫蒸发冷却塔。它带来不利的因素是水量损失增大。塔内所进行的过程是传热传质的过程，携走的热量消散于大气中，被冷却后的水落入集水池，再由循环水泵输送至凝汽器去冷却和凝结汽轮机的排汽。由于蒸发冷却，循环水损失数量相当可观，约占全部循环水的2%，因此须定期补水。

自然通风冷却塔初期投资较大、施工工期长、占地多，但运行维护工作量少，冷却效果稳定，适用于冷却水量较大、冷却水温降不小于6℃、冷却水温与空气湿球温度差大于7℃的情况。

12MW及以上机组，特别是大中型机组，通常采用自然通风冷却塔，每台机组宜配一座冷却塔。

从节约用水、改善厂区及周围地区的环境条件（如道路结冰）、缩小冷却塔与附近建筑物间的间距等方面考虑，自然通风塔（也包括机力通风塔）宜装设除水器。

对处在寒冷地区的自然通风冷却塔，冬季防冻问题需要认真考虑，特别是采暖抽气机组，此时凝汽汽量很少，水塔热负荷很低，容易使淋水板结冰。

（四）循环水泵及泵房

循环水泵的总容量主要按经过技术经济比较后确定的循环倍率选取，因其工作介质仍属于常温清水，而且设备大、价格贵，一般不设备用泵；当在海水或含砂量较大的河水中工作时，在水泵通流部分材质选用上要考虑耐腐蚀性和耐冲蚀性。

对于岸边集中取水泵房或母管制供水泵房，泵房建筑物的地下工程量大、施工复杂，宜按电站规划容量一次建成，泵的台数一般规划在3～4台，随机组的建设进度分期安装。

对循环供水系统，循环水泵应优先考虑设置在汽轮机房或其“披屋”内，以减少泵房建筑费用和占地，降低工程造价，还可减少运行值班人员，方便检查和检修；只有在大型电厂，因循环水泵体形很大，放置在汽轮机房内不合理时，才在水塔区另建循环水泵房。循环水泵数量，一般每台机组宜设置两台，考虑到冬季时循环倍率低、供水量少，可在两台机组间设联络管成为扩大单元方式，冬季两机三泵运行。

（五）干式冷却系统

干式冷却系统也叫空冷系统（以下简称空冷），见图3-23，按工作原理可分为：直接冷却系统、间接冷却射流凝汽器系统和间接冷却表面式凝汽器系统。

在工业上，常把直接冷却系统归类为GEA（Gesellschaft für LuftRondensation）系统；把间接冷却采用射流凝汽器的系统归类为海勒系统；把间接冷却而采用表面式凝汽器的系统归类为哈蒙系统。

1.直接冷却系统 系统简单，汽轮机的排汽直接送至干式冷却塔去冷却凝结，从而省略了常规系统的凝汽器，即把常规形状的凝汽器变成一个面积很大、分成很多间隔的气-汽热交换器，把它从厂房里拉出来，放在户外。为了增强气-汽热交换器的换热效果，常采用风机对热交换器进行强制通风。在热交换器管内的汽轮机的排汽被管外空气冷却后，凝结成水回到电站的凝结水/给水系统。因此，水侧仍完全处在“真空”状态，作用和常规凝汽器一样。

直接冷却系统虽然简单，但有以下问题：一是需要很庞大的管道系统，不仅多消耗钢材，增加投资，而且也带来电厂布置上的困难；二是庞大的管道系统加上众多的气-汽热交换器（叫做散热器），全都处在“真空”下工作，凝结水侧渗入空气的可能性加大，对整个系统的安装/焊接工艺要求极高；此外，当出现不稳定工况时会发生冷却系统汽水回流。

2.采用射流凝汽器的间接冷却系统（海勒系统） 基于上述原因，才出现了间接冷却系统，第一个出现的就是海勒系统。

海勒系统采用了射流凝汽器（或叫混合式凝汽器），其凝结水经凝结水泵分成两路。一小部分送回给水系统，其余部分送至干冷塔进行冷却后再到射流式凝汽器作为冷却介质（相当于起循环水的作用）与汽轮机排汽直接混合使之冷却凝结，两部分凝结水量的分配则按热平衡或凝汽器冷却倍率而定。

此系统克服了直接冷却系统的弱点，但也有其自身的缺陷，主要是：全系统都必须用高纯度的中性水，虽说空冷在理论上是不损耗水的，因为采用空冷的初衷就是节约用水，但还会存在某些泄漏和污染，这样加大了电厂水处理，特别是凝汽器等，增大了设备的复杂性。为了调节进入凝汽器射流水的压力，以增强射流冷却的效果，在冷却水进入凝汽器前还需装设一小水轮机，以调节水压和回收一部分能量，这又使系统更加复杂化。

3.采用表面式凝汽器的间接冷却系统（哈蒙系统） 作为一种改进方式，它将射流凝汽器改用表面式凝汽器，这样不仅使冷却水系统不再使用高纯度中性水，而且还可以采用低沸点工质作为中间冷却介质，这样的冷却介质还可以利用其本身的低沸点工质的汽化形成自然循环而省略循环水泵，但系统环节仍较多。

工程设计中，应根据建厂条件、气象条件和技术经济比较，确定采用哪种空冷技术方案。