超臨界機組低壓缸刷式汽封改造與節(jié)能

徐傳堂

（華潤電力（常熟）有限公司，江蘇蘇州 215536）

華潤電力（常熟）有限公司汽輪機為東方汽輪機廠引進日立技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界壓力機組，型號為CLN600-24.2/538/566，是典型的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，該機組于2005年3月投產(chǎn)運行，2009年10月1日進行第一次大修。為提高機組運行經(jīng)濟性，結(jié)合國內(nèi)機組汽封改造的經(jīng)驗，將低壓缸隔板汽封和軸端汽封由原來的梳齒式迷宮汽封改為刷式汽封.結(jié)果表明，改造后低壓缸汽耗損失減少，汽輪機供電煤耗降低了 4.04 g/（kW·h）。

1 汽輪機低壓缸的通流部分與現(xiàn)狀

本汽輪機低壓缸的通流部分，共有2×2×7級，2個低壓缸完全相同，均由內(nèi)缸、外缸、隔板（隔板套）和轉(zhuǎn)子等部件組成，蒸汽沿中心線方向引入，經(jīng)環(huán)形進汽室，均勻進入兩側(cè)的通流部分做功。為保證蒸汽在每一級中能自由膨脹，避免動靜部分的摩擦，動靜部分設(shè)置了一定的間隙。為減少漏汽，在轉(zhuǎn)子圍帶和隔板之間，葉片圍帶和隔板之間均設(shè)置了汽封裝置，大修前經(jīng)電科院測定，修正后汽機煤耗為 312.91 g/（kW·h），與同等級機組標(biāo)準(zhǔn)煤耗 308 g/（kW·h）相比，機組煤耗損失較大。

低壓缸隔板汽封和軸端汽封采用傳統(tǒng)的梳齒式迷宮汽封，又稱曲徑汽封，汽封背部有板彈簧，其工作原理是在合金鋼環(huán)體上車制出一連串較薄的薄片，每一個扼流圈后有一個膨脹室，當(dāng)蒸汽通過時速度加快，在膨脹室蒸汽的動能變化為熱能、壓力降低、比容增大。依此類推，在蒸汽通過多個扼流圈時，其每個扼流圈的前后壓差就很小，泄漏量就降低很多。圖1是幾種迷宮式汽封的示意圖。

由于梳齒汽封本身的特點，汽封間隙設(shè)計偏大，梳齒密封要想密封效果好又要安全穩(wěn)定的運行，必須滿足3個條件：（1）汽封齒端部厚度盡可能小，（2）密封腔室盡可能多，（3）安裝間隙盡可能小。前兩條因汽封材料、工藝和汽輪機設(shè)計等諸多因素的限制和影響，很難再有突破。一方面，若減小間隙，在機組啟、停過程中就會使轉(zhuǎn)子與汽封發(fā)生碰磨，導(dǎo)致汽封磨損，增大了轉(zhuǎn)子與汽封徑向間隙（縱使機組在檢修過程中將轉(zhuǎn)子與汽封的徑向間隙調(diào)整到了最佳值，但經(jīng)過幾次啟、停后，汽封仍被磨損）；另一方面，為了機組的安全，專業(yè)人員常常人為的放大間隙，導(dǎo)致梳齒汽封泄漏量較大，也是造成機組經(jīng)濟性差的原因。

圖1 梳齒式迷宮汽封

2 改造方案與刷式汽封工作原理

2.1 刷式汽封改造方案

（1）改造范圍：低壓A、B缸正反第2-7級隔板汽封（24圈），低壓A、B缸軸封（12圈），共計36圈。

（2）汽封徑向間隙的驗收采用全實缸滾膠布驗收（汽缸中分面0.10 mm不入、轉(zhuǎn)子位于軸向正確位置）。

（3）采用的汽封塊為鍛造件，汽封環(huán)的刷絲不能有脫焊及倒伏現(xiàn)象，刷環(huán)鉚嵌牢固，刷環(huán)上、下游環(huán)材質(zhì)為316 L，高度不得高于汽封高齒。

（4）刷式汽封刷毛與轉(zhuǎn)子間隙為設(shè)計間隙的1/2。

（5）汽封弧塊頸部出汽側(cè)與汽封體結(jié)合面，兩面要求粗糙度為3.2，間隙符合原汽輪機廠家要求。

表1 低壓A缸隔板汽封軸向及徑向間隙 mm

注：低壓A/B缸隔板汽封、軸封周向膨脹間隙為0.20～0.45 mm；下同。

表2 低壓A缸軸封軸向及徑向間隙 mm

表3 低壓B缸隔板汽封徑向間隙 mm

圖2 刷式汽封改造前后汽封徑向、軸向間隙圖示

（6）刷式汽封改造前后汽封徑向、軸向間隙的要求及圖示，見表 1、2、3和圖 2。

2.2 刷式汽封工作原理

刷式汽封源于國外航空發(fā)動機，是一種柔性阻尼密封，能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間振動而產(chǎn)生的偏心，因此能在保證安全的前提下盡量減小密封間隙，從而達到減少漏氣、節(jié)能降耗的目的[1]。

刷式汽封只是相當(dāng)于對梳齒汽封的高齒部分進行改造，其他部分均與梳齒汽封一樣。一方面，采用釬焊工藝將上游環(huán)、下游環(huán)及夾裝在兩者之間緊密排列的刷絲（高溫合金鎳絲）沿外徑焊接在一起，再與汽封體焊接在一起；另一方面，刷毛（一束捆扎在一起的高密集度、按一定方向排列、彈性、圓截面的細金屬絲）自由端與軸表面保持很小距離（動靜間隙等于迷宮齒的一半）。上游環(huán)總是處于汽流的高壓側(cè)，下游環(huán)始終處于汽流的低壓側(cè)，在下游環(huán)靠近刷絲束自由端的較大區(qū)域里，下游環(huán)與刷絲束之間留有一定的間隙，以減少壓差對刷絲束剛性的增強作用，幾千到幾萬的刷絲組成刷式汽封的可彈性變形的密封孔，簡稱刷封孔。刷絲與轉(zhuǎn)子形成一定的角度，刷絲與轉(zhuǎn)子的動靜間隙等于迷宮齒的一半，刷絲在流體流動過程中就像無數(shù)多的迷宮密封中的梳齒，具有節(jié)流、消耗汽流的能量產(chǎn)生降壓作用，進而有效地起到密封作用。刷式汽封的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 刷式汽封結(jié)構(gòu)簡圖

刷絲選用0.05～0.15 mm的原裝進口高溫鎳基合金，刷絲厚度2 mm左右，汽封環(huán)本體采用與原汽輪機制造廠相同的材質(zhì)。

3 改造實施及其注意問題

3.1 改造實施

在低壓缸轉(zhuǎn)子中心和洼窩中心確定、合格，并且具備安裝條件的情況下，進行汽封的安裝、間隙測量和調(diào)整工作。即以油檔洼窩作為假軸找中心的依據(jù)，利用假軸調(diào)整低壓內(nèi)、外缸洼窩中心，調(diào)整隔板、軸封套洼窩中心，利用假軸來調(diào)整汽封、軸封徑向間隙（用特制的內(nèi)徑千分尺測量汽封至假軸的徑向距離，再與真軸在該處的直徑相比較，對照汽封間隙標(biāo)準(zhǔn)計算出調(diào)整量），最后用滾膠布方法測量、調(diào)整汽封、軸封徑向間隙。

滾膠布方法測量、調(diào)整汽封、軸封徑向間隙時，按規(guī)定的間隙要求，在每塊汽封兩端近15 mm處，貼、并壓緊相應(yīng)層數(shù)的膠帶 （常用醫(yī)用膠布，做成7～10 mm寬的帶子，每層一般按0.25 mm計算），在貼膠布前，汽封表面要清理干凈，不能有灰、銹、油，這樣膠布才會貼實，不會翹起，不會出現(xiàn)假間隙，切記要順著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向粘貼，以免膠布被轉(zhuǎn)子刮掉。當(dāng)所有汽封塊的膠布都貼好后，吊入轉(zhuǎn)子并在轉(zhuǎn)子上涂少許紅丹粉，通過全實缸滾膠布驗收的方法，在全實缸、低壓內(nèi)外缸汽缸中分面間隙小于0.10 mm的情況下，盤車一周,滾膠布檢查徑向間隙，根據(jù)膠布與轉(zhuǎn)子的接觸情況，分析汽封的實際間隙，在調(diào)整塊和汽封圈之間加減調(diào)整墊片，或修磨汽封圈與調(diào)整塊的結(jié)合面，若阻汽片擋板過高，可在擋板和刷絲之間用插片隔開，再修磨擋板，直至間隙符合要求為止，并做好每次間隙調(diào)整的尺寸記錄。在全實缸條件下，經(jīng)過幾次汽封調(diào)整后（最后少許調(diào)整時，可對汽封背板內(nèi)緣采取“小削大沖”的調(diào)整方法），隔板汽封、軸封徑向間隙合格，待全部汽封裝復(fù)以后，打入銷釘，緊固上下隔板螺栓，扣內(nèi)外缸，盤動轉(zhuǎn)子，檢查汽封內(nèi)有無動靜摩擦聲，低壓缸刷式汽封隔板改造位置示例見圖4所示。

圖4 低壓缸刷式汽封隔板改造位置示例

最后，正式扣缸時，仔細檢查確無工具或其他雜物遺留，用壓縮空氣吹掃隔板、汽封，拆除孔洞封堵，內(nèi)窺鏡檢查，確認夾層、孔洞內(nèi)無雜物遺留后，對刷式汽封進行正式安裝，進行低壓內(nèi)、外缸的正式扣缸。

3.2 注意問題

（1）用塞尺測量間隙時，不可用力過大，以免因彈性變形造成測量誤差。

（2）貼膠布時，一定要貼的平整、均勻，不可有重疊成翹起現(xiàn)象，膠布的每織間應(yīng)剪斷，以免碰磨時互相影響。

（3）轉(zhuǎn)子涂紅丹時，不可太多，以免影響測量精度。

（4）測量上半只汽封的徑向間隙時，要注意防止壓板壓出汽封塊，使間隙變大。裝復(fù)時同樣注意，壓板一定要裝好，防止汽封塊轉(zhuǎn)動。

（5）測量間隙和裝復(fù)時，均應(yīng)先把汽封塊撬松，以免卡住。

（6）汽封塊的墊片要平整，不起皺、卷邊，螺釘要擰緊，墊片不能比汽封塊的調(diào)整塊寬，并且墊片不能過多。

（7）加減墊片必須注意螺釘要有一定的擰緊深度（至少旋入5 mm）。

（8）在進行最后一次調(diào)整時，必須將螺釘?shù)捻敳坑脴記_封好，以免松動。

（9）挫削汽封塊端面時，要保持平整，不要偏斜。

（10）合缸時，應(yīng)注意掛耳接觸面要清潔無雜物。

（11）用扁嘴鉗將歪齒夾直，并整理刷毛，直至外觀平直。

4 改造效果與分析

（1）620 MW工況下，修正后機組熱耗率為7989.88kJ/（kW·h），相比大修前 7989.88kJ/（kW·h），降低 61.3 kJ/（kW·h）。

（2）高壓缸效率偏低，620 MW工況為83.2%，相比修前82.52%，提高0.68個百分點。試驗期間，620 MW工況下主汽壓力比設(shè)計值低0.73 MPa，主汽溫度比設(shè)計值低2.36℃，高排壓力比設(shè)計值高0.32 MPa，高排溫度比設(shè)計值高16℃，一抽壓力比設(shè)計值高0.44 MPa，一抽溫度比設(shè)計值高17.78℃，判斷高壓缸進汽至一抽以前隔板漏汽比較嚴(yán)重。

（3）中壓缸效率90.94%，設(shè)計值92.03%，如測點無問題，中壓缸效率比設(shè)計值低1.1個百分點。

（4） 修正后供電煤耗為 308.87 g/（kW·h），相比大 修 前 312.91 g/（kW·h），機 組 降 低 煤 耗 4.04 g/（kW·h）。

由于低壓缸效率不方便計算，往往通過機組高、中、低壓缸的總效率減去高中壓缸效率來衡量，故由上述（1）、（2）、（3）可知，在高、中壓缸效率偏低的情況下，顯然低壓缸效率顯著。可以說，在某種程度上，低壓缸彌補了高中壓缸做功效率的不足，低壓缸供電煤耗至少降低了4.04 g/（kW·h）?？梢?，若機組每年按300 d正常運行時間，每天平均負荷500 MW，每噸煤以700元計算，則由于低壓缸汽封的改造，機組運行300 d至少可節(jié)省1 000萬元人民幣。

5 結(jié)束語

（1）決定采用刷式汽封時，在調(diào)試階段機組很難一次啟動成功，要有啟動或打閘幾次的準(zhǔn)備。因為在安裝過程中刷式汽封刷毛與轉(zhuǎn)子間隙為設(shè)計間隙的1/2（相對原制造廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，汽封的徑向安裝間隙減小了一半），機組啟動初始階段，暖機不充分，汽缸和轉(zhuǎn)子未充分膨脹，刷毛或汽封短齒會與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，導(dǎo)致振動過大而需打閘；經(jīng)過幾次機組的啟動、打閘后，機組得以充分暖機，轉(zhuǎn)子、汽缸膨脹到位，汽封的刷毛或短齒不再發(fā)生碰磨，機組能夠正常運行。

（2）由于汽封安裝間隙較小，在冬季機組處于高真空的情況下，機組在運行初期有時會出現(xiàn)機組低壓缸軸承振動增大的現(xiàn)象，這是由于低壓缸本身體積大、剛性差、轉(zhuǎn)子長，在真空過高的情況下（當(dāng)機組真空高于100 KPa時），汽缸和軸承座在大氣壓的作用下發(fā)生變形，使汽封間隙變小而與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，待經(jīng)長時間運行、充分暖機后，該現(xiàn)象會自動消除。

（3）若要對低壓缸軸封部位進行刷式汽封改造，須考慮在該處的刷式汽封刷毛不能過密，否則軸封供、回汽在這里有時會出現(xiàn)汽流不暢通的現(xiàn)象，導(dǎo)致軸封部位溫度升高、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形，進而產(chǎn)生振動；如果低壓缸真空較好，可不對低壓缸軸封進行刷式汽封改造，以免因之而產(chǎn)生振動。

（4）汽封的刷絲在運行中將來是否會發(fā)生掉落？在機組高負荷長期運行時刷絲是否會產(chǎn)生倒伏現(xiàn)象、造成間隙增大、節(jié)能效果降低，還需以后檢修來驗證。

[1]孫曉萍.刷式密封性能及耐久性試驗研究[J].航空發(fā)動機，2002（3）：37-41.