汽輪機軸封漏氣解決方案

胡友超(中石化揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 210048)

某煉油廠渣油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機組潤滑油泵的驅(qū)動機采用汽輪機，汽輪機軸封漏氣已經(jīng)成為該類型裝置普遍存在的問題。過去在這樣的機組上，常規(guī)采用的均是碳環(huán)密封，就是通常意義上的半碳環(huán)。而碳環(huán)的使用壽命通常有限，易產(chǎn)生軸封漏汽。軸封所泄漏蒸汽，一方面，會產(chǎn)生裝置現(xiàn)場危險區(qū)域，對操作工的安全形成威脅，另一方面，泄漏出來的蒸汽遇冷成水，沿軸傳遞至小汽輪機軸承箱，污染潤滑油，易造成軸承損壞。如果泄漏量大，還會造成汽輪機效率下降，從而增大機組穩(wěn)定運行風險。無論從勞動環(huán)境保護，還是基于對汽輪機本身長周期運行的可靠性考慮，必須采用一種可靠地密封方案來解決軸封漏氣問題。

刷式汽封正式基于這種工況下的產(chǎn)物。如下圖1所示，刷式汽封由彈簧、外部殼體、碳環(huán)、內(nèi)部殼體及刷式汽封等部件組成。

圖1 刷式汽封結(jié)構(gòu)圖

主要部件刷式汽封為一束刷毛。而刷毛是一束捆扎在一起，由一列細金屬絲組成，按一定方向均勻排列，具有相同的直徑和長度。刷毛內(nèi)圈與軸表面接觸，另一端焊接在刷毛束外圈適配的圓環(huán)，基礎(chǔ)圈為剖分式，上游環(huán)總是處于靠近工作腔的高壓側(cè)，下游環(huán)始終處于靠近大氣側(cè)的低壓側(cè)。

刷式汽封的刷絲直徑很小，一般為0.05-0.07 mm，而且刷絲的排列相當致密，通常每厘米范圍內(nèi)，刷絲中細金屬絲數(shù)達2000多根以上，如此致密的排布刷毛，能形成汽流有效的阻隔，從而形成密封。刷毛與刷毛之間的間隙，能夠改變汽流方向和形成不同的流動方式，見圖2刷式汽封原理圖。而刷毛間的間隙是不均勻的，使得汽流進入刷毛后，產(chǎn)生流量上的不均勻，汽流從刷毛間隙小的地方溢流到間隙大的地方。這種不規(guī)則偏流容易產(chǎn)生定向流和射流，同時產(chǎn)生任意的二次流和不確定的漩渦流。垂直于刷式汽封流向的汽流，此時會變成相對刷式汽封的橫向流動。因為軸對于刷式汽封的相對轉(zhuǎn)動，刷毛對汽流也形成了擾動，橫向流動更加徹底，通常2級刷式汽封就能取代以前4級的碳環(huán)密封效果。

圖2 刷式汽封原理圖

刷毛在材質(zhì)的選取上，根據(jù)目前各廠家研發(fā)結(jié)果顯示，優(yōu)于做刷毛的材料分別為鈷基合金和鎳基合金。通常刷毛選擇鈷基合金時，軸表面涂層則為鉻基合金，是一種優(yōu)選的材料組合搭配。當刷毛選擇鈷基合金時，如Haynes25，實驗表明刷毛自身的磨損量最小，也不用擔心刷毛自身強度會產(chǎn)生的不良影響，同時對涂層的磨損量也非常小。當剛更換于汽輪機的刷式密封，會遇到我們常會考慮的問題，刷毛的初期磨合時間。浮動式刷式密封的更換也會因輕微的干涉而引起短時間的設(shè)備振動。如果振動發(fā)生，則讓設(shè)備開到可允許的最大轉(zhuǎn)速來“磨損”毛刷直到振動消失后再將設(shè)備開到工作轉(zhuǎn)速。具體需要的時間很難估計，一般來講會用15分鐘到1個小時。

在實際使用中，我們還可以通過經(jīng)驗公式，來測算出刷式汽封的泄漏流量系數(shù)。

式中:為質(zhì)量泄漏率(kgs)；為上游汽體總溫(K)；為上游汽體總壓(MPa)；為轉(zhuǎn)子外徑(mm)。

經(jīng)過大量的實驗計算數(shù)據(jù)證明，刷式汽封的泄漏流量系數(shù)值通常在0.0035-0.006之間，該數(shù)值遠低于碳環(huán)汽封的表現(xiàn)。當刷式汽封應(yīng)用于汽輪機中時，如出現(xiàn)蒸汽在軸端凝結(jié)變成水至刷式汽封，那么水則成為刷式汽封良好的潤滑劑，這時刷式汽封的泄漏系數(shù)值將是無水狀態(tài)下的25。

我們見證了在3英寸軸徑，10bar排氣壓力，3600rpm,及400℃工況下汽輪機，使用刷式汽封或碳環(huán)汽封的兩種工況下，蒸汽的泄漏情況。橫坐標顯示，在汽封間隙變換的不同階段，蒸汽的泄漏量顯著變化，而機組長期工作的間隙下，刷式密封與碳環(huán)密封的泄漏差值，達到70%之多，見圖3。

圖3 碳環(huán)密封與刷式汽封泄漏量對比

圖4 汽輪機軸端密封布置圖

那么像我們目前機組上已經(jīng)存在的碳環(huán)密封，如何改造才能實現(xiàn)泄漏量最小，改造費用最低的目標的實現(xiàn)，是大部分存在機組的重點考慮?；谒⑹狡馐且环N接觸性密封，和碳環(huán)密封相比，安裝條件要求一致，并無其他特殊要求。通過對刷式汽封泄漏流量系數(shù)的確認，在目前機組四道碳環(huán)汽封的前提下，更換其中兩套碳環(huán)汽封為刷式汽封即可達到我們設(shè)想的改造目的。如下圖4所示，我們只需將1號及3號碳環(huán)密封更換為刷式汽封即可實現(xiàn)設(shè)定目標。

通過論證，刷式密封取代碳環(huán)密封，是可以實現(xiàn)機組軸端密封的更好辦法，在以后的生產(chǎn)中，我們可以逐漸在這種工況下漸漸使用刷式密封，為機組更好可靠的運行，實現(xiàn)保障。

[1]楊其國，茅聲凱，胡貴寶，等.葉頂刷子汽封在汽輪機上的應(yīng)用[J].汽輪機技術(shù)，2003，45(5):310—311.

[2]孫麗霞，王宗根，盧晨光，等.刷式汽封中泄漏問題的流體動力學(xué)模型研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2004，21(4):81—83.

[3]茅聲凱，商中福，尹蓮華，等.改善汽輪機通流部分性能的現(xiàn)代化技術(shù)[J].汽輪機技術(shù)，1999，41(3):129—135.