300 MW機(jī)組軸封間隙改變對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

郝玉振，鄭 威，丁俊齊，王學(xué)棟

（山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

大型汽輪機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，軸封結(jié)構(gòu)可以有效地減少高中壓缸蒸汽向外泄露，防止蒸汽做功損失，同時(shí)阻止空氣向低壓缸內(nèi)泄漏來(lái)保證機(jī)組的真空。隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軸封結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，同時(shí)出現(xiàn)了不同的型式。目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的汽封型式主要有傳統(tǒng)梳齒汽封、布萊登汽封、蜂窩式汽封、接觸式汽封、刷式汽封和DAS汽封。各種汽封中，按照節(jié)能方面來(lái)看，蜂窩汽封和刷式汽封較好，布萊登汽封、接觸汽封和DAS汽封次之，傳統(tǒng)梳齒汽封最差。從投資成本來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)梳齒汽封投資成本最低，蜂窩式汽封和刷式汽封投資費(fèi)用較高，布萊登汽封、接觸式汽封和DAS汽封投資費(fèi)用居中。300MW和600MW機(jī)組主要采用傳統(tǒng)型的梳齒汽封，進(jìn)行汽封改造的300 MW機(jī)型上出現(xiàn)了布萊登汽封、蜂窩式汽封和接觸式汽封，600 MW機(jī)組中對(duì)汽封改造的案例較少，上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的超超臨界1000 MW機(jī)組上開始采用刷式汽封。

1 軸封漏汽量的計(jì)算

1.1 汽輪機(jī)汽封原理

汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中必須留有足夠的徑向間隙

式中：h1、h0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的焓值，kJ／kg；c1、c0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的流速，來(lái)保證機(jī)組的安全運(yùn)行，在這種情況下，必然會(huì)在間隙部分出現(xiàn)蒸汽泄漏，泄漏可以分為通流部分蒸汽泄漏和軸端蒸汽泄漏，通流部分漏汽是動(dòng)靜之間間隙造成的，通流部分漏汽增加會(huì)造成汽輪機(jī)各級(jí)段效率降低，從而降低整個(gè)汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率，增加汽輪機(jī)組的熱耗率。軸端汽封泄漏是由于汽輪機(jī)各缸軸端汽封間隙造成的，軸端汽封間隙過(guò)大會(huì)造成汽輪機(jī)高中壓缸內(nèi)部蒸汽往外泄漏，減少蒸汽做功，同時(shí)造成外部空氣漏入低壓缸，造成汽輪機(jī)組真空下降、凝汽器端差增大及抽氣泵出力增加等問(wèn)題。相對(duì)于汽輪機(jī)通流部分汽封，軸端汽封在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)及運(yùn)行過(guò)程中更容易發(fā)生碰擦而導(dǎo)致漏汽量增加，是運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題的部位，也是現(xiàn)在汽輪機(jī)組改造的重點(diǎn)部位。圖1為傳統(tǒng)梳齒汽封示意圖，蒸汽在汽封間隙中的流動(dòng)可以近似視為多個(gè)節(jié)流過(guò)程，蒸汽在流過(guò)汽封齒與轉(zhuǎn)子間隙時(shí)焓值保持不變，壓力和溫度降低，雖然蒸汽焓值不變，但是其參數(shù)降低，相應(yīng)做功能力下降［1］。

如圖1所示，根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程m／s；z1、z0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的位高，m；w為蒸汽對(duì)外做功，kJ／kg；q為蒸汽與外界熱量交換，kJ／kg。

圖1 傳統(tǒng)梳齒汽封示意圖

蒸汽在流過(guò)軸封間隙時(shí)與外界發(fā)生微量熱量交換，同時(shí)蒸汽不對(duì)外做功，即q≠0，w=0，位能差可以忽略，則（1）式應(yīng)用于軸封漏汽流動(dòng)時(shí)可以簡(jiǎn)化為：由（2）式可以求出蒸汽流動(dòng)到低壓室處的速度：

節(jié)流前后，蒸汽的焓值近似保持不變，由（3）式可以看出，漏汽在與外界發(fā)生微量熱交換時(shí)，經(jīng)過(guò)軸封間隙后蒸汽流速變化不大。軸端汽封的漏汽量可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［2］。

式中：Al為軸端汽封的間隙面積，cm；p0和p1為軸端汽封段前后汽室壓力，即汽封高、低壓側(cè)壓力，MPa；zl為汽封齒數(shù)；v0為軸端汽封段前的蒸汽比容，m3／kg；ul為軸封的漏汽流量系數(shù)，與軸封齒形結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

由（4）式和（5）式可以看出，軸封漏汽量與軸端汽封間隙面積成正比。如果汽輪機(jī)主軸直徑以及軸端汽封間隙已知，同時(shí)假設(shè)漏汽參數(shù)變化不大，則僅對(duì)軸封間隙進(jìn)行改變便可以近似計(jì)算出軸封漏汽量的變化。

1.2 軸端汽封間隙改變對(duì)漏汽量的影響

汽輪機(jī)高中壓缸內(nèi)蒸汽參數(shù)較高，做功能力強(qiáng)，因此，高中壓缸軸端汽封漏汽會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。目前對(duì)汽輪機(jī)汽封改造的重點(diǎn)也集中在高中壓缸軸端汽封以及高中壓缸過(guò)橋處汽封。以上海汽輪機(jī)廠F156型汽輪機(jī)為例，定量說(shuō)明高中壓缸后軸封以及高中壓缸間過(guò)橋軸封間隙改變對(duì)漏汽量的影響。將汽封間隙擴(kuò)大0.1 mm，漏汽面積會(huì)相應(yīng)增加，根據(jù)（4）式，假設(shè)軸封漏汽量?jī)H與漏汽面積成正比便可以計(jì)算出軸封漏汽量的變化，此處近似計(jì)算未考慮軸封間隙變化帶來(lái)的蒸汽參數(shù)的變化。計(jì)算出的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 汽封間隙改變后高中壓缸軸端汽封及過(guò)橋汽封漏汽量變化

2 機(jī)組額定工況等效熱降計(jì)算

F156型機(jī)組是按照美國(guó)西屋公司技術(shù)制造的300 MW亞臨界中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽單軸凝汽器式汽輪機(jī)，機(jī)組整個(gè)通流部分共35級(jí)葉片，其中高壓缸12級(jí)，中壓9級(jí)，低壓缸2×7級(jí)?；?zé)嵯到y(tǒng)采用“三高＋四低＋一除氧”的型式布置，高壓缸和中壓缸分別布置兩級(jí)抽汽，低壓缸對(duì)應(yīng)4級(jí)抽汽。高壓缸后汽封一段L進(jìn)4抽，二段M進(jìn)均壓箱，三段N進(jìn)軸加；高壓缸前汽封漏汽E到中壓缸，D－E到高排；中壓后汽封漏汽一段S進(jìn)均壓箱，漏汽二段T進(jìn)軸加。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行等效焓降計(jì)算時(shí)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示，輔助蒸汽系統(tǒng)計(jì)算如表3所示。表中：tj為j號(hào)加熱器出口焓，ij為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的抽汽焓，tsj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的疏水焓，τj為j號(hào)加熱器內(nèi)的給水或者凝結(jié)水焓升，qj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的抽汽在加熱器內(nèi)的放熱，γj為j＋1號(hào)加熱器疏水與j級(jí)加熱器疏水焓差，hj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的等效熱降，ηj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的抽汽效率，Gj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的抽汽量，αj為對(duì)應(yīng)j號(hào)加熱器的抽汽量占主蒸汽量份額，tn為凝汽器熱井出口焓，新蒸汽焓h0=3397.2 kJ／kg，低壓缸排汽焓 hn=2343.3 kJ／kg，高壓缸排汽焓 hgp=3020.1kJ／kg，冷再蒸汽焓 hcr=3023.6kJ／kg，再熱蒸汽焓 hr=3539.1kJ／kg，再熱器焓升 σ=515.5kJ／kg，調(diào)節(jié)級(jí)焓 htj=3322.9kJ／kg，軸加疏水焓 tszj=415kJ／kg，低壓缸汽封進(jìn)汽焓hu=2716.2 kJ／kg，低壓缸汽封出汽焓 hv=2716.2 kJ／kg，給水泵焓升 τb=23.8 kJ／kg，主蒸汽流量G0=907030 kg／h，再熱蒸汽流量 Gr=745349 kg／h。

表2 F156型機(jī)組等效熱降計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表3 輔助蒸汽系統(tǒng)

再熱冷段以上排擠1kg抽汽所引起的再熱器吸熱增量

新蒸汽毛等效熱降

各種附加成分引起的做功損失ΣΠ

汽動(dòng)給水泵抽汽造成的做功損失

給水泵焓升損失

以上各種損失的和為：

新蒸汽等效熱降

循環(huán)吸熱量

汽輪機(jī)裝置效率

汽輪機(jī)裝置熱耗率

3 汽輪機(jī)汽封漏汽量改變對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

1）前汽封漏汽E對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

前汽封漏汽量增加1392.19 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

2）前汽封漏汽D－E對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

前汽封漏汽量D－E增加1219.55 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

3）高壓缸后汽封到除氧器漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

后汽封漏汽量L增加1305.56 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

4）高壓缸后汽封到均壓箱漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

后汽封漏汽量M增加142.2 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

5）高壓缸后汽封到軸加漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

后汽封漏汽量N增加24.17kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

6）中壓缸后汽封到均壓箱漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

后汽封漏汽量S增加135.35kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

7）中壓缸后汽封到軸加漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

后汽封漏汽量T增加14.75kg／h，做功損失增加量為

上海汽輪機(jī)廠F156型機(jī)組在汽封間隙改變0.1 mm的情況下，高壓缸后汽封到除氧器、均壓箱和軸加的漏汽量分別增加了1305.56 kg／h、142.20 kg／h和24.17 kg／h，中壓缸后汽封到軸加和均壓箱漏汽量分別增加了 135.25 kg／h和 14.75 kg／h，高中壓間汽封到中壓缸和高排漏汽量分別增加1392.19 kg／h和1219.55 kg／h。高中壓缸軸封漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響約為5.1059 kJ／kWh。

正常運(yùn)行情況下，汽封間隙改變對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響較小，如無(wú)特殊異常，不建議電廠對(duì)軸封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)改造工程不可控因素較多，改造后的機(jī)組往往由于啟動(dòng)等原因造成汽封碰損，從而導(dǎo)致改造后機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降，直接造成汽封改造失敗。

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機(jī)熱耗率增加

高中壓汽封漏汽量增加導(dǎo)致機(jī)組熱耗率增加總量

由計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)汽封各段漏汽量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響主要取決于做功損失量大小和漏汽量，以后汽封漏汽L和前汽封漏汽E為例來(lái)說(shuō)明，兩段漏汽增加量占主蒸汽流量的比例不同造成再熱器吸熱量減小值不同，同時(shí)由于兩段漏汽的回收點(diǎn)參數(shù)不同，漏汽L回收于4抽，漏汽E回收點(diǎn)在中壓缸入口，回收點(diǎn)的差異造成兩段漏汽的做功損失相差較大，做功損失和再熱器吸熱量的差異共同造成熱耗率的增加量差別較大。汽輪機(jī)軸端汽封間隙增加0.1 mm后，高中壓軸端汽封漏汽量的改變?cè)斐蔁岷穆实脑黾涌偭繛?.1059 kJ／kWh，此數(shù)據(jù)可對(duì)電廠機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的汽輪機(jī)汽封間隙調(diào)整提供參考。在端部汽封沒(méi)有嚴(yán)重受損的情況下，其漏汽量對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響不是非常明顯，一些電廠在對(duì)汽輪機(jī)端部汽封進(jìn)行改造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格考量投入產(chǎn)出比，很多廠家在對(duì)端部汽封改造時(shí)動(dòng)輒提出能夠降低熱耗率200 kJ／kWh的說(shuō)法也是沒(méi)有依據(jù)的。

4 結(jié)語(yǔ)

［1］邵和春.汽輪機(jī)運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1995.

［2］沈發(fā)榮，周留坤，王俊，等.新型汽封在國(guó)產(chǎn)機(jī)組的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（增刊）：184-186.

［3］林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.