高爐煤氣透平膨脹機(jī)碳環(huán)密封的改進(jìn)

高守龍

（本溪鋼鐵股份有限公司燃?xì)鈴S，遼寧本溪 117000）

1 前言

高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置是利用凈化后的煤氣壓力能，使煤氣通過透平膨脹機(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,進(jìn)行能量回收的一種裝置，該裝置簡(jiǎn)稱 TRT（T o pG a sP r e s s u r eR e c o v e r yT u r b i n e）。透平膨脹機(jī)是TRT的主機(jī)，它由定子、轉(zhuǎn)子、軸承箱、靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)、密封、聯(lián)軸器等組成（見圖1）。

圖1 透平機(jī)示意圖

其中透平進(jìn)氣側(cè)密封和透平排氣側(cè)密封由拉別令密封和碳環(huán)密封組成，以防止煤氣泄漏對(duì)人員和設(shè)備造成危害。

本鋼6#、7#發(fā)電機(jī)組自2006年投產(chǎn)以來，透平膨脹機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生碳環(huán)密封泄漏煤氣現(xiàn)象，給設(shè)備安全和人身安全帶來威脅，由此引起機(jī)組停運(yùn)檢修，帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 存在的問題

2.1 拉別令密封

拉別令密封是節(jié)流膨脹方式的密封結(jié)構(gòu)，存在以下四個(gè)問題：一是受密封齒數(shù)量限制，節(jié)流膨脹次數(shù)相對(duì)較少，泄漏嚴(yán)重。二是密封齒易磨損導(dǎo)致密封失效，機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速及發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，振幅較大，轉(zhuǎn)子上的齒與套之間會(huì)發(fā)生接觸，由于密封齒較薄，當(dāng)產(chǎn)生摩擦?xí)r，密封齒很快被磨損。三是在轉(zhuǎn)子和機(jī)體上鑲嵌、更換密封齒較困難，且更換后需做動(dòng)平衡。四是易引起氣流激振，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。拉別令密封的“J”形齒間存在環(huán)形腔室，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，腔室內(nèi)有強(qiáng)旋氣流，再加上轉(zhuǎn)子的運(yùn)行軌跡為橢圓形，那么轉(zhuǎn)子圓周各處受強(qiáng)旋氣流的切向力有很大差異，極易引起氣流激振，引起機(jī)組振動(dòng)。

2.2 碳環(huán)密封

碳環(huán)密封對(duì)安裝要求嚴(yán)格，容易出現(xiàn)碳環(huán)碎裂及拉簧卡在碳環(huán)槽內(nèi)的情況，易引起機(jī)組振動(dòng)及密封失效。

因碳環(huán)后面拉簧的作用，碳環(huán)始終與轉(zhuǎn)子“零”接觸，受碳環(huán)材質(zhì)影響，對(duì)軸套有一定磨損，新更換碳環(huán)時(shí)由于軸套磨損造成密封間隙調(diào)整困難而泄漏煤氣，必須更換磨損的軸套，增加檢修難度和檢修成本。

在運(yùn)行中碳環(huán)密封泄漏煤氣，造成廠房?jī)?nèi)煤氣含量超標(biāo)，為避免設(shè)備和人身安全事故，機(jī)組需被迫停機(jī)檢修，這首先既影響高爐生產(chǎn),又影響發(fā)電量；其次由于設(shè)備經(jīng)常檢修，造成檢修費(fèi)用增加；再次為控制煤氣泄漏維持生產(chǎn)必須向碳環(huán)密封加入大量氮?dú)猓@樣又造成運(yùn)行成本升高。

3 密封原理

透平膨脹機(jī)軸端密封是采用拉別令密封（迷宮密封）和碳環(huán)密封組成的兩級(jí)密封。拉別令密封是在轉(zhuǎn)軸上鑲有多級(jí)錯(cuò)列的環(huán)形不銹鋼密封條，依次形成多個(gè)節(jié)流環(huán)，與機(jī)體上密封槽相配合而成，被密封介質(zhì)在通過曲折迷宮的間隙時(shí)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而達(dá)到阻漏的目的。由于迷宮密封的轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間存在間隙，這種密封對(duì)煤氣泄漏有一定阻止作用，使煤氣泄漏量減小，但不能達(dá)到泄漏要求（小于50×10-6），這是第一級(jí)密封，屬于動(dòng)密封的前置密封。

碳環(huán)密封屬于浮動(dòng)密封的一種，因其材質(zhì)為炭精而得名。碳環(huán)密封的結(jié)構(gòu)包括環(huán)形密封腔體和環(huán)形軸套，密封腔體內(nèi)有環(huán)形槽，槽內(nèi)至少裝有二個(gè)截面為矩形的環(huán)形石墨密封環(huán)，石墨密封環(huán)的內(nèi)徑與環(huán)形軸套之間有0.01～0.04m m的間隙碳環(huán)密封是由腔體和碳環(huán)組成,碳環(huán)采用三瓣環(huán)結(jié)構(gòu)，用拉簧將三瓣環(huán)組成圓環(huán)一組，每個(gè)碳環(huán)密封由四組碳環(huán)組成，形成四個(gè)節(jié)流環(huán)，安裝在腔體環(huán)形槽內(nèi)，與軸套一起組成密封組（見圖2）。

圖2 碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)呈旋浮狀態(tài)，對(duì)碳環(huán)連續(xù)撞擊，碳環(huán)沿徑向滑動(dòng)，這時(shí)靠三瓣環(huán)拉簧的作用，使碳環(huán)內(nèi)環(huán)面與軸套外圓面之間間隙保持最小有效間隙,實(shí)現(xiàn)碳環(huán)的有效密封。腔體與外供氮?dú)夤艿老噙B，氮?dú)鈮毫Ω哂诿簹鈮毫?，氮?dú)鈮毫σ话阏{(diào)整比煤氣壓力高20k Pa～30k Pa，氮?dú)庠谔辑h(huán)內(nèi)環(huán)面與軸套外圓面之間形成密封氣膜，氣膜在碳環(huán)旋流槽形成環(huán)流,使密封效果達(dá)到最佳,這是透平膨脹機(jī)第二級(jí)密封。

4 泄漏煤氣原因分析

從密封原理看出，透平膨脹機(jī)的第一級(jí)密封，是間隙密封，由于透平機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)，而軸瓦與軸頸的間隙一般為0.20m m～0.25m m，所以第一級(jí)密封的間隙必須大于0.25m m，才能保證密封與轉(zhuǎn)子不刮。因?yàn)橛虚g隙存在，泄漏煤氣不可避免。第二級(jí)密封，是有氮?dú)庾鼋橘|(zhì)的浮動(dòng)式密封。密封效果主要取決于以下幾個(gè)方面：（1）透平膨脹機(jī)在運(yùn)行中密封碳環(huán)由于存在磨損，使密封間隙逐漸增大。（2）碳環(huán)加工達(dá)不到技術(shù)要求，尺寸加工大了或加工小了，表面光潔度不好，都直接影響密封效果。（3）腔體內(nèi)環(huán)形槽處理不干凈，影響碳環(huán)游動(dòng)性，氣膜形成不好，使密封間隙增大。（4）碳環(huán)材質(zhì)選擇過硬造成軸套劃傷，碳環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)，甚至發(fā)生透平膨脹機(jī)停機(jī)。綜上所述，即使有氮?dú)庾鳛槌涮罱橘|(zhì)進(jìn)行密封，但由于上述原因造成碳環(huán)失效煤氣仍要泄漏，所以密封間隙超標(biāo)是煤氣泄漏的主要原因。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，導(dǎo)致煤氣泄漏逐漸增大,這時(shí)需要消耗大量氮?dú)鈦砭徑饷簹庑孤?，使運(yùn)行成本隨之加大。

5 改進(jìn)措施

5.1 間隙調(diào)整

三瓣環(huán)內(nèi)環(huán)面(密封面)與軸套之間徑向間隙即密封間隙一般為0.15m m～0.35m m，三瓣環(huán)側(cè)面(密封面)與環(huán)形槽的軸向間隙屬密封間隙同樣一般為0.05m m～0.10m m碳環(huán)密封的密封面是碳環(huán)內(nèi)環(huán)面和側(cè)面，密封間隙的大小直接影響煤氣泄漏量，在適當(dāng)減小密封間隙的同時(shí)要考慮碳環(huán)在腔體內(nèi)的游動(dòng)性，經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1，因此對(duì)碳環(huán)加工技術(shù)要求做了調(diào)整，碳環(huán)內(nèi)徑與軸套之間的間隙，碳環(huán)與腔體環(huán)形槽的軸向間隙均從原始設(shè)計(jì)值減小為0.03～0.05m m，調(diào)整后達(dá)到了預(yù)期效果。

5.2 碳環(huán)材質(zhì)與加工精度的改進(jìn)

經(jīng)過檢修跟蹤，發(fā)現(xiàn)原M 106 K石墨材質(zhì)的碳環(huán)密封，其硬度較高，脆性較大，易傷軸，壽命短，于是與供應(yīng)商探討重新選擇了M 245 K石墨材質(zhì)，該材質(zhì)石墨優(yōu)質(zhì)，既有良好的自潤(rùn)滑性，又有很好的韌性和耐磨性，將其作為加工碳環(huán)的原材料，延長(zhǎng)了碳環(huán)的使用壽命，減少了對(duì)主軸的傷害。另外，通過運(yùn)行實(shí)踐找到碳環(huán)易損需經(jīng)常更換的另一主要原因,就是碳環(huán)加工精度必須保證，而且最后必須對(duì)碳環(huán)側(cè)面整體進(jìn)行研磨，它是保證碳環(huán)形位公差的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5.3 檢修工藝的改進(jìn)

對(duì)腔體環(huán)槽檢修原來用砂紙改用煤油浸泡，酒精棉球清理的方法，保證了腔體加工精度不受影響。另外，腔體與機(jī)殼連接，采用了定位銷定位，解決了安裝精度問題。

6效果

經(jīng)改進(jìn)后，透平膨脹機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，從振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出機(jī)組各部位振動(dòng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)煤氣泄漏量為零，運(yùn)行成本大幅度下降。

（1）在一個(gè)檢修周期內(nèi)，煤氣泄漏達(dá)到零泄漏。

（2）氮?dú)庀牧坑?60m3/h降到60m3/h，年降低成本43萬元。

（3）延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期，由原來3個(gè)月延長(zhǎng)到6個(gè)月，降低了檢修成本。

7 結(jié)束語

通過對(duì)碳環(huán)密封存在問題的改進(jìn)，消除了設(shè)備泄漏煤氣的隱患，同時(shí)降低了運(yùn)行成本，提高了發(fā)電量，又保證了高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。