汽輪機汽封的節(jié)能改造

陳洪敏

（泰州梅蘭熱電有限公司，泰州 225300）

汽輪機汽封的節(jié)能改造

陳洪敏

（泰州梅蘭熱電有限公司，泰州 225300）

針對汽輪機前汽封漏氣嚴重，影響機組安全經(jīng)濟運行的情況，將汽輪機原有的梳齒汽封改為刷式汽封和蜂窩汽封。改造后機組氣耗率下降3.26%，汽封漏氣現(xiàn)象得到改善，有效提高了機組真空嚴密性，減少了機組運行中油中帶水的現(xiàn)象，實現(xiàn)了節(jié)能的效果。

汽輪機；刷式汽封；蜂窩汽封；節(jié)能

影響汽輪機效率的因素很多，其中汽輪機通流部分動、靜葉汽封和前、后軸封漏氣是導(dǎo)致汽輪機效率降低的重要原因之一，為減小汽封漏氣的影響，汽輪機設(shè)計者十分重視汽封的設(shè)計。汽輪機最常用的汽封為梳齒式結(jié)構(gòu)。近年來，國外多種新型汽封被引進，較典型的如蜂窩汽封、刷式汽封、可調(diào)式汽封、接觸式汽封、側(cè)齒汽封等。盡管這些汽封結(jié)構(gòu)型號不同，但設(shè)計的指導(dǎo)思想基本都是通過增加齒數(shù)、減小間隙、增加阻力來提高密封效果，減小漏氣所造成的損失[1]。泰州梅蘭熱電有限公司第二熱電廠（以下簡稱二熱電）的二臺汽輪機均為武漢汽輪發(fā)電機廠生產(chǎn)的型號為CC25-8.83/2.45/0.98的高壓可調(diào)雙抽凝汽式機組。該機組采用的是傳統(tǒng)的梳齒汽封，二臺機組投產(chǎn)運行一段時間后都出現(xiàn)了機組高壓端軸封漏氣量大的現(xiàn)象，因此決定對汽輪機汽封進行改造，以達到減少軸封漏氣、節(jié)能降耗的目的。

1 汽封改造前運行狀況

二臺CC25-8.83/2.45/0.98汽輪機汽封原來采用的是最常見的迷宮式梳齒密封。齒形軸封由許多依次排列并固定在汽封塊上的金屬片組成，其高低齒與軸（或軸套）上的凸肩相錯對應(yīng)，并在兩者之間保持一較小的徑向環(huán)形齒隙，每兩個齒間形成一個環(huán)形汽室[2]。一定壓力的空氣（蒸汽），在這些汽室中逐級降低壓力，阻止空氣漏入汽缸內(nèi)。它結(jié)構(gòu)簡單，成本低，有一定的控制泄漏的能力。但這種設(shè)計考慮到在汽輪機啟動時，汽缸與轉(zhuǎn)子存在差脹，尤其是達到臨界轉(zhuǎn)速時震動較大，為防止汽封齒與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦，因此間隙設(shè)計較大。當(dāng)機組正常運行時，由于汽缸與轉(zhuǎn)子的差脹逐漸減小，轉(zhuǎn)子與汽封之間徑向間隙相對增大，使得蒸汽泄漏量大，蒸汽的有用功減少，降低了機組的熱效率，影響機組的經(jīng)濟性。漏氣嚴重時會造成電廠回?zé)嵩O(shè)備如低壓加熱器、除氧器等設(shè)備運行中溫度過高，存在著很大的安全隱患。由于機組高壓端軸封漏氣量大，部分蒸汽通過前軸承箱油擋侵入前軸承箱，從而造成機組透平油中帶水現(xiàn)象嚴重，為防止油質(zhì)乳化，濾油機需長時間連續(xù)運行，機組運行環(huán)境惡劣，直接影響機組運行的安全性。針對此種運行質(zhì)態(tài)，我們曾對機組前軸端加裝壓縮空氣管進行降溫分流，此法雖降低了因汽封漏氣溫度過高引起火災(zāi)的可能性，但軸封漏出的蒸汽量并未減少，機組運行的汽耗率也未下降，油中帶水現(xiàn)象未能根本解決。

2 刷式汽封和蜂窩汽封技術(shù)特點簡介

2.1 刷式汽封技術(shù)特點

刷式汽封是近二十年迅速發(fā)展的航空發(fā)動機最新密封裝置。被使用在空客A320、A380，美國的F16、F15、F22以及中國J10等戰(zhàn)斗機中，還逐步推廣到民用燃氣發(fā)動機、汽輪機及小透平機上，目前在中國也正處于起步應(yīng)用階段，當(dāng)前在國內(nèi)300 MW以下容量的汽輪機中有非常好的實際應(yīng)用業(yè)績[3]。刷式汽封是傳統(tǒng)梳齒汽封的最簡單、實用、可行的替代品，是大型轉(zhuǎn)子機械設(shè)備動密封的發(fā)展趨勢，具有以下性能：

1)柔性密封。刷式汽封是一種柔性密封，能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間徑向變形或偏心運動，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙，同時由于增加了轉(zhuǎn)子振動阻力，有利于改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性（見圖1）。刷式汽封的刷環(huán)是由緊密排列的特種細金屬絲組成的，每根鋼絲就是一端為支點的梁，有極好的彈性，它們和轉(zhuǎn)子相碰磨時，刷子可以彈性退讓，不易被磨掉,保證了機組在小間隙甚至零間隙下的安全運行，即便機組過臨界轉(zhuǎn)速和變工況時，刷絲會跟隨軸退讓自己卻不會磨損，待機組穩(wěn)定之后，又恢復(fù)良好的密封性能；而傳統(tǒng)剛性汽封（包括蜂窩汽封）齒只要和轉(zhuǎn)子碰擦就會很快磨掉，形成永久性的泄漏通道，增大了泄漏量。試驗證明，刷式汽封的漏氣量是梳齒式汽封的10%～20%。

2)非常好的自密封性。刷式汽封刷子刷絲間空隙的不均勻性作用使均勻的氣流進入刷絲束中就變得不均勻了，并且從緊密的刷絲束區(qū)域向疏松的刷絲束區(qū)域偏流，這些偏流在刷絲排之間逐漸形成同向流和射流，并產(chǎn)生隨機的二次流和漩渦流。而當(dāng)一射流遇到前面緊密的刷絲束時，就會改變運動方向而變成和主流方向垂直的橫向流動，即橫向流。正由于刷絲束破壞流動且確保流動的不均勻，使流體產(chǎn)生了自密封效應(yīng)，橫向流動代替向前流動顯然是對流體自密封的重要貢獻，它能使橫流流過刷子的總壓降增大從而減少密封的泄漏。概括地說，無論是在環(huán)形的刷子中還是在線性的刷子中，其流動都存在4種基本形式，即同向流、射流、漩渦流和橫向流。如圖2所示，當(dāng)氣流通過刷絲有一定間隙的區(qū)域時一般就變成同向流或射流，而遇到刷絲周圍沒有間隙而軸向（橫向）有間隙的區(qū)域就變成橫向流，當(dāng)同相流、射流或橫向流進入一較大的空隙區(qū)域就有可能產(chǎn)生漩渦流。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，能很好地起到節(jié)流的作用，消耗氣流的能量，產(chǎn)生降壓作用。

3)零間隙密封。減少間隙一直是密封技術(shù)最高的追求。減少間隙就意味著減少泄漏。迷宮式、蜂窩式及刷絲式等類型汽封都是為了減少間隙。刷式汽封也是一樣，其安裝甚至可以達到零間隙，這是以往所有的動密封所不能夠做到的。正是由于刷式汽封間隙很小，一些業(yè)內(nèi)權(quán)威資料表明：刷式密封的泄漏量僅為同軸徑梳齒密封的1/5～1/10。

4)遲滯性。刷式汽封還有另一個技術(shù)特點：流體作用的壓差越大，刷絲越緊密，泄漏量就越小，當(dāng)壓差再減少時，由于刷絲之間的摩擦阻尼作用，使泄漏隨壓差減少的變化滯后，從而使泄漏低于同壓差增加時的泄漏值。刷式密封在泄漏試驗中的“遲滯”現(xiàn)象充分說明了其作為全新一代汽輪機密封結(jié)構(gòu)形式的先進性和優(yōu)越性。

2.2 蜂窩汽封技術(shù)特點

蜂窩汽封是一項成熟的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于飛機、航船的發(fā)動機以及汽輪機、燃氣輪機、壓縮機中，蜂窩汽封的使用壽命是普通梳齒汽封的兩倍以上，具有減少泄漏、提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性、提高效率等多重優(yōu)越性能。汽輪機蜂窩式汽封由鎳基耐高溫合金蜂窩帶與環(huán)體組成，安裝在靜止部套上(汽封體)。蜂窩式汽封的結(jié)構(gòu)見圖3。蜂窩式汽封的技術(shù)特點為：

1)可磨性好。蜂窩汽封中正六邊形的蜂窩孔由厚度僅為0.05～0.10 mm的鎳基耐高溫合金經(jīng)特殊加工手段制成蜂窩帶而形成，蜂窩帶的材質(zhì)柔軟，具有可磨性，故徑向間隙可以控制得比梳齒式迷宮汽封要小。破壞性耐磨試驗結(jié)果表明，蜂窩式汽封對軸的摩擦損傷程度僅為鐵素體梳齒式汽封的l/6，即使發(fā)生動靜摩擦，也不會傷及軸頸。

圖1 刷式汽封結(jié)構(gòu)示意圖

2)高效密封。在同樣的徑向間隙值下，蜂窩式密封的漏氣流量比梳齒式少50%～70%，可從根本上解決軸端漏氣嚴重導(dǎo)致油中進水所引起的透平油乳化問題，從結(jié)構(gòu)上解決了低壓缸軸端密封因脹差引起的低齒掉臺、高齒倒伏的問題，對確保凝汽器的真空度，提高機組效率有重要意義。

3)雙向阻尼。在梳齒迷宮汽封中，氣流周向旋轉(zhuǎn)運動是引發(fā)機組軸系自激振動的主要原因，而蜂窩汽封的軸向網(wǎng)格可有效阻止這股氣流的流動。軸及葉輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動汽體切向運動，而汽封兩側(cè)的壓差會使汽體沿軸向運動。氣體在通過蜂窩表面時會遇到切向及軸向兩個方向的阻力。有效阻止了工質(zhì)在周向的運動，可使軸系自激振動減至最小，確保轉(zhuǎn)子的運行穩(wěn)定性。氣流在進入各個蜂窩網(wǎng)格時，增大了氣流與汽封圈的熱交換面積，使氣流的動能大為減弱。同時，由于氣流會形成漩渦，將氣流向前的速度矢量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)矢量，從而進一步減少向前的動能。因此，在同等軸向長度的密封范圍內(nèi)，蜂窩汽封泄漏量自然最小。

4)除濕效果明顯。低壓缸葉頂汽封采用蜂窩式汽封，利用蜂窩的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)把甩到蜂窩上的水珠吸納住，通過蜂窩背板上的疏水槽將收集的水排走，降低了蒸汽濕度，有效地保護低壓缸末幾級動葉片免受水力沖蝕，有利于動葉片的長期安全運行[4]。

圖3 蜂窩式汽封結(jié)構(gòu)圖

3 汽封改造方案

針對二熱電二臺CC25-8.83/2.45/0.98汽輪機的結(jié)構(gòu)特點和運行中存在的問題，運用刷式汽封和蜂窩汽封聯(lián)合改造方案，充分發(fā)揮刷式汽封和蜂窩汽封優(yōu)點，做到既解決問題，又降低成本。二熱電2#機組汽封的改造數(shù)量為：蜂窩汽封12圈和刷式汽封8圈。應(yīng)用的具體位置：前汽封（刷式汽封和蜂窩汽封各5圈，其余保留原來的梳齒汽封）、隔板汽封（5圈蜂窩汽封和1圈刷式汽封，其余4圈保留原來的梳齒汽封）、后汽封（后軸封共4圈，全部改造，刷式汽封和蜂窩汽封各2圈）。汽封改造示意圖見圖4、圖5、圖6。高壓軸封：因該處溫度和壓力大，機組泄漏嚴重，是機組改造的重點，圖4中空著的位置表示保留原來的梳齒汽封。低壓后軸封：后軸封共4圈，里面2圈汽封能有效減少軸封供氣，提高機組真空度和真空嚴密性；后面2圈汽封是防止空氣進入凝汽器和軸封供汽外漏，見圖5。隔板汽封：本機組隔板共有17個壓力級，隔板汽封較多；為了減少成本，降低改造費用，僅就一些對機組效率提高作用較大的地方做了改造，這幾處要么壓力降較高，要么就是抽氣點，對機組的性能影響較大，見圖6。由于1#汽輪機組的汽封漏氣比2#嚴重，改造工作則根據(jù)當(dāng)時的機組運行狀況，結(jié)合2#機組改造中的經(jīng)驗，將需要更換的1#機組原有梳齒汽封部分更換成為刷式汽封，從而有效地減少汽封漏氣，改善機組運行中油中帶水的狀況，保證機組運行的經(jīng)濟性和安全性，確保改造后的1#機組節(jié)能效果。二熱電1#機組汽封的改造數(shù)量為刷式汽封25圈。應(yīng)用位置為前汽封（7圈汽封改成刷式汽封，其余保留原來的梳齒汽封）、隔板汽封（15圈汽封改成刷式汽封，其余保留原來的梳齒汽封）、后汽封（3圈汽封改成刷式汽封，還有一圈保留原來的梳齒汽封）。

圖4 二號機前汽封改造方案

圖5 二號機后汽封改造方案

圖6 二號機隔板汽封改造方案

4 汽封改造后運行狀況

二熱電于2009年1月16日至2009年2月10日完成了2#汽輪機組汽封的改造工作，2010年2月18日至2010年3月26日完成了1#汽輪機組汽封的改造工作。對改造前后機組的汽耗進行了測試和對比。測試數(shù)據(jù)見表1、表2。從表1試驗數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果匯總表中可看出，機組經(jīng)過汽封節(jié)能改造后，運行經(jīng)濟性得到了明顯提高：①改造后機組熱耗率比改造前降低了230.349 6 kJ/kW·h，下降了2.66%。③改造后機組汽耗率比改造前降低了0.070 1 kg/kW·h，下降了1.802%。經(jīng)計算1#汽輪機機組改造前的熱耗率8 736．206 2 kJ/kW·h，氣耗率3.867 kg/kW·h；改造后的熱耗率8 443.750 8 kJ/kW·h，汽耗率3.746 kg/kW·h。從表2試驗數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果可看出，1#機組經(jīng)過汽封節(jié)能改造，其運行經(jīng)濟性得到了明顯提高：①改造后機組熱耗率比改造前降低了292.455 4 kJ/kW·h，下降了3.34%；②改造后機組汽耗率比改造前降低0.126 kg/kW·h，下降了3.26%，達到了降低汽耗率≥2%的改造目標(biāo)。

表1 2#汽輪機汽封改造試驗數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果匯總表

5 改造后的節(jié)能效果

二熱電1#、2#機組通過汽封改造后有效改善了機組運行中油中帶水的現(xiàn)象，對機組的運行環(huán)境有很大的改善，同時通過汽封改造，提高了機組的真空度和真空嚴密性。在同等工況運行情況下軸封供汽減少，機組中間隔板抽汽穩(wěn)定性也很好，由于蒸汽泄漏的減少和真空度提高，有效地提高了機組的效率，降低了機組的汽耗，按照二臺機組改造后所做的試驗結(jié)果，可計算出由于汽輪機汽封改造產(chǎn)生的節(jié)能效果。經(jīng)改造后1#機組汽耗下降了0.126 kg/kW·h，2#機組汽耗下降了0.070 1 kg/kW·h，機組年運行小時數(shù)按6 000 h計算，二熱電鍋爐原煤汽比為1∶6.6。二臺機組年節(jié)約原煤量為：（0.126+0.070 1）×25 000×6 000/6.6/1 000=4 456.82(t)；折標(biāo)煤量為：4 456.82×5 000/7 000=3 183.44(tce)。二臺機組經(jīng)汽封節(jié)能改造后年可節(jié)約3 183.44噸標(biāo)煤，節(jié)能效果顯著。按原煤價600元/噸計算，二臺機組汽封改造后年可節(jié)省燃料成本267.41萬元。1#、2#汽輪機組汽封改造費用總計為79.8萬元，4個月內(nèi)就能收回全部投資成本。

表2 1#汽輪機機組改造前后（試驗條件：機組純凝工況運行，高加切出運行）

[1]魏琳健，李春清．汽輪機密封技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J]．熱能動力工程，2005，20(5)：455-459.

[2]翦天聰．汽輪機原理[M].武漢：水利電力出版社，1992：6.

[3]朱梅芳．半山發(fā)電有限公司4號汽輪機大修前后熱力試驗報告[R]．半山發(fā)電有限公司，2008：7.

[4]潘煒．淺析蜂窩式汽封結(jié)構(gòu)特點和密封機理[J]．應(yīng)用能源技術(shù)，2011(3)：40-41.

（責(zé)任編輯：王曉燕）

Transformation of Steam Seals of Steam Turbine

CHEN Hong-min
（Taizhou Meilan Heating and Power Co.，Ltd，Taizhou 225300，China）

In consideration of the severe steam leakage due to the front steam seals which has affected seriously the safe and economic operation of turbine unit,the existing comb-tooth steam seals were transformed into brush seals and cellular seals.After the transformation,the steam leakage has been solved and the rate of steam consumption has decreased by 3.26%，which has effectively improved the vacuum tightness of the turbine units, reduced the water in oil during the operation,and achieved the target of energy saving.

steam turbine；brush steam seal；cellular steam seal；energy saving

TK413

A

1671-6191（2014）04-0014-04

2014-08-31

陳洪敏（1966-），女，江蘇泰州人，泰州梅蘭熱電有限公司工程師，研究方向為熱電。