試論電廠汽輪機(jī)汽封改造的可行性

夏曉林

摘 要：為提高汽輪機(jī)組運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)性，電廠準(zhǔn)備改造汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)。本文分析了機(jī)組現(xiàn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性能和運(yùn)行情況，根據(jù)當(dāng)前最新的汽封技術(shù)編制了適用于機(jī)組的汽封改造方案，并對(duì)改造后所能取得的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。結(jié)果表明汽封系統(tǒng)改造可以提高機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是具有改造價(jià)值的。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；汽封；改造；性能

1 引言

廣東紅海灣發(fā)電有限公司一期#1、#2機(jī)組為國產(chǎn)600MW超臨界壓力燃煤發(fā)電機(jī)組，三大主設(shè)備由東方電氣集團(tuán)公司屬下的東方鍋爐廠、東方汽輪機(jī)廠、東方電機(jī)股份有限公司制造，容量及參數(shù)相互匹配。其中汽輪機(jī)型號(hào)為N600-24.2/566/566，型式為超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、凝汽沖動(dòng)式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)軸封為傳統(tǒng)梳齒迷宮式汽封。現(xiàn)準(zhǔn)備對(duì)汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)進(jìn)行改造，在保證安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上以提高機(jī)組運(yùn)行效率。

傳統(tǒng)梳齒汽封在運(yùn)行過程中存在的問題：（1） 汽輪機(jī)起停過程中過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)大，如果汽封安裝間隙較小，汽封齒容易磨損。（2） 容易出現(xiàn)彈簧片彈性不良，造成汽封間隙過大，漏汽損失增加。（3） 由于軸封漏汽量較大，蒸汽對(duì)軸的加熱區(qū)段長度有所增加，并且溫度也有所升高，使脹差變大，軸上凸臺(tái)和汽封塊的高、低齒發(fā)生相對(duì)位移而倒伏，造成漏汽量增加，密封效果得不到保證。（4） 汽封齒與軸發(fā)生碰磨時(shí)，瞬間產(chǎn)生大量熱量，造成軸局部過熱，甚至可能導(dǎo)致大軸彎曲。（5） 梳齒汽封環(huán)形腔室的不均勻性，是產(chǎn)生汽流激振的重要原因，而汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的汽流激振一旦發(fā)生就很難解決，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 機(jī)組性能現(xiàn)狀分析

為了解影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的主要因素，收集相關(guān)數(shù)據(jù)以確定汽封改造方案廣東紅海灣發(fā)電有限公司前期對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了能耗診斷試驗(yàn)。

3 熱耗率

以試驗(yàn)3VWO工況與設(shè)計(jì)THA工況進(jìn)行對(duì)比分析，3VWO工況試驗(yàn)結(jié)果見表 1。計(jì)算結(jié)果中額定參數(shù)下的熱耗率，是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果僅進(jìn)行參數(shù)修正后的數(shù)據(jù)，反映了包括汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)汽輪機(jī)組的性能；而經(jīng)完整的系統(tǒng)修正、參數(shù)修正后（一、二類修正后）的熱耗率則表征了汽輪機(jī)本體的經(jīng)濟(jì)性。

3VWO工況下，經(jīng)一、二類修正后汽輪機(jī)熱耗率為8159.98kJ/kWh，比設(shè)計(jì)值7564.00kJ/kWh高595.98kJ/kWh；額定參數(shù)下熱耗率為8197.30 kJ/kWh，比設(shè)計(jì)值高633.3 kJ/kWh。

機(jī)組熱耗率與電功率關(guān)系曲線見圖 1。圖中設(shè)計(jì)值按照制造廠提供的熱平衡圖繪制。試驗(yàn)低負(fù)荷工況均為滑壓運(yùn)行，未進(jìn)行主蒸汽壓力修正。由圖可以看出，一二類修正后熱耗率較設(shè)計(jì)值平均高約550kJ/kWh，熱耗率隨負(fù)荷降低而升高，高負(fù)荷區(qū)域升高的幅度比設(shè)計(jì)值略高，低負(fù)荷區(qū)域升高的幅度比設(shè)計(jì)值略低。

對(duì)參數(shù)修正量的數(shù)據(jù)見表2，主要的參數(shù)修正源于凝汽器壓力，其中凝汽器壓力主要受循環(huán)水溫和凝汽器本身傳熱特性影響。

4 缸效率

汽輪機(jī)缸效率直接反映了通流部分的狀態(tài)，是反映級(jí)組性能的重要指標(biāo)。高、中壓缸效率的測量也較簡單而直接，低壓缸效率根據(jù)熱平衡計(jì)算得到，受熱力系統(tǒng)泄漏的影響較大。機(jī)組各缸效率見表 3。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可見：

1） 高壓缸效率

a） 由于高壓缸效率受閥位影響大，故對(duì)比高壓缸效率必須在相同閥位的條件下進(jìn)行，VWO工況完全排除了調(diào)門節(jié)流影響，是重點(diǎn)對(duì)比的工況；

b） VWO工況高壓缸效率為83.23%，比VWO設(shè)計(jì)值88.35%低5.12個(gè)百分點(diǎn)； 3VWO工況高壓缸效率為82.24%，比設(shè)計(jì)值86.73%低4.49個(gè)百分點(diǎn)；上述兩個(gè)閥點(diǎn)工況表征了高壓缸效率下降的幅度。

c） 圖 2給出高壓缸效率隨電功率的變化關(guān)系曲線，隨著電功率的降低，高壓缸效率也逐步降低，這主要受高壓缸調(diào)節(jié)閥閥位的影響；各工況高壓缸效率試驗(yàn)值均比設(shè)計(jì)值低4個(gè)百分點(diǎn)以上。

2） 中壓缸效率

a）試驗(yàn)計(jì)算名義中壓缸效率，3VWO和VWO工況下分別比設(shè)計(jì)值偏低0.55和0.87個(gè)百分點(diǎn)；3VWO工況中壓缸實(shí)際效率為90.51%，比設(shè)計(jì)值低2.41個(gè)百分點(diǎn)；

b） 圖 3 中壓缸效率曲線給出中壓缸效率隨電功率變化關(guān)系曲線，可以看出中壓缸效率基本不隨電功率的變化而變化。根據(jù)汽輪機(jī)通常的缸效率規(guī)律，若無設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，中壓缸效率達(dá)到設(shè)計(jì)值得可能性較大；

c） 可結(jié)合大修中的解體檢查，進(jìn)一步確認(rèn)中壓缸效率的實(shí)際情況，若無汽封間隙嚴(yán)重超標(biāo)，則對(duì)中壓缸汽封改造的效益宜保守估計(jì)。

3） 低壓缸效率

a） 低壓缸效率不能直接測量，而是根據(jù)熱平衡計(jì)算，試驗(yàn)中的所有誤差最終累計(jì)為低壓缸效率的計(jì)算誤差，因此試驗(yàn)測量的低壓缸效率只能作為決策的參考；

b） 試驗(yàn)計(jì)算低壓缸效率，3VWO和VWO工況下分別比設(shè)計(jì)值偏低14.02和12.69個(gè)百分點(diǎn)；修正到設(shè)計(jì)排汽容積流量后，3VWO和VWO工況下修正后低壓缸效率分別比設(shè)計(jì)值偏低14.02和12.69個(gè)百分點(diǎn)13.72和12.53個(gè)百分點(diǎn)；

c） 考慮熱力系統(tǒng)泄漏會(huì)造成低壓缸效率計(jì)算偏低，結(jié)合其它機(jī)組改造經(jīng)驗(yàn)分析，低壓缸效率的試驗(yàn)值大致反映低壓缸的實(shí)際情況。

4）同類型機(jī)組普遍存在缸效率偏低的情況，且通過通流汽封間隙的調(diào)整可有效地提高缸效率，進(jìn)而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

a）汽輪機(jī)通流部分的基本原理指出，越是壓力高的級(jí)組汽封漏汽量對(duì)級(jí)效率的影響越大，因此高壓缸的汽封治理尤為重要；

b）經(jīng)驗(yàn)表明，高壓缸效率的降低受調(diào)節(jié)級(jí)效率降低的影響較大，綜合影響因素多，通過汽封改造可提高缸效率，但達(dá)到設(shè)計(jì)效率難度較大；

c）低壓缸設(shè)計(jì)作功份額大，提高低壓缸效率對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響更明顯；

d）各汽缸均為沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，隔板差壓較大，隔板汽封的汽封間隙的影響影響較大。

5 軸封系統(tǒng)

THA工況下設(shè)計(jì)高、中壓缸間漏汽量為28.452t/h，漏汽率為2.02%。試驗(yàn)結(jié)果漏汽率為3.76%，比設(shè)計(jì)值大1.74個(gè)百分點(diǎn)，計(jì)算3VWO工況下漏汽量為58.249t/h。中壓缸實(shí)際效率3.76%，比設(shè)計(jì)值低0.79個(gè)百分點(diǎn)。

高、中壓缸之間軸封漏汽量試驗(yàn)的結(jié)果見表 4和圖 5。高、中壓合缸處的軸封漏汽量占再熱蒸汽流量的3.76%，比設(shè)計(jì)值（2.02%）偏大1.74個(gè)百分點(diǎn)。計(jì)算中壓缸實(shí)際效率比名義效率偏低1.86個(gè)百分點(diǎn)。

由于試驗(yàn)中BDV閥存在泄漏，實(shí)際由高壓缸漏出的流量應(yīng)大于此試驗(yàn)值。同時(shí)考慮到機(jī)組設(shè)計(jì)有中壓缸冷卻蒸汽，上述高壓缸漏出的流量應(yīng)包含軸封的漏汽量與中壓缸冷卻蒸汽流量。考慮以上兩個(gè)因素，試驗(yàn)結(jié)果不能認(rèn)為是通過軸封的實(shí)際漏汽量。

診斷試驗(yàn)過程中，軸封母管壓力維持在30kPa（表壓）左右，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在570MW負(fù)荷以下不能實(shí)現(xiàn)自密封。試驗(yàn)中其它軸封漏量未能測量，但可同過軸加溫升簡單定性判定。3VWO工況時(shí)，軸封溢流閥開度為5.85%，軸加溫升為0.51℃，比設(shè)計(jì)值0.6℃略低，表明軸端汽封漏汽量數(shù)量級(jí)基本與設(shè)計(jì)值。

6 改造部位的確定

（1）高壓缸部分：汽輪機(jī)通流部分的基本原理指出，越是壓力高的級(jí)組汽封漏汽量對(duì)級(jí)效率的影響越大，高壓缸的汽封治理尤為重要。鑒于1號(hào)機(jī)組高壓缸效率比較低，建議對(duì)高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)及第2-7壓力級(jí)隔板汽封及葉頂汽封進(jìn)行全面升級(jí)改造；或者根據(jù)揭缸后汽封檢查結(jié)果，進(jìn)行部分汽封升級(jí)改造和汽封間隙調(diào)整。

（2）中壓缸部分：性能試驗(yàn)結(jié)果表明：中壓缸運(yùn)行效率與設(shè)計(jì)值偏差較小?？紤]到1號(hào)機(jī)組中壓缸效率與設(shè)計(jì)值偏差較小，建議對(duì)中壓缸隔板進(jìn)行全面升級(jí)改造，對(duì)于動(dòng)葉葉頂汽封，可根據(jù)揭缸后汽封檢查情況，進(jìn)行汽封間隙調(diào)整或者部分汽封升級(jí)改造。

（3）低壓缸部分：低壓缸設(shè)計(jì)作功份額大，提高低壓缸效率對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響更明顯。性能試驗(yàn)結(jié)果表明：低壓缸效率顯著低于設(shè)計(jì)值，較設(shè)計(jì)值低13.89%。因此，建議采用新型先進(jìn)汽封對(duì)低壓缸隔板及動(dòng)葉葉頂汽封進(jìn)行升級(jí)改造。此處特別推薦在AB低壓缸正反5-7級(jí)（末三級(jí)）使用蜂窩汽封，以利用蜂窩汽封的除濕特點(diǎn)，減少濕蒸汽對(duì)動(dòng)葉的沖蝕。

（4）軸封部分：建議采用新型先進(jìn)汽封（如自調(diào)整汽封）對(duì)高中壓缸平衡盤汽封進(jìn)行升級(jí)改造。對(duì)于其他軸端汽封，從自密封系統(tǒng)的運(yùn)行以及軸封加熱器的運(yùn)行狀況推斷：機(jī)組軸端泄漏量處于良好的狀態(tài)，因此可根據(jù)揭缸后檢查情況，對(duì)其他軸端汽封進(jìn)行部分汽封升級(jí)改造或者汽封間隙調(diào)整。

7 預(yù)期效果

根據(jù)對(duì)汽輪機(jī)性能的分析，保守估計(jì)汽封改造后取得的效果見表 5。預(yù)計(jì)改造后可降低熱耗率77.7kJ/kWh左右，約相當(dāng)于降低煤耗率2.91g/kWh左右。

從長期效果看，新型式的汽封可在較長時(shí)期內(nèi)保持機(jī)組具有較高的經(jīng)濟(jì)性水平。在一個(gè)大修期內(nèi)，汽輪機(jī)性能下降的速度將大大減緩。

對(duì)于600MW機(jī)組，按發(fā)電煤耗率降低2.91g/kWh，年運(yùn)行5500小時(shí)，負(fù)荷率80.0%計(jì)算，年可節(jié)約標(biāo)煤約7664噸；按標(biāo)煤價(jià)格800元/噸計(jì)算，年節(jié)約燃煤成本約613.2萬元。

表 6給出了汽封改造方案的經(jīng)濟(jì)性收益預(yù)估。由表中可以看出，即便改造費(fèi)用達(dá)到700萬元，也可在1.1年（13個(gè)月）左右收回投資。

8 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)組汽輪機(jī)汽封改造方案在技術(shù)上是可行的，并且通過汽封改造可以有效改善機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行狀況，具有較好的經(jīng)濟(jì)收益。因此，可以通過汽封改造實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]廣東紅海灣發(fā)電有限公司600MW超臨界機(jī)組集控運(yùn)行規(guī)程.

[2]廣東紅海灣發(fā)電有限公司 1號(hào)機(jī)組節(jié)能診斷試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告.