湘鋼2#高爐TRT軸端密封失效問(wèn)題的研究與實(shí)踐

謝宏星，譚援強(qiáng)

（1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.湖南華菱集團(tuán)湘潭鋼鐵有限公司動(dòng)力廠，湖南湘潭 411101）

湘鋼2#高爐TRT軸端密封失效問(wèn)題的研究與實(shí)踐

謝宏星1.2，譚援強(qiáng)1

（1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.湖南華菱集團(tuán)湘潭鋼鐵有限公司動(dòng)力廠，湖南湘潭 411101）

以湘鋼2#TRT軸端密封功能失效的問(wèn)題展開(kāi)研究。運(yùn)用目前國(guó)際上通行的透平機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)研究的數(shù)值模擬辦法，建立三維迷宮密封與蜂窩密封結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，使用商業(yè)CFD計(jì)算軟件FLUENT對(duì)迷宮密封和蜂窩密封的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析工作介質(zhì)在蜂窩密封中的流動(dòng)本質(zhì)。通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合改造工程實(shí)踐，從理論和實(shí)踐兩方面驗(yàn)證了TRT軸端密封結(jié)構(gòu)改造后的良好效果。

透平機(jī)械；密封；能量耗散;密封失效

1 湘鋼原2#TRT軸端密封效果

湘鋼2#高爐TRT是2010年投入運(yùn)行的干式除塵TRT機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為MPG19.2-295.6/180，它的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)高爐容積：2580 m3。

(2)高爐爐頂煤氣發(fā)生量：最大值為530000 m3/ h，正常情況下為：435000 m3/h。

(3)TRT入口煤氣壓力：設(shè)計(jì)點(diǎn)295.6 kPa。

(4)TRT入口煤氣溫度：180°C。

(5)TRT入口煤氣含塵量：小于10 mg/m3。

(6)TRT出口煤氣壓力：11 kPa。

(7)TRT入口煤氣體積成分（%）：CO為24%～26%、CO2為15%～21%、N2為56%～59%、H2為1%～2%、O2為0.8%。

(8)TRT密封N2壓力為：0.4～0.5 MPa。

該TRT軸端密封形式是拉別令密封+碳環(huán)密封+氮?dú)饷芊饨M合式密封。

該臺(tái)TRT投產(chǎn)不到半年，軸端密封就開(kāi)始失效，密封N2用量增加，CO含量檢測(cè)值大大超過(guò)24 ppm?，F(xiàn)在密封N2用量達(dá)600 m3/h以上（設(shè)計(jì)值為80 m3/h），CO含量達(dá)60 ppm?，F(xiàn)場(chǎng)已設(shè)置了警戒線，同時(shí)TRT兩軸端加裝了抽風(fēng)機(jī)將泄漏的煤氣抽出排到廠房外，即使如此，TRT現(xiàn)場(chǎng)軸端原CO檢測(cè)點(diǎn)CO含量仍高達(dá)50～60 ppm，嚴(yán)重超出國(guó)家工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)管理規(guī)定（國(guó)家規(guī)定值是小于24 ppm）。TRT生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為保證安全，在TRT兩軸端臨時(shí)設(shè)置了抽風(fēng)機(jī)，又設(shè)置了吹風(fēng)機(jī)。

密封N2也是能源介質(zhì)，按0.28元/m3計(jì)算，一年多消耗N2達(dá)（600-80）×0.28×24×365=1275456元，約120多萬(wàn)元。

2 TRT密封失效原因分析

湘鋼2#高爐TRT軸端密封形式見(jiàn)圖1，其采用的方式是：內(nèi)部為迷宮氣封（J形齒密封及梳齒密封的一種），外部為碳環(huán)密封。即采用拉別令密封+碳環(huán)密封+N2封堵技術(shù)。拉別令密封是labyrinth seal音譯，就是通稱(chēng)的迷宮密封或梳齒密封。

圖1 湘鋼2#高爐TRT軸端密封型式示意圖

2.1 拉別令密封

拉別令密封，是最原始的靠節(jié)流膨脹方式的密封結(jié)構(gòu)，雖然它具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有著不可克服的缺點(diǎn)：

（1)密封性差

由于當(dāng)量齒數(shù)少，使得節(jié)流與膨脹次數(shù)少，產(chǎn)生嚴(yán)重的泄漏。

（2）齒易磨損密封失效

當(dāng)機(jī)組處于過(guò)臨界轉(zhuǎn)速或產(chǎn)生非正常振動(dòng)時(shí)，由于振幅過(guò)大，使得密封齒容易碰撞。如圖2、圖3所示。另外，轉(zhuǎn)子上鑲齒、更換齒較繁瑣，而且更換后必須重新做動(dòng)平衡，此過(guò)程嚴(yán)重影響了TRT作業(yè)率，一臺(tái)TRT一天純利潤(rùn)15萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

（3）易引起氣流激振

拉別令密封存在環(huán)形腔室于“J”形齒間，腔室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流；轉(zhuǎn)子橢圓形運(yùn)行軌跡各處受到的旋轉(zhuǎn)氣流的切向力差別較大，從而引起氣流的激振以及機(jī)組的振動(dòng)。

圖2 磨損的拉別令密封齒

圖3 磨損的拉別令密封齒

2.2 碳環(huán)密封

原碳環(huán)密封的安裝要求較為嚴(yán)格，容易發(fā)生拉簧卡在碳環(huán)槽內(nèi)或碳環(huán)碎裂的狀況，從而導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)以及密封的失效。如圖4、圖5所示為揭缸后發(fā)現(xiàn)碎裂的碳環(huán)。

圖4 原使用后碳環(huán)密封圖

圖5 碎裂的碳環(huán)

由于碳環(huán)后面具有拉簧，碳環(huán)與轉(zhuǎn)子始終保持零接觸，對(duì)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生作用力。在此力的作用下，使得轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生渦動(dòng)，對(duì)機(jī)組的起動(dòng)及安全運(yùn)行有潛在的威脅。另一方面TRT運(yùn)行中，碳環(huán)密封始終與轉(zhuǎn)子軸套摩擦，運(yùn)行一年后，大多轉(zhuǎn)子軸套有很深溝痕，軸套外表面雖作耐磨處理也不頂事。若不更換軸套就影響密封效果，若更換軸套，檢修工期長(zhǎng)，更換且不方便，排氣端轉(zhuǎn)子軸套更換時(shí)要拔對(duì)輪、拔盤(pán)車(chē)齒輪；更換了轉(zhuǎn)子軸套后還要做動(dòng)平衡。這個(gè)檢修過(guò)程加上路途運(yùn)輸，至少20天，發(fā)電效益直接損失高達(dá)400多萬(wàn)元。

2.3 N2密封組合軸封技術(shù)

密封N2系統(tǒng)，位于迷宮密封和碳環(huán)密封中間的強(qiáng)制性密封。由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)和氣體的粘性，密封處轉(zhuǎn)子的表面有強(qiáng)旋氣流，該處壓力實(shí)際上大于介質(zhì)壓力并呈紊流狀態(tài)。在局部仍有大于密封氣壓的煤氣和氮?dú)饣旌蠚庑孤┯谕?。此種密封方式在TRT運(yùn)行半年后N2用量達(dá)300 m3/h以上，有的機(jī)組高達(dá)500 m3/h。

3 TRT新型軸端密封技術(shù)的理論研究

透平機(jī)械密封技術(shù)近百年來(lái)，先后產(chǎn)生了梳齒密封、布萊登密封、刷式密封、蜂窩密封等技術(shù)。上世紀(jì)90年代初，美國(guó)航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成功采用了蜂窩密封技術(shù)；我國(guó)2004年開(kāi)始已成功將蜂窩密封技術(shù)應(yīng)用在電站汽輪機(jī)上。

蜂窩密封就是密封環(huán)的內(nèi)表面由蜂窩孔（正六面體）形狀的規(guī)則排列的蜂窩帶組成，見(jiàn)圖6所示，材料為海斯特鎳基耐高溫抗腐蝕合金薄板。

圖6 蜂窩芯格

湘鋼2#TRT的拉別令密封能否用蜂窩密封替換？選用什么規(guī)格的蜂窩芯格會(huì)更好？這些問(wèn)題需要用數(shù)值模擬辦法去找答案。我們運(yùn)用目前國(guó)際上通行的透平機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)研究的數(shù)值模擬辦法，以湘鋼2#TRT軸端密封結(jié)構(gòu)為背景，建立三維迷宮密封與蜂窩密封結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，使用商業(yè)CFD計(jì)算軟件FLUENT對(duì)迷宮密封和蜂窩密封的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析工質(zhì)在蜂窩密封中的流動(dòng)本質(zhì)，為T(mén)RT新型軸端密封改造提供理論依據(jù)。

3.1 迷宮密封與蜂窩密封的數(shù)值模擬對(duì)比分析

3.1.1 幾何模型

運(yùn)用Solidworks軟件建立迷宮密封和蜂窩密封模型，導(dǎo)入FLUENT前處理軟件GAMBIT，如圖7、圖8所示。針對(duì)密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到密封結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)體，故在建立三維物理模型時(shí)，在迷宮密封和蜂窩密封旋轉(zhuǎn)周向選擇最小單元體作為計(jì)算模型，即采用計(jì)算一段弧段的方法，弧段的兩個(gè)斷面設(shè)置為周期性邊界。

圖7 迷宮密封模型

圖8 蜂窩密封模型

如圖7、圖8所示為建立的迷宮密封和蜂窩密封的計(jì)算模型。蜂窩密封芯格尺寸對(duì)邊為3.2 mm，蜂窩深度3.2 mm，蜂窩個(gè)數(shù)8個(gè)，密封間隙0.3 mm，迷宮密封兩臺(tái)階高度分別為2.9 mm和5.1 mm，長(zhǎng)度與迷宮密封相同，齒數(shù)4，密封間隙0.3 mm。流動(dòng)介質(zhì)為空氣，進(jìn)口壓力為0.2956 MPa，進(jìn)口溫度為180℃，轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

3.1.2 網(wǎng)格生成

由于密封結(jié)構(gòu)腔內(nèi)部具有強(qiáng)烈的旋渦，需要在數(shù)值計(jì)算時(shí)運(yùn)用湍流模型，并且劃分網(wǎng)格時(shí)采用密封間隙處網(wǎng)格加密。用GAMBIT軟件讀入.IGES格式的模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖9、圖10。

圖9 迷宮密封網(wǎng)格劃分

圖10 蜂窩密封網(wǎng)格劃分

3.1.3 兩種密封的流場(chǎng)對(duì)比（見(jiàn)圖11）

通過(guò)三維數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：在相同的邊界條件下，蜂窩密封大大優(yōu)于迷宮密封。蜂窩密封擁有正六邊形的獨(dú)特結(jié)構(gòu)且壁厚較薄，使其具有較好的熱力學(xué)耗散、漩渦、節(jié)流等效應(yīng)，使得泄露流動(dòng)被分成若干小漩渦，密封腔內(nèi)流體壓力下降迅速，且泄露流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，增大了能量耗散效應(yīng)，減少了泄露量，從而具有更好的密封特性。

圖11 兩種密封的流場(chǎng)對(duì)比

4 湘鋼2#TRT軸端密封改造實(shí)踐

湘鋼2#TRT新型軸端密封改造工作由成都愛(ài)迪電力設(shè)備有限公司負(fù)責(zé)實(shí)施，見(jiàn)圖12。

圖12 湘鋼2#TRT實(shí)例改造相片

改造的方法：TRT原轉(zhuǎn)子上不做任何改動(dòng)，密封N2系統(tǒng)不變；只將原碳環(huán)密封變?yōu)闅饽っ芊夥绞?，拉別令密封變?yōu)榉涓C密封。

TRT軸端密封結(jié)構(gòu)形式改造后帶來(lái)的效益如下：

(1)密封效果好，并能長(zhǎng)久保持，設(shè)計(jì)使用壽命3年。CO檢測(cè)儀檢測(cè)到CO含量在10 ppm以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)管理規(guī)定24 ppm。

(2)密封N2用量80 m3/h，一年節(jié)約N2費(fèi)用120萬(wàn)元左右。

(3)TRT轉(zhuǎn)子開(kāi)停機(jī)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)平穩(wěn)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(4)新型密封結(jié)構(gòu)形式、選材合理，材質(zhì)質(zhì)地軟，即使發(fā)生磨碰，也不會(huì)使轉(zhuǎn)子表面遭受磨損，密封環(huán)自身也能退讓?zhuān)渲鲃?dòng)安全性好，使用壽命長(zhǎng)。密封環(huán)安調(diào)時(shí)方便快捷。

(5)將高溫真空釬焊工藝用到蜂窩帶與氣封之間，這種工藝使蜂窩帶與氣封環(huán)之間的結(jié)合力很強(qiáng)，蜂窩帶永不脫落，這是密封性能長(zhǎng)久保持關(guān)鍵因素。

(6)檢修維護(hù)方便，轉(zhuǎn)子無(wú)需返廠鑲拉別令密封齒，做動(dòng)平衡等，大大縮短了檢修工期，提高TRT發(fā)電效益。

(7)氣膜密封裝置是非接觸式密封方式，在保證密封效果的前提下不僅延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)子軸端密封套及氣膜密封裝置的使用壽命，而且還消除了碳環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)力。

(8)TRT生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)CO含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)管理規(guī)定，不僅有利于崗位人員正常設(shè)備巡檢的需求，而且有益于崗位人員身心健康。

[1]王紹文,楊景玲等.冶金工業(yè)節(jié)能減排技術(shù)指南 [M].北京化學(xué)工業(yè)出版社.2009.

[2]巴鵬,李旭,任希文等.迷宮密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)泄漏量的影響[J].潤(rùn)滑與密封,2011,36(3):101-104.

[3]張春梅,張成義,馮永志等.基于FLUENT的某型燃?xì)廨啓C(jī)迷宮密封機(jī)理研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2012,54(2):115-116.

[4]何立東.蜂窩密封研究及其在現(xiàn)代葉輪機(jī)械中的應(yīng)用[J].通用機(jī)械,2003(4):19-51.

[5]李金波,何立東.蜂窩密封流場(chǎng)漩渦能量耗散的數(shù)值研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(32):67-71.

[6] Childs D W.Dynamic analysis of turbulent annular seals based on Hirs’lubrication equation[J].Journal of Lubrication Technology, 1983,105(3):429-436.

A Study on the Sealing Failure of TRT Shaft End on the No.2 Blast Furnace of Xiangtan Steel

XIE Hongxing1、2,TAN Yuanqiang1
(1.The Machinery and Engineering College of Xiangtan University, 2.the Power Plant of Valin Xiangtan Iron and Steel Co.,Ltd.,Xiangtan,Hunan 411101,China)

The sealing failure of the No.2 TRT shaft end was investigated.The flow nature of operation media in the honeycomb seal was analyzed in depth by using numerical simulation method worldly popular in studying internal flow field of turbine to establish 3D labyrinth seal and honeycomb seal and divide grid.CFD calculation software FLUENT was used to numerically simulate the internal flow field of labyrinth seal and honeycomb seal. The good result of the structural transformation of the TRT shaft end seal is demonstrated theoretically and practically through numerical simulation as well as the practical result of the transformation project.

turbine machinery;sealing;energy dissipation;sealing failure

TK229

B

1006-6764（2014）03-0043-04

2013-11-12

謝宏星（1981-），男，2004年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。