三十三萬(wàn)千瓦機(jī)組刷式汽封技術(shù)應(yīng)用研究

【摘 要】根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排要求，部分電廠為降低汽輪機(jī)組發(fā)電煤耗對(duì)機(jī)組汽封系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造的形式有，梳齒汽封重新調(diào)整間隙；蜂窩汽封改造；增加J型密封齒圈數(shù)改造；布來(lái)登汽封改造；刷式汽封改造等，改造結(jié)果有的達(dá)到了預(yù)期效果，也有的沒(méi)達(dá)到預(yù)期效果，還有因碰磨嚴(yán)重需進(jìn)行揭缸處理的。我廠三十三萬(wàn)千瓦機(jī)組節(jié)能改造選用刷式汽封，節(jié)能效果比較理想，機(jī)組經(jīng)過(guò)8小時(shí)的啟動(dòng)磨合后順利運(yùn)行，因汽封改造降低發(fā)電煤耗約5g/kwh左右。說(shuō)明在改造過(guò)程中從選擇刷式汽封類型到汽封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是正確合理的，這種分析方法也可對(duì)其它電廠同類型技術(shù)改造有一定借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】刷式汽封；技術(shù)；應(yīng)用

0.引言

達(dá)拉特發(fā)電廠330mw汽輪機(jī)是北京汽輪機(jī)廠與法國(guó)阿爾斯通公司合作生產(chǎn)的機(jī)組，型號(hào)：T2A-330-30-2F-1080。汽機(jī)高、中、低壓缸的工作效率設(shè)計(jì)值分別是84.65%、91.66%、86.13%。實(shí)際運(yùn)行中各缸的效率比設(shè)計(jì)值低2-3%，我廠機(jī)組汽封改后，高、中缸的效率達(dá)到84.864%、92.328%[1]、低壓缸效率達(dá)到85.89%[2]，比修前分別提高2.354%、1.797%、1.42%，高、中壓缸改造后煤耗降低了約3g/kwh。低壓缸改造后煤耗降低了約2g/kwh，以上計(jì)算的節(jié)煤量是按西安熱工研究院有限公司提供試驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[3]，數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組各缸效率變化1%對(duì)機(jī)組熱耗影響如下：高壓缸影響17.30kJ/（kW.h）；中壓缸影響20.02kJ/（kW.h）；低壓缸影響36.19kJ/（kW.h）。通過(guò)計(jì)算汽封改造使得機(jī)組發(fā)電煤耗低了5g/kwh左右。這種效果是比較理想的，說(shuō)明我們選用刷式汽封進(jìn)行提效改造是成功的，下面就改造過(guò)程中對(duì)汽封結(jié)構(gòu)選擇和工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.汽輪機(jī)通流間隙對(duì)汽缸效率的影響因素

現(xiàn)在通過(guò)檢修來(lái)提高汽輪機(jī)汽缸效率的方法主要是減小汽輪機(jī)通流部分的動(dòng)靜間隙，減小間隙就可減小間隙的漏汽量。

根據(jù)縫隙流量計(jì)算公式[4]，Qj=qj（ps-p）/η，qj=bjhj3/（12Lj）。Qj-縫隙流量；qj-流量因數(shù)；ps-汽封前壓力；p-汽封后壓力；η-流體粘度；bj-縫隙長(zhǎng)度；hj-縫隙高度；12Lj -縫隙厚度。

經(jīng)以上公式分析，我們減少汽輪機(jī)汽封漏汽量的主要方法就是減小汽封縫隙高度hj和增加縫隙厚度Lj，其中減小汽封縫隙高度hj效果更加顯著，但hj、Lj受設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的限制，不可能做到理想狀態(tài)。

2.汽輪機(jī)通流間隙的密封形式及特點(diǎn)

汽輪機(jī)通流間隙包括葉頂間隙和隔板間隙，一般間隙密封的方式有非接觸式剛性密封和柔性密封，剛性密封的結(jié)構(gòu)形式有梳齒汽封；蜂窩汽封； J型齒密封；布來(lái)登汽封等。柔性密封的形式主要是刷式汽封。剛性密封的梳齒汽封如圖一，柔性密封刷式汽封如圖二。刷式汽封是一種柔性密封，結(jié)構(gòu)由前面板、后面板和夾裝在兩者之間的高密度高溫合金細(xì)金屬刷絲構(gòu)成，刷絲沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向有一定的傾角，以便更好吸收轉(zhuǎn)子在徑向移動(dòng)的偏移量。

圖一 梳齒汽封結(jié)構(gòu)

圖二 刷式汽封結(jié)構(gòu)

剛性汽封要求在運(yùn)行中，如汽封齒與轉(zhuǎn)子碰磨，汽封齒必須很快磨損，而且不能產(chǎn)生過(guò)多的熱量，否則因兩個(gè)剛體碰磨嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，發(fā)生異常振動(dòng)現(xiàn)象、轉(zhuǎn)子永久變形等安全問(wèn)題。柔性刷式汽封能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間徑向變形和偏心運(yùn)動(dòng)，甚至在零間隙接觸的情況下也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙。

3.影響汽輪機(jī)通流間隙的因素

汽輪機(jī)作為大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，影響通流間隙的因素比較多，如轉(zhuǎn)子的加工誤差；轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的振動(dòng)和變形；轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的增幅振動(dòng)；轉(zhuǎn)子軸承油膜變化；轉(zhuǎn)子彎曲度變化；汽缸各滑銷間隙熱位移[5]；汽封間隙的調(diào)整誤差；大部件冷熱態(tài)變形等，以上原因綜合導(dǎo)致運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子中心與汽缸中心并不在同一條中心線上，根據(jù)我們檢修時(shí)測(cè)量運(yùn)行過(guò)后機(jī)組的通流間隙，間隙值基本都在制造廠家設(shè)計(jì)值的上限，即使安裝時(shí)我們把間隙值調(diào)整到下限，但運(yùn)行后間隙也要增加到上限值范圍，特殊情況時(shí)，間隙值還要更大，一般廠家在小直徑旋轉(zhuǎn)部件上的單邊間隙設(shè)計(jì)值為0.4-0.7mm，大直徑旋轉(zhuǎn)部件的單邊間隙設(shè)計(jì)值為0.9-1.15mm。

為保證機(jī)組安全運(yùn)行，剛性汽封不允許有嚴(yán)重碰磨，因此汽封齒的厚度不超0.5mm，汽封的間隙不小于下限值，實(shí)際運(yùn)行時(shí)汽封經(jīng)過(guò)磨損，間隙都已達(dá)到上限值。每次機(jī)組啟動(dòng)都會(huì)使汽封齒造成永久性磨損，而且密封間隙也成倍增加。也就是說(shuō)，我們精心調(diào)整好的汽封間隙很有可能在機(jī)組的第一次起動(dòng)時(shí)就被磨大了，對(duì)老機(jī)組而言，這種情況更明顯。因此僅僅通過(guò)更換傳統(tǒng)的剛性汽封并不能提高機(jī)組效率。

柔性刷式汽封允許刷毛與轉(zhuǎn)子接觸，刷毛有較好的彈性退讓，短時(shí)的摩擦不會(huì)損傷刷毛，也不會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生嚴(yán)重的熱彎曲變形，刷式汽封間隙的最大值可調(diào)整到0.2mm，因刷毛有彈性，安裝測(cè)量不需很精密，所以大部分刷毛與轉(zhuǎn)軸已有接觸。當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)到熱態(tài)，轉(zhuǎn)子移動(dòng)穩(wěn)定后，中心線發(fā)生了位移，刷毛會(huì)隨著轉(zhuǎn)軸偏移，因此汽封間隙也不會(huì)增加多少。刷毛厚度可做到1.0-1.5mm，摩擦?xí)r也不會(huì)產(chǎn)生較多熱量，運(yùn)行時(shí)有較好的密封性。

4.刷式汽封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為使刷封有較好的彈性退讓、耐磨性、密封性，刷式汽封設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有以下特點(diǎn)：

（1）刷絲采用直徑為0.05～0.07mm 的鈷基高溫金屬，刷絲角 45-60 度。保證刷毛具有低脆性、高韌性，運(yùn)行過(guò)程中不折斷，有較好的彈性退讓能力。

（2）下游環(huán)保護(hù)高度為1.0～1.5㎜，每根刷絲就是一端為支點(diǎn)的懸臂梁，有著極好的彈性，它們和轉(zhuǎn)子相碰磨時(shí)，刷子可以彈性退讓，不易被磨掉，保證了機(jī)組在小間隙 甚至零間隙下的安全運(yùn)行。下游環(huán)保護(hù)高度不宜過(guò)小，如過(guò)小，當(dāng)刷毛退到下游環(huán)與轉(zhuǎn)子之間時(shí)，易形成剛性接觸，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)。上游環(huán)高度不宜過(guò)高，以免過(guò)度夾緊刷毛影響刷毛退讓。

（3）刷絲厚度1.0-1.5mm，刷絲密集度 90～180根/㎜（在圓周方向），刷封間隙可做到零間隙，刷毛間隙和厚度可保證高性能的密封功能。刷絲厚度不宜過(guò)大，以防影響轉(zhuǎn)子密封凸臺(tái)的軸向位移，另外，刷絲厚度過(guò)大也會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，對(duì)轉(zhuǎn)子安全運(yùn)行不利。

5.刷式汽封的使用優(yōu)點(diǎn)

（1）柔性刷封比剛性汽封的安裝精度要求低，尤其運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)的機(jī)組，表面腐蝕、氧化嚴(yán)重，不宜控制尺寸精度，剛性汽封只能以放大間隙保證安全。而刷式汽封可以將間隙做的比較小，甚至是過(guò)盈接觸，工作難度低，適合現(xiàn)場(chǎng)施工。在小間隙汽封改造中，刷式汽封更容易安全啟動(dòng)。

（2）刷式汽封效率高，刷封和轉(zhuǎn)子相碰磨時(shí)，刷毛可以彈性退讓，不易被磨掉，保證了機(jī)組在小間隙 甚至零間隙下運(yùn)行，可見刷式汽封比常規(guī)汽封具有較好的可持續(xù)密封性。 因此，刷式汽封可以更好的提高汽輪機(jī)的效率。

（3）刷式汽封泄漏量小，其結(jié)構(gòu)原理是密封使介質(zhì)泄漏發(fā)生在密集排列的細(xì)金屬絲之間形成的微小縫隙中，這些縫隙所形成的曲折路徑保證了流體不均勻流動(dòng)，使流體產(chǎn)生了自密封效應(yīng)，從而保證汽封有較少的泄漏量。

當(dāng)然，過(guò)度的接觸密封會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量。另外，普通單級(jí)刷式汽封的前后工作壓力不能過(guò)高，壓力過(guò)高會(huì)影響密封效果，一般低于0.5MPa。

6.刷式汽封改造方案

因原機(jī)組的隔板汽封是迷宮式梳齒汽封，改造工藝比較簡(jiǎn)單，所以我們只對(duì)隔板汽封進(jìn)行改造。原機(jī)組葉頂汽封是J型齒密封阻氣片式的，改造起來(lái)比較困難，因此只對(duì)其進(jìn)行間隙調(diào)整。

刷式汽封改造范圍：高壓缸隔板10級(jí)；中壓缸隔板11級(jí)；低壓缸前后隔板4級(jí)和低壓軸封汽封。每一級(jí)汽封只安裝一道刷式汽封，示意圖如下圖三。

圖三 刷式汽封改造示意圖

7.機(jī)組啟動(dòng)措施

因刷式汽封與轉(zhuǎn)軸有接觸部分，啟動(dòng)中會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子一定熱影響，轉(zhuǎn)子振動(dòng)值有升高現(xiàn)象，所以啟動(dòng)中需要進(jìn)行磨合運(yùn)轉(zhuǎn)。磨合轉(zhuǎn)速分臨界轉(zhuǎn)速以下和臨界轉(zhuǎn)速以上兩個(gè)階段，以振動(dòng)值不超機(jī)組規(guī)定值為易。根據(jù)我們啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，總磨合時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)。

8.結(jié)束語(yǔ)

我廠三十三萬(wàn)汽輪機(jī)組刷式汽封改造后，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)電煤耗降低了5g/kwh左右，每年可節(jié)約燃煤費(fèi)用250多萬(wàn)元，經(jīng)過(guò)1.2年時(shí)間就可收回投資。節(jié)約燃煤也可減少粉塵、SO2、NO化物的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)也起到積極作用。本次汽封改造后節(jié)能效果比較好，已達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)值。

刷式汽封的接觸部位可根據(jù)磨擦的受力做相應(yīng)的彈性退讓，不易被磨損，達(dá)到了既保持汽封的小間隙，又避免了磨擦振動(dòng)的發(fā)生，待機(jī)組穩(wěn)定之后，刷封在彈性的作用下又恢復(fù)其良好的密封性能。刷式汽封通過(guò)減少密封間隙起到密封汽流作用，達(dá)到了長(zhǎng)期節(jié)能的目的，也延長(zhǎng)刷式汽封的壽命，從而持久獲益。本次刷式汽封技術(shù)成功應(yīng)用，說(shuō)明這種技術(shù)適應(yīng)性比較廣，適合老舊機(jī)組節(jié)能改造，也增加了汽輪機(jī)節(jié)能改造的途徑。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬修光，韓建春，李燕平.達(dá)拉特發(fā)電廠#3汽輪機(jī)大修后熱力試驗(yàn)報(bào)告[S].呼和浩特：內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，2014：6-7.

[2]都明亮，趙金峰，趙明亮.達(dá)拉特發(fā)電廠綜合升級(jí)改造實(shí)施后3號(hào)機(jī)組性能測(cè)試暨實(shí)施效果報(bào)告[S].長(zhǎng)春：吉林省電力科學(xué)研究院有限公司，2014：24-26.

[3]王偉峰.達(dá)拉特發(fā)電廠7號(hào)汽輪機(jī)通流改造前性能試驗(yàn)[S].西安：西安熱工研究院有限公司，2014：3-4.

[4]徐灝，邱宣懷，蔡春源.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：40-56.

[5]席洪藻，王培基，劉恕義.汽輪機(jī)設(shè)備及運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社出版，1988：268-275.