刷式汽封在330MW機(jī)組上的應(yīng)用

張建雙

(華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 272400)

刷式汽封在330MW機(jī)組上的應(yīng)用

張建雙

(華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 272400)

分析了某發(fā)電廠1號(hào)汽輪機(jī)組自投產(chǎn)以來熱經(jīng)濟(jì)性不高的原因，提出了采用刷式汽封及蜂窩汽封代替原來梳齒汽封的改造方案，并對(duì)刷式汽封及蜂窩汽封的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。經(jīng)過技術(shù)改造提高了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，取得了良好的效果，為同類型機(jī)組的汽封改造提供了重要的參考依據(jù)。

汽輪機(jī)；刷式汽封；蜂窩汽封；梳齒汽封

0 設(shè)備概況

某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組采用N330-16.7-538/538型、亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、高中壓缸合缸、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。自2006年投產(chǎn)后，熱經(jīng)濟(jì)性不高，存在高中壓缸效率低的問題。

1 高中壓缸效率低的原因分析

1.1 修前試驗(yàn)結(jié)果分析

2013年，該發(fā)電廠在1號(hào)機(jī)組C+修前，對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行熱力性能測(cè)試，涉及5種工況，機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率為7 892.3 kJ/kWh，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知：在VWO工況下，額定參數(shù)下的機(jī)組熱耗率為8245.8 kJ/kWh，高出設(shè)計(jì)值353.5 kJ/kWh。計(jì)算5VWO工況下的2次試驗(yàn)平均值，高壓缸效率為82.24 %，比設(shè)計(jì)值84.61 % 低2.37 %；中壓缸效率平均值為88.83 %，比設(shè)計(jì)值92.03 %低3.20 %。在300 MW工況下，額定參數(shù)下的熱耗率8 268.7 kJ/kWh，額定參數(shù)下的機(jī)組電功率為308.25 MW，高壓缸效率為81.57 %，中壓缸效率為88.86 %。

表1 汽輪機(jī)組修前主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 檢修前高中壓缸漏汽量與中壓缸效率分析

檢修前，汽輪機(jī)高中壓缸漏氣量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 檢修前汽輪機(jī)高中壓缸漏汽量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組引進(jìn)330 MW機(jī)組，由于高中壓缸結(jié)構(gòu)是合缸，汽封漏汽進(jìn)入中壓缸，降低了中壓缸進(jìn)汽溫度及排汽溫度，使中壓缸級(jí)的蒸汽溫度和比焓值降低。由于中壓缸內(nèi)混合的蒸汽參數(shù)無法測(cè)定，因而將中主門前的進(jìn)汽參數(shù)作為初始參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所得中壓缸效率為中壓缸名義效率，比中壓缸實(shí)際效率偏高。

對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：機(jī)組高中壓缸間漏氣率為1.52 %，計(jì)算5VWO工況下的漏汽量為12.39 t/h；中壓缸實(shí)際效率為88.52 %，比設(shè)計(jì)值92.03 %低3.51 %，通過計(jì)算使熱耗值升高85.2 kJ/kWh，比5VWO工況下中壓缸平均名義效率89.05 %低0.43 %。

1.3 檢修前汽輪機(jī)各汽缸效率分析

檢修前，汽輪機(jī)缸效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 檢修前汽輪機(jī)缸效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：5VWO工況下的平均高壓缸效率為82.24 %，比設(shè)計(jì)值84.61 %低2.37 %，通過計(jì)算使熱耗率升高39.0 kJ/kWh；中壓缸名義效率88.83 %，VWO工況下的高壓缸效率為83.55 %，比設(shè)計(jì)VWO工況下的86.57 %低3.02 %。

1.4 汽缸效率低原因分析

通過數(shù)據(jù)分析可知，造成汽輪機(jī)缸效率低的主要因素有：汽封漏氣嚴(yán)重、端部軸封密封效果差、通流部件節(jié)流損失增加等。這些因素將導(dǎo)致熱能損失過大，嚴(yán)重影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

該機(jī)組的3缸汽封采用老式梳齒汽封。由于是反動(dòng)式機(jī)組，隔板相對(duì)來說較薄，所以高壓缸的葉頂和隔板采用阻汽片，其密封原理同梳齒汽封?，F(xiàn)代科學(xué)研究成果表明，若想梳齒密封達(dá)到良好的密封效果，必須做到以下3點(diǎn)：

(1) 把齒做得很尖；

(2) 有足夠長(zhǎng)的密封距離；

(3) 安裝間隙越小越好。

前2點(diǎn)因現(xiàn)有汽封材料、加工工藝和汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，很難再有突破；而減小間隙會(huì)引起機(jī)組汽流振動(dòng)，特別是機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，常導(dǎo)致汽封片磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲變形，給機(jī)組運(yùn)行帶來很大的安全隱患。為了機(jī)組的安全，許多機(jī)組在檢修時(shí)常將間隙人為擴(kuò)大，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生梳齒汽封泄漏嚴(yán)重，造成經(jīng)濟(jì)效益差。

為提高1號(hào)汽輪機(jī)組的缸效率，降低汽輪機(jī)的熱耗率，減少高、中、低壓缸的汽封漏汽量，提高低壓缸的真空度，達(dá)到降低成本和節(jié)能環(huán)保的要求，現(xiàn)對(duì)1號(hào)汽輪機(jī)汽封進(jìn)行改造。

傳統(tǒng)的梳齒密封結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致機(jī)組汽封漏汽增大和經(jīng)濟(jì)性能下降，必須改善汽封密封結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2 新型汽封特點(diǎn)介紹

2.1 刷式汽封的特點(diǎn)

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(yùn)動(dòng)，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙。同時(shí)，由于增加了轉(zhuǎn)子的振動(dòng)阻力，有利于改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。刷式汽封的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刷式汽封結(jié)構(gòu)示意

刷式汽封的刷環(huán)是由緊密排列的特種細(xì)金屬絲組成的，每根刷絲就是一個(gè)以一端為支點(diǎn)的梁，具有極好的彈性；在刷絲和轉(zhuǎn)子相碰磨時(shí)，可以彈性退讓，不易被磨掉，從而保證了機(jī)組在小間隙甚至零間隙下的安全運(yùn)行。即便在機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速和變工況時(shí)，刷絲也會(huì)跟隨軸退讓而不會(huì)被磨損。待機(jī)組穩(wěn)定之后，刷環(huán)又恢復(fù)良好的密封性能。而傳統(tǒng)剛性汽封齒只要和轉(zhuǎn)子碰擦就會(huì)很快被磨損，形成永久性的泄漏通道，從而增大了蒸汽的泄漏量。大量實(shí)驗(yàn)證明：刷式汽封的漏汽量只有梳齒式汽封的10 %-20 %。

刷絲是直徑為0.05-0.07 mm的高溫鈷基合金絲，硬度為85 HB，其抗拉強(qiáng)度為850 MPa。刷毛束厚度為2 mm，刷毛密集度90-180根/mm(在圓周方向)，刷毛角為45°-60°。安裝間隙為0.05 mm(單邊間隙)。采用電子束焊接與刷環(huán)制成一體，焊接部位強(qiáng)度比金屬絲本身強(qiáng)度還要高，不會(huì)發(fā)生掉絲現(xiàn)象，可承受的速度超過305 m/s，耐溫可達(dá)1 200 ℃。汽封退讓間隙在2.5 mm以上，膨脹間隙在0.2-0.5 mm。

2.2 蜂窩汽封的特點(diǎn)

當(dāng)蒸汽通過汽封時(shí)，蒸汽將沿著轉(zhuǎn)子與汽封環(huán)梳齒、蜂窩之間的間隙向外流動(dòng)。由于蒸汽本身帶有一定的壓力，當(dāng)它通過上述間隙時(shí)，就會(huì)強(qiáng)力擠入蜂窩巢穴內(nèi)，使每個(gè)蜂窩巢穴都成為氣室，蒸汽會(huì)在這些氣室的阻擋下改變方向并降低壓力。

3 改造方案

針對(duì)汽輪機(jī)高、中、低壓缸的不同位置，分別采用刷式汽封及蜂窩汽封的組合改造型式，對(duì)高、中、低壓汽封進(jìn)行改造，具體方案如下。

3.1 高壓缸汽封改造

(1) 高壓端部汽封部分：外側(cè)兩道改成刷式汽封、內(nèi)側(cè)兩道改成蜂窩汽封，共改造4圈。(2) 高壓進(jìn)汽平衡活塞部分：5圈刷式汽封。(3) 高壓排汽平衡活塞部分：3圈刷式汽封。

3.2 中壓缸汽封改造

本部分全部改造為刷式汽封，包括中壓軸端4圈、隔板9圈(因隔板第1級(jí)沒有直接接觸轉(zhuǎn)子，所以不改造)、葉頂9圈和中壓進(jìn)汽平衡盤汽封2圈，改造數(shù)量共24圈刷式汽封。中壓缸隔板和葉頂汽封如圖2所示。

3.3 低壓缸汽封改造

低壓轉(zhuǎn)子直徑大，蒸汽的溫度和壓力比較低，蒸汽焓降小。低壓缸部分具有如下特點(diǎn)：做功份額大；每級(jí)做功能力大；壓差小，溫度低；設(shè)計(jì)徑向間隙大，且因低壓缸采用鋼結(jié)構(gòu)焊接，變形大，間隙不易調(diào)整；低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉長(zhǎng)，在離心力的作用下，動(dòng)葉會(huì)變長(zhǎng)，無法正確估計(jì)正常運(yùn)行時(shí)的間隙；動(dòng)、靜葉頂部均為平齒。

綜上所述，低壓缸汽封間隙大，不易調(diào)整，是導(dǎo)致低壓缸熱效率低的原因。因而減小低壓缸汽封間隙，可以降低低壓缸的排汽溫度，提高低壓缸的熱效率。利用刷式汽封的特性，可以將汽封間隙調(diào)小至原設(shè)計(jì)值的1/3左右。

3.3.1 低壓缸葉頂和隔板汽封

隔板共7級(jí)，除第1級(jí)隔板因固定不方便改成刷封外，其余6級(jí)隔板汽封均改為刷封，電端和調(diào)端共12圈。第1到第5級(jí)葉頂汽封改造為刷封，電端和調(diào)端共10圈；第6級(jí)葉頂汽封改為蜂窩汽封，電端和調(diào)端共2圈。全部加起來是24圈汽封，如圖3所示。

改造型式：用1道刷毛代替原來汽封上的1個(gè)齒。改造成刷式汽封后，因刷絲優(yōu)異的彈性，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)能躲避機(jī)組的振動(dòng)，即使和轉(zhuǎn)子相碰，其接觸產(chǎn)生的力量也會(huì)很小，不會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行構(gòu)成安全隱患。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，因刷絲優(yōu)異的回彈性能，可快速跟上轉(zhuǎn)子，恢復(fù)到原來的間隙，避免蒸汽大量泄漏。

3.3.2 低壓缸端部軸封

低壓缸端部軸封左右對(duì)稱,共8圈刷式汽封，能有效阻止外面的空氣進(jìn)入，提高了凝汽器真空度。

4 改造效果

本次機(jī)組改造主要對(duì)高、中、低壓缸的汽封，汽封間隙調(diào)整靠下限。改造后進(jìn)行了熱力性能試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明：330 MW額定工況下汽輪機(jī)熱耗較改造前下降了240 kJ/kWh，折合煤耗約下降9.1 g/kWh；汽輪機(jī)的高壓缸效率由修前的82.24 %提高到83 %，提高了近1 %；中壓缸效率由改造前的88.83 %提高到91.48 %，提高了2.6 %，汽封改造取得了良好的效果。

圖2 中壓缸隔板和葉頂汽封

圖3 低壓缸隔板和葉頂汽封

5 結(jié)束語

該發(fā)電公司針對(duì)1號(hào)汽輪機(jī)高、中、低壓缸效率低、汽封漏氣量大的問題進(jìn)行了技術(shù)改造，使汽輪機(jī)缸效率得到明顯提升，機(jī)組的汽封泄漏量減少，軸封供汽壓力降低，凝汽器真空提高,排汽溫度降低，增加了機(jī)組的出力。

從改造的經(jīng)濟(jì)效果看，汽輪機(jī)熱耗較改造前下降240 kJ/kWh，節(jié)煤9.1 g/kWh。機(jī)組年發(fā)電量按照16億度計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤14 560 t;按照標(biāo)煤價(jià)格500元/t計(jì)算，每年可節(jié)發(fā)電成本約728萬元。實(shí)踐證明：汽輪發(fā)電機(jī)組的汽封改造具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策，此次汽封改造為同類型機(jī)組的汽封改造提供了重要的參考依據(jù)。

1 王廣闊．汽輪機(jī)汽封徑向間隙的調(diào)整[J].電力安全技術(shù)，2013，15(7)：54-56．

2 張立宏．200 MW機(jī)組汽封改造后的啟動(dòng)磨合探討[J].電力安全技術(shù)，2011，13(11)：40-42．

2016-07-06；

2016-09-08。

張建雙(1976-)，男，工程師，主要從事火電廠汽輪機(jī)檢修技術(shù)管理工作，email:zjshuang@sohu.com。