汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)節(jié)能改造探究

李光富

摘? 要：就目前來看，汽輪機(jī)汽封存在著一定的漏氣問題，致使機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性受到影響。因此，應(yīng)該提高對汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)節(jié)能改造的重視程度，結(jié)合實(shí)際情況和發(fā)展要求，采用科學(xué)有效的技術(shù)和措施對其進(jìn)行優(yōu)化和改造，以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行安全性以及經(jīng)濟(jì)性的有效增強(qiáng)。對此，文章對汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)節(jié)能改造進(jìn)行深入的分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);汽封系統(tǒng);節(jié)能改造;優(yōu)化

中圖分類號：TK263.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0120-02

Abstract： At present， there is a certain air leakage problem in the steam seal of steam turbine， which affects the safety and economic operation of the unit. Therefore， attention should be paid to the energy-saving transformation of steam turbine seal system， and combined with the actual situation and development requirements， learnable and effective technologies and measures should be adopted to optimize and transform it， in order to achieve the equipment operation security and economic row effective enhancement. In this paper， the energy-saving transformation of steam turbine seal system is deeply analyzed for reference.

Keywords： steam turbine; steam seal system; energy-saving retrofit; optimization

引言

汽輪機(jī)的運(yùn)行頻率受多方面因素的影響，而其中最為常見的是汽輪機(jī)通流部分的前后軸封以及動靜葉汽封漏氣問題，從而降低了汽輪機(jī)組的運(yùn)行效率。對此，為了降低汽封系統(tǒng)漏氣問題對汽輪機(jī)運(yùn)行效率的影響，汽輪機(jī)設(shè)計技術(shù)人員應(yīng)該注重汽輪機(jī)汽封設(shè)計環(huán)節(jié)，做好設(shè)計工作，并結(jié)合實(shí)際對其進(jìn)行科學(xué)有效的節(jié)能設(shè)計。

1 汽輪機(jī)汽封的概述

在汽輪機(jī)正常運(yùn)行的過程中，由于其內(nèi)部主軸在穿出汽缸時存在一定的徑向間隙，再加上內(nèi)外壓力差的作用力，致使其在主軸和隔板之間、汽缸（或隔板套）和動葉頂部之間的間隙處存在的級間蒸汽產(chǎn)生自高壓端向著低壓端的泄漏問題。另外，在汽輪機(jī)中低壓缸的兩端或低壓端、高壓缸的兩端或高壓端，同樣存在著自內(nèi)向外的高壓蒸汽外泄問題，低壓缸空氣流入汽缸的狀況。正是由于這些問題的存在，使得汽輪機(jī)的各級效率不斷降低，真空、增大凝結(jié)水的損失不斷增加，并提高了廠用電率，從而降低了汽輪機(jī)組對燃煤的利用率。所以在汽輪機(jī)的設(shè)計過程中，應(yīng)該注重對齒數(shù)的優(yōu)化，調(diào)整齒形曲徑減小間隙增強(qiáng)阻力，確保汽封系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較好的防漏汽效果，從而提升汽輪機(jī)的運(yùn)行效能[1]?，F(xiàn)階段，在汽封系統(tǒng)的改造當(dāng)中，主要以蜂窩汽封技術(shù)以及新興的刷式汽封技術(shù)為主。其中，刷式汽封技術(shù)具有漏量小、防漏效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，在保證密封效果的基礎(chǔ)上，對汽輪機(jī)靜葉與動葉之間的瞬態(tài)不同心也具備一定的包容性，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性。隨著刷式汽封技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，得到了汽輪機(jī)節(jié)能改造的廣泛應(yīng)用，并且取得了一定的成果。

2 蜂窩汽封技術(shù)以及刷式汽封技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 蜂窩汽封技術(shù)的特點(diǎn)

相對刷式汽封技術(shù)，蜂窩汽封技術(shù)是一項(xiàng)相對更加成熟的技術(shù)，該技術(shù)在飛機(jī)、船舶的汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動機(jī)中具有較為廣泛的應(yīng)用。與普通梳齒汽封結(jié)構(gòu)的使用壽命相比，蜂窩汽封結(jié)構(gòu)具有更長的使用壽命，大約在普通梳齒汽封結(jié)構(gòu)使用壽命的兩倍以上，并且具有提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性、減少泄漏量、提升運(yùn)行效率等多方面的優(yōu)勢特征。

汽輪機(jī)蜂窩式汽封的制造材料主要以鎳基耐高溫合金為主，其結(jié)構(gòu)包含了蜂窩帶和環(huán)體兩個部分，安裝在汽封體當(dāng)中。蜂窩式汽封技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，較強(qiáng)的可磨性特點(diǎn)。蜂窩汽封主要是由中正六邊形的蜂窩孔構(gòu)成，其厚度大約在0.05mm到0.10mm之間，對鎳基耐高溫合金進(jìn)行特殊的加工，并將其制作成蜂窩帶而形成。由于蜂窩帶的材質(zhì)較為柔軟，使得蜂窩帶具有較強(qiáng)的可磨性，從而增強(qiáng)對徑向間隙的控制能力，降低漏出量。通過對相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查閱可以看出，蜂窩式汽封能夠有效降低對軸的磨損程度，不到鐵素體梳齒式汽封對軸造成磨損程度的兩成。由于蜂窩帶材質(zhì)的柔軟性，即便蜂窩帶與軸之間發(fā)生動靜摩擦，也不會對軸頸產(chǎn)生損傷，有效增強(qiáng)了汽輪機(jī)的安全性以及可靠性。

第二，高效密封特點(diǎn)。在徑向間隙值相同的前提下，蜂窩式汽封的漏氣量要比梳齒式少60%左右。在汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)改造中應(yīng)用蜂窩式汽封技術(shù)，不僅可以從結(jié)構(gòu)上解決低壓缸軸端存在的高齒倒伏、低齒掉臺問題，還能夠?yàn)槟鞯恼婵斩忍峁┍Ｕ?，對機(jī)組效率的增強(qiáng)存在著重要的作用。由此可見，將蜂窩汽封技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)節(jié)能改造中可以得到更為顯著的密封效果。

第三，雙向阻尼特點(diǎn)。由于汽輪機(jī)中軸與葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生氣體的切向運(yùn)動，再加上汽封兩側(cè)存在的壓力差，使得氣體開始軸向運(yùn)動。當(dāng)氣體通過蜂窩表面時，則會遇到軸向和切向阻力，能夠遏制工質(zhì)在周向的運(yùn)動，從而降低軸系的自激振動程度。蜂窩汽封的軸向網(wǎng)格能夠控制氣流的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，避免汽輪機(jī)組內(nèi)軸的震動問題的出現(xiàn)，從而確保轉(zhuǎn)子運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。同時，在氣流進(jìn)入蜂窩網(wǎng)格時會增加汽封圈和氣流間的熱交換面積，有利于氣流動能的進(jìn)一步削弱。

2.2 刷式汽封技術(shù)的特點(diǎn)

該技術(shù)是近些年新興起的新型汽封技術(shù)，在航空方面有著較為廣泛的應(yīng)用，比如在我國的J10以及美國的F22、F16等戰(zhàn)斗機(jī)所使用發(fā)動機(jī)中，均涉及到了刷式汽封技術(shù)。隨著該技術(shù)的不斷成熟和完善，已經(jīng)逐漸運(yùn)用在民用燃?xì)馐狡啓C(jī)、發(fā)動機(jī)等方面。當(dāng)前階段，我國對該項(xiàng)汽封技術(shù)的應(yīng)用已進(jìn)入了起步階段，與傳統(tǒng)汽封技術(shù)相比，刷式汽封技術(shù)具有更加顯著的優(yōu)勢特點(diǎn)，成為傳統(tǒng)梳齒汽封最為可行、適用的替代品，也是大型轉(zhuǎn)子器械設(shè)備汽封技術(shù)發(fā)展的主要途徑，刷式汽封技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，柔性密封特點(diǎn)。刷式汽封屬于一種柔性密封，可以很好的包容轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動以及瞬間徑向變形，從而可以在確保汽輪機(jī)安全的前提下有效降低間隙大小。與此同時，由于轉(zhuǎn)子振動阻力的增強(qiáng)，能夠有效提升轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。另外，由于刷式汽封的刷環(huán)是由緊密排列的特種細(xì)金屬絲組成的，具有良好的彈性特征，這些金屬絲與轉(zhuǎn)子接觸時，其彈性可以有效減少對轉(zhuǎn)子的損耗，提升汽輪機(jī)組安全性。通過對相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查閱可以看出，刷式汽封的漏氣量僅為梳齒式汽封的一成到兩成之間。

第二，極強(qiáng)的自密封性特點(diǎn)。在刷式汽封中，無論是線性的刷子或是環(huán)形的刷子，氣體流動都是以射流、橫向流、同向流以及漩渦流的方式活動。氣流在通過刷絲時，若該區(qū)域存在間隙時，則會形成射流或者同向流，當(dāng)刷絲周圍沒有間隙而軸向有間隙時，則形成橫向流，在射流、橫向流或同向流進(jìn)入到較大的空隙區(qū)域之后則有可能產(chǎn)生漩渦流。刷式汽封中的刷絲可以在流體流動中形成極強(qiáng)的密封效果，能實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)流作用，從而對氣流的動能進(jìn)行消耗，達(dá)成降壓的效果[2]。

第三，零間隙密封特點(diǎn)。我們知道，減小間隙始終都是密封技術(shù)的目的所在，間隙的減小可以有效降低泄漏量，之前所說的蜂窩式汽封就是為了減少間隙。同理，刷式汽封也是以減小間隙為目的，但與其他汽封技術(shù)不同的是，在汽輪機(jī)中應(yīng)用刷式汽封技術(shù)可以達(dá)到零間隙的目的，這是其他汽封技術(shù)所無法做到的。

3 汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)節(jié)能改造案例分析

3.1 汽輪機(jī)汽封改造項(xiàng)目簡述

以某公司汽輪機(jī)為例。這一汽輪機(jī)是由東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)制造，其型號為亞臨界、單軸、雙缸、一次中間再熱、雙排汽、抽汽供熱凝汽式汽輪機(jī)，其容量為300MW。該汽輪機(jī)組的隔板、葉頂和軸端均采用舊式的梳齒式汽封結(jié)構(gòu)，由于汽輪機(jī)組運(yùn)行年限較長，其汽封漏汽狀況也越加明顯，致使其漏氣量越來越多。因此，針對這一汽輪機(jī)組的運(yùn)行情況，將應(yīng)用刷式汽封技術(shù)對汽輪機(jī)組汽封系統(tǒng)進(jìn)行改造和更新。

3.2 改造項(xiàng)目與成效

在實(shí)際的改造過程中，主要是對汽輪機(jī)中葉頂處以及低壓、中壓、高壓段隔板軸封方面的改造和更新，將這些部分全部改為刷式汽封結(jié)構(gòu)。中壓缸效率由改造前91.23%升為91.49%;高壓缸效率由改造前80.31%升為81.89%;;五段油氣溫度由改造前295.1℃降為285.3℃;六段油汽溫度由改造前220.5℃降為209.8℃;七段油汽溫度由改造前174.6℃降為157.4℃;試驗(yàn)熱耗率由改造前8328kJ/（kW·h）降為8196kJ/（kW·h）;修正后熱耗率由改造前8338kJ/（kW·h）降為8110kJ/（kW·h）

由以上數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)過汽封改造更新之后，汽輪機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和改善，有效提高了汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，改造后機(jī)組熱耗率約為8196kJ/（kW·h），比改造前提降低了128kJ/（kW·h）。相對改造前，改造后的機(jī)組中壓缸以及高壓缸效率分別增強(qiáng)了0.26%和1.58%，對中壓以及高壓缸實(shí)現(xiàn)了較為良好的檢修效果。第五、六、七段的油汽溫度得到了有效的降低，分別減少了9.8℃、10.7℃、18.2℃，使低壓通流部分實(shí)現(xiàn)了較好的汽封效果。因此，結(jié)合汽輪機(jī)的實(shí)際情況和類型，應(yīng)用刷式汽封技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的節(jié)能改造，不僅可以提高汽輪機(jī)的汽封性能，還能有效增強(qiáng)汽輪機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，增加發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求量也在日益增加，雖然我國不斷提高對技術(shù)改造與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的扶持力度，但對能源資源的利用率仍然相對較低，對我國社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展存在著明顯的阻礙作用[3]。其中，電力能源作為推動社會穩(wěn)步前進(jìn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，亦是確保工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。因此，還需要不斷加強(qiáng)對汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)的節(jié)能改造和優(yōu)化，提升對汽輪機(jī)組的安全性和可靠性，增強(qiáng)對燃煤能源的利用率，提高發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，從而更好的滿足不斷增長的電力需求，為我國社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展提供積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

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