汽輪機(jī)鑲嵌式阻汽片結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造研究

摘" 要：截至2024年，大唐濱州發(fā)電有限公司2號(hào)機(jī)組已連續(xù)運(yùn)行7年，機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)熱耗值大，高、中壓缸缸效降低，且汽輪機(jī)內(nèi)部原鑲嵌式阻汽片沖刷磨損較為嚴(yán)重，已影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合2024年2號(hào)機(jī)組A修機(jī)會(huì)，進(jìn)行揭缸完成缸內(nèi)通流部分鑲嵌式阻汽片優(yōu)化改造，獲得比較滿意的效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；技術(shù)改造；效率低；鑲嵌式阻汽片優(yōu)化改造；熱耗值

中圖分類號(hào)：TM311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0047-04

在我國(guó)，目前整個(gè)電力裝機(jī)中占比例最大的仍然是火電，占到70%～80%，水電占到20%。風(fēng)電發(fā)展最快，總裝機(jī)翻了一番；其次是核電，增長(zhǎng)了近30%，但風(fēng)電、核電、光伏等清潔能源加起來(lái)所占的比例較少?；鹆Πl(fā)電是現(xiàn)在電力發(fā)展的主力軍，在現(xiàn)在提出和諧社會(huì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境中，在提高火電技術(shù)的方向上要著重考慮電力對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)不可再生能源的影響，雖然現(xiàn)在在中國(guó)已有部分核電機(jī)組，但火電仍占領(lǐng)電力的大部分市場(chǎng)，近年電力發(fā)展滯后經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)新建了許多火電廠，但火電技術(shù)必須不斷提高發(fā)展，才能適應(yīng)和諧社會(huì)的要求。

火力發(fā)電廠簡(jiǎn)稱火電廠，是利用煤、石油、天然氣作為燃料生產(chǎn)電能的工廠，它的基本生產(chǎn)過(guò)程是：燃料在鍋爐中燃燒使水加熱，最終轉(zhuǎn)化成蒸汽，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，蒸汽壓力推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。汽輪機(jī)主要由汽缸和內(nèi)部隔板套組成，汽缸是汽輪機(jī)的外殼，其作用是將汽輪機(jī)的通流部分與大氣隔開(kāi)，形成封閉的汽室，保證蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部完成能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，汽缸內(nèi)安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外連接著進(jìn)汽、排汽、抽汽等管道。然而隨著機(jī)組不間斷的運(yùn)行，汽缸有些內(nèi)部構(gòu)件會(huì)消耗掉，造成內(nèi)外壓力的變化，從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行，間接地使發(fā)電企業(yè)產(chǎn)出同樣多的電能而消耗更多的能源。所以，針對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)漏的變化對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的影響加以研究，為以后汽機(jī)檢修提供技術(shù)參考。

針對(duì)汽輪機(jī)節(jié)能改造行之有效的方法就是減少級(jí)間內(nèi)漏，對(duì)于可拆卸汽封來(lái)說(shuō)，汽封自身可以拆卸更換，并且汽封塊本身空間較大，可改造性較好，現(xiàn)主要技術(shù)手段是汽封結(jié)構(gòu)型式的改造，利用不同結(jié)構(gòu)型式的汽封解決不同位置的漏汽串汽問(wèn)題，對(duì)于鑲嵌式阻汽片結(jié)構(gòu)而言，由于鑲嵌式阻汽片是鑲裝在隔板套或內(nèi)缸的母體槽道內(nèi)，鑲嵌式阻汽片自身很薄，由于結(jié)構(gòu)自身原因，型式改造比較困難，就以上阻汽片改造困難的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)內(nèi)缸或隔板的時(shí)間尺寸情況，考慮內(nèi)缸及隔板套的自身強(qiáng)度，及鑲嵌阻汽片對(duì)汽輪機(jī)組軸向通流的軸向位置的影響，對(duì)鑲嵌式阻汽片進(jìn)行加齒改造，一方面增加密封齒數(shù)增強(qiáng)密封性能；另一方面增加密封齒數(shù)保證低齒始終能夠與轉(zhuǎn)子上的高臺(tái)形成有效密封，以增加鑲嵌式阻汽片的密封性能，有效提高機(jī)組效率。

1" 針對(duì)350 MW級(jí)汽輪機(jī)高壓持環(huán)鑲嵌式阻汽片的改造方案

1.1" 350 MW汽輪機(jī)基本情況

大唐濱州發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱“濱州公司”）2號(hào)機(jī)為C350/280-24.2/0.4/566/566型汽輪機(jī)，由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的超臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)主蒸汽額定參數(shù)為：壓力24.2 MPa，溫度566 ℃，額定功率350 MW。機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)熱耗值大，高、中壓缸缸效降低，且汽輪機(jī)內(nèi)部原汽封沖刷磨損較為嚴(yán)重，已影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合2024年2號(hào)機(jī)組A修機(jī)會(huì)，進(jìn)行揭缸完成缸內(nèi)通流部分設(shè)備優(yōu)化更換。針對(duì)該機(jī)組高壓持環(huán)阻汽片現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，有足夠的空間進(jìn)行阻汽片加齒改造。

1.2" 阻汽片加齒改造基本方案及原理

汽封的密封效果主要取決于2個(gè)因素，即密封的徑向間隙大小和汽封齒數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式。梳齒汽封密封結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，并且制造和維護(hù)成本較低，對(duì)機(jī)組不會(huì)造成任何損害，被廣泛應(yīng)用于各汽輪機(jī)廠各種型號(hào)汽輪機(jī)的各個(gè)部位。梳齒汽封的密封原理為“多齒節(jié)流膨脹”。傳統(tǒng)梳齒汽封是迫使流體通過(guò)曲折的的途徑，遞減其壓力，以減少漏汽，汽流在流經(jīng)每道齒齒隙和齒軸組成的腔體時(shí)不斷地受到間隙的節(jié)流和腔體的膨脹而使漏汽能量逐漸衰減，達(dá)到密封的作用。

密封齒和軸配合的理論間隙一般取（0.2～0.6）d/1 000 mm（d為軸徑），一般取0.25 mm以上，0.25 mm被視為從安全運(yùn)行角度考慮的最小許可值。裝配時(shí)，汽封通過(guò)背部的彈簧支撐，壓緊在槽道內(nèi)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子與汽封齒有碰磨時(shí)，汽封環(huán)有一定的退讓余地，不至于嚴(yán)重?fù)p傷軸和汽封體，但不能防止摩擦。

加密齒技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下。

1）低齒增加密封齒數(shù)。在原梳齒式汽封相鄰高齒中間部位，尺寸較寬，軸上凸臺(tái)始終對(duì)著增加的密封齒，不會(huì)出現(xiàn)“掉臺(tái)”的現(xiàn)象。始終保持良好的密封間隙。

2）當(dāng)量齒數(shù)大大增強(qiáng)。在原基礎(chǔ)上增加低齒數(shù)量，在有效的空腔內(nèi)大大增加了密封齒數(shù)，密封效果增強(qiáng)。

3）密封面加寬，密封齒絕對(duì)數(shù)量增加。

4）封嚴(yán)效果好。汽封密封泄漏量的計(jì)算公式為

式中：ΔG1為汽封蒸汽泄漏量；A為汽封間隙面積，Z為汽封環(huán)齒數(shù)；P0為進(jìn)入軸封前蒸汽壓力，V0為進(jìn)入軸封前蒸汽壓力比容；g為重力加速度， P1為軸封蒸汽壓力。μ為蒸汽周向運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)，ξ為阻尼系數(shù)（實(shí)驗(yàn)值為3～5）。

在其他參數(shù)不變的情況下，齒數(shù)Z增加使泄漏量大大減少。

另外，在汽輪機(jī)的機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，有一個(gè)非常重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)叫做脹差。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，脹差就是指汽輪機(jī)本體轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件的膨脹量之差。

汽輪機(jī)的脹差是轉(zhuǎn)子與汽缸的相對(duì)膨脹。一般情況下，由于蒸汽是通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片做功，轉(zhuǎn)子受熱是高于汽缸的，所以脹差本身是實(shí)時(shí)存在的，當(dāng)汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹時(shí)，轉(zhuǎn)子的脹差為正；當(dāng)轉(zhuǎn)子膨脹大于汽缸膨脹時(shí)，汽缸的脹差為負(fù)。由于脹差的存在，就會(huì)使鑲嵌式阻汽片與轉(zhuǎn)子上的軸套有相對(duì)位移，當(dāng)相對(duì)的位移達(dá)到一定值時(shí)，鑲嵌在高壓持環(huán)上的低齒就與轉(zhuǎn)子上的軸臺(tái)錯(cuò)位形成“掉臺(tái)”，掉臺(tái)后的鑲嵌密封齒就產(chǎn)生密封失效，使大量的蒸汽從失效的密封處漏向下一級(jí)，造成蒸汽內(nèi)漏，大大降低蒸汽的做功，使機(jī)組效率低。

1.3" 原結(jié)構(gòu)鑲嵌式阻汽片存在的缺陷

1）原結(jié)構(gòu)阻汽片為高低齒式迷宮結(jié)構(gòu)，改造前，低齒位置是單齒與轉(zhuǎn)子上高臺(tái)形成一道密封結(jié)構(gòu)（圖1）。

2）原結(jié)構(gòu)阻汽片低齒位置密封結(jié)構(gòu)在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可能出現(xiàn)由于脹差的存在低齒密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“掉臺(tái)”現(xiàn)象，使密封失效（圖2）。

針對(duì)以上梳齒密封基本原理及高壓持環(huán)阻汽片存在的缺陷對(duì)汽輪機(jī)高壓持環(huán)葉頂鑲嵌式阻汽片改造為低密齒結(jié)構(gòu)，即將低齒原來(lái)的1道齒結(jié)構(gòu)，改成2道齒結(jié)構(gòu)。

本次改造阻汽片需要將高壓持環(huán)葉頂?shù)妄X部分改造成雙齒結(jié)構(gòu)，將原來(lái)所有阻汽片換成雙齒片汽封片，將原來(lái)的齒片由1道齒改為2道齒，如圖3所示；改造需要對(duì)葉頂阻汽片鑲裝的槽道進(jìn)行擴(kuò)槽道加工，或者不對(duì)槽道加工，直接更改阻汽片鑲條的設(shè)計(jì)尺寸，在2道齒中間鑲裝鑲條，優(yōu)化后葉頂阻汽片及隔板阻汽片的間隙比改造前的間隙標(biāo)準(zhǔn)縮小0.1～0.2 mm，最大限度減小阻汽片間隙，同時(shí)將原來(lái)的密封阻汽片由1道增加為2道，增加了密封齒數(shù)，以提高機(jī)組效率。

改造前每道槽內(nèi)只鑲1道齒，改造后在低齒位置有兩道密封齒與轉(zhuǎn)子軸臺(tái)形成有效密封，即使在特殊情況下，脹差較大時(shí)，也能夠保證有1道低齒與轉(zhuǎn)子軸臺(tái)形成有效密封（圖4），另外改造后，為了不影響軸向通流，高齒不變，低齒由原來(lái)的1道齒改為2道齒。高齒部分相對(duì)軸臺(tái)有軸向通流要求，因此高齒還延用原結(jié)構(gòu)，以保證機(jī)組軸向通流不變。

1.4" 高壓持環(huán)鑲嵌式阻汽片改造過(guò)程

改造過(guò)程需要將整個(gè)持環(huán)運(yùn)輸?shù)郊庸S，在立式車床上對(duì)持環(huán)對(duì)應(yīng)需要改造的阻汽片槽道進(jìn)行加工，按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的具體加工尺寸及方向，對(duì)高壓持環(huán)進(jìn)行加工擴(kuò)槽，擴(kuò)槽方向需要在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組解體后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軸向通流的實(shí)際位置及汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)脹差值，兩者結(jié)合后確定低齒鑲裝阻汽片的槽道的擴(kuò)槽方向及具體尺寸。然后在加工廠直接鑲裝阻汽片后對(duì)阻汽片進(jìn)行加工至比標(biāo)準(zhǔn)間隙值小0.1～0.2 mm，到現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際用真轉(zhuǎn)子壓出的間隙值及洼窩偏心值，進(jìn)行修正，用專用刮齒機(jī)現(xiàn)場(chǎng)精修刮阻汽片間隙至合格。

2" 高壓持環(huán)鑲嵌式阻汽片間隙精修刮調(diào)整方法

2.1" 大修時(shí)，在機(jī)組解體后，進(jìn)行高壓持環(huán)的懸垂測(cè)量

具體方法如下。

1）高壓持環(huán)解體后，將轉(zhuǎn)子吊出。

2）清理假軸后，把假軸吊入。

3）回裝高壓內(nèi)上缸，緊1/3螺栓，檢查內(nèi)缸中分面的密封情況，記錄存在間隙的數(shù)值。

4）把百分表安裝在高壓內(nèi)缸的進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)，具體的位置如圖5中（百分表表針指在內(nèi)缸內(nèi)表面，表座固定在假軸上）a點(diǎn)和b點(diǎn)，分別記錄其自由狀態(tài)時(shí)的讀數(shù)a1、b1，并測(cè)量L1、L2……Ln的數(shù)值，分別記錄在調(diào)整專用表格中。

5）回裝高壓外缸，緊1/3螺栓，分別記錄其實(shí)缸狀態(tài)時(shí)的讀數(shù)a2、b2。在緊螺栓的過(guò)程中千萬(wàn)注意不要碰到百分表及表架。

6）記好讀數(shù)后，將螺栓松開(kāi)吊走高壓缸外上缸，再檢驗(yàn)a點(diǎn)和b點(diǎn)的數(shù)值是否與高壓外缸吊入前一樣。

7）第n級(jí)阻汽片的狀態(tài)差（實(shí)缸相對(duì)于自由狀態(tài)的偏差值）計(jì)算公式為：[（b1-b2）-（a1-a2）]×Ln÷L+（a1-a2）。

2.2" 在機(jī)組解體后，進(jìn)行高壓持環(huán)的洼窩測(cè)量

測(cè)量洼窩可以和第1項(xiàng)懸垂的測(cè)量放在一起測(cè)量，即在吊入假軸后，把百分表安裝好，見(jiàn)第1項(xiàng)，在緊好高壓內(nèi)缸1/3螺栓后進(jìn)行測(cè)量，表針指在a點(diǎn)和b點(diǎn)的位置，盤(pán)動(dòng)假軸即可得出a點(diǎn)和b點(diǎn)所在位置的上下缸的洼窩，在測(cè)量點(diǎn)做好標(biāo)記，（標(biāo)記一定要標(biāo)識(shí)清楚，并且不能破壞），如圖6所示。

記錄在自由態(tài)時(shí)的下列數(shù)值：a點(diǎn)下缸的洼窩a1左、a1下、a1右；上缸洼窩a1左上、a1上、a1右上；b點(diǎn)下缸的洼窩b1左、b1下、b1右；上缸洼窩b1左上、b1上、b1右上。

記錄完畢后，回裝高壓外缸，緊1/3螺栓，再次進(jìn)行實(shí)缸狀態(tài)時(shí)的洼窩的測(cè)量，分別記錄為：a點(diǎn)下缸的洼窩a2左、a2下、a2右；上缸洼窩a2左上、a2上、a2右上；b點(diǎn)下缸的洼窩b2左、b2下、b2右；上缸洼窩b2左上、b2上、b2右上。

2.3" 阻汽片更換前的間隙測(cè)量及洼窩的測(cè)量

本項(xiàng)工作在機(jī)組軸系中心調(diào)整完畢后進(jìn)行。

1）在軸系中心調(diào)整完畢后，進(jìn)行洼窩的測(cè)量，測(cè)量方法同第2項(xiàng)的步驟。本次的洼窩測(cè)量值將作為專用刮齒機(jī)的精確定位數(shù)值，修前的洼窩是刮齒機(jī)初步定位的數(shù)值，本次按測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)。

2）高壓持環(huán)改造完成后，返回現(xiàn)場(chǎng)，用真轉(zhuǎn)子壓鑲嵌式阻汽片間隙，跟標(biāo)準(zhǔn)間隙進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)值，進(jìn)行刮齒機(jī)安裝洼窩的修正，進(jìn)行阻汽片間隙的精修。

3）專用刮齒機(jī)工作原理是類似鏜床原理，將專用刮齒機(jī)中心軸調(diào)整至與轉(zhuǎn)子中心重合，利用固定在中心軸上的可以調(diào)整長(zhǎng)度的刀桿對(duì)每一道阻汽片進(jìn)行精修刮。對(duì)下半持環(huán)阻汽片間隙修刮完畢后，將高壓持環(huán)上半回裝在下半缸上，并緊螺栓至中分面間隙合格。根據(jù)高壓下半持環(huán)阻汽片修刮好的間隙對(duì)上半阻汽片進(jìn)行精修刮至合格。

4）最后全實(shí)缸進(jìn)行阻汽片間隙驗(yàn)收。

3" 通過(guò)鑲嵌式阻汽片改造后達(dá)到的效果

改造后機(jī)組一次啟機(jī)成功，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)與修前對(duì)比，高壓缸效率有大幅提高，高中壓缸漏汽情況有較大改善。

改造后額定工況下，高缸效率比修前提高了2.1%，依據(jù)國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組汽缸效率的影響系數(shù)，可估算出大修后因高壓缸效率提高引起熱耗下降約35 kJ/（kW·h）左右。

4" 結(jié)論和建議

1）鑲嵌式阻汽片改造后，機(jī)組啟、停過(guò)程中機(jī)組脹差應(yīng)與改造前脹差基本持平，不會(huì)因鑲嵌式阻汽片改造導(dǎo)致機(jī)組脹差超限，整機(jī)效率比改造前有明顯提高，機(jī)組沒(méi)有發(fā)生因鑲嵌式阻汽片改造所造成的軸系不穩(wěn)、動(dòng)靜碰磨、振動(dòng)現(xiàn)象。

2）鑲嵌式阻汽片改造后，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的汽水品質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)控制無(wú)特殊要求，可按原機(jī)組規(guī)定的汽水品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。

3）鑲嵌式阻汽片改造后，對(duì)機(jī)組啟、停及正常運(yùn)行操作方式能滿足機(jī)組啟停及負(fù)荷變化要求，不影響機(jī)組的啟停速率，不致?lián)p傷轉(zhuǎn)子或?qū)е麓筝S彎曲及其他損壞。

4）通過(guò)鑲嵌式阻汽片改造可以實(shí)現(xiàn)在小空間、小結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)最大限度提高機(jī)組密封性能，也是行之有效的，既節(jié)省了改造投入及檢修工期，又給企業(yè)降低的生產(chǎn)成本，又降低汽輪機(jī)運(yùn)行熱耗的汽輪機(jī)檢修中的優(yōu)秀改造技術(shù)之一。

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Abstract： Unit 2 of Datang Binzhou Power Generation Co.， Ltd. has been in continuous operation for 7 years up to 2024. The unit's operating indicators have a high heat consumption value， a reduced cylinder efficiency of high and intermediate pressure cylinders， and the original inlaid steam traps inside the steam turbine have been seriously eroded and worn， which has affected the operating economy of the unit. Taking into account the opportunity of A-repair of Unit 2 in 2024， the cylinder was removed to complete the optimization and transformation of the inlaid steam traps in the flow passage part of the cylinder， and satisfactory results were achieved.

第一作者簡(jiǎn)介：郭琳琳（1992-），男，工程師，汽機(jī)高級(jí)點(diǎn)檢員。研究方向?yàn)槠啓C(jī)。