不同類型汽封對汽輪機安全、經濟運行的影響

章聲杰，劉崗

(國電銅陵發電有限公司，安徽省 銅陵市，244153)

1 引言

國電銅陵發電有限公司2號機組汽輪機是上海汽輪機有限公司與西屋公司聯合制造的超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，型號為N600-24.2/566/566，最大連續出力為647.324 MW，額定出力為600.323 MW。高壓缸共有1+11級，中壓缸共有8級，低壓缸共有2×2×7級，全機熱力級共27級，結構級共48級。機組改造前高壓和中壓缸過橋、排氣端汽封、平衡鼓汽封采用布萊登汽封，高、中、低壓隔板及葉頂汽封采用傳統梳齒式汽封。2011年年初，在2號汽輪機大修中有選擇地使用了側齒式汽封及蜂窩式汽封，本文對改造后的汽封的實際運行狀況進行分析，闡述了不同類型汽封的密封機理及使用后的節能效果。

2 不同類型汽封的結構及密封原理

2.1 梳齒式汽封

梳齒式汽封結構是當前汽輪機使用最廣泛的一種傳統密封結構(發明50多年來改變甚少)。其密封原理為通過齒的多級節流膨脹作用，減少汽(氣)體沿軸向泄漏，通過設計合理的密封間隙，能夠達到一定的密封效果。

2.2 蜂窩式汽封

蜂窩式密封由規整的正六面體小蜂窩孔狀的密封帶構成，置于靜子密封環的內表面上，如圖1所示。此蜂窩帶是由厚度僅為0.05～0.10 mm的海斯特鎳基耐溫薄板在特殊成型設備上制成的正六面體網格型材，再經過特殊焊接設備焊接而成。根據密封環尺寸制成的蜂窩帶在真空釬爐中通過真空釬焊技術焊接在母體密封上，形成了蜂窩式密封。其密封機理［1-3］是:在密封腔室內，汽流的壓力能轉變成動能，由于形成漩渦，動能又轉變為熱能而被消耗。無數個蜂巢狀的正六邊形小孔(芯格)的綜合阻滯作用，致使進入密封腔室內的壓力汽流能量迅速耗散，并在蜂窩孔端部與軸徑表面的縫隙間由軸高速旋轉而產生一層汽膜直接阻止汽流的軸向流動。以上2種阻尼相疊加產生了較強的阻尼，使湍流阻尼作用更強，汽流速度降低更大，從而達到良好的密封效果。

圖1 蜂窩式密封結構Fig.1 Structure of cellular steam seal

2.3 側齒式汽封

側齒式汽封(見圖2)是在采用迷宮汽封節流過程以外，再加上渦街阻汽過程。渦街阻汽過程是在汽室內部人為增加溝槽及障礙物，使蒸汽產生小渦流形成渦街。該場中渦街不能自行產生，也不能自行消滅。蒸汽進入汽封齒后面的汽室，產生具有動能的渦街并相互碰撞摩擦，使動能全部消耗轉化為熱能，蒸汽流速轉化為渦街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高壓蒸汽進入汽室能力降低。這是側齒式汽封的主要工作原理，也是側齒式汽封性能優于梳齒式汽封的原因。

圖2 側齒式汽封結構Fig.2 Structure of lateral teeth steam seal

2.4 布萊登汽封

布萊登可調式汽封弧段結構與傳統汽封弧段基本相同，只是進汽面上銑出1道引汽槽，其目的是使汽封弧段背面壓力等于進汽側壓力。而在必要汽封弧段的端面上鉆孔裝入螺旋圓柱彈簧，其上、下汽封環中間各有2只螺旋圓柱彈簧。彈簧的推力使得汽封弧段在沒有蒸汽壓力時呈開啟狀;汽封弧段與汽封體之間一般設計有3 mm的退讓距離，故汽封齒與軸就有3 mm以上的間隙。工作原理如圖3所示。

圖3 布萊登汽封結構Fig.3 Structure of Brighton steam seal

3 蜂窩式、側齒式、布萊登汽封與梳齒式汽封比較

3.1 蜂窩式汽封與梳齒式汽封比較

(1)蜂窩式汽封的結構特點是將傳統汽封的低齒車削去，由蜂窩狀汽封取代，蜂窩由六邊形孔連接片組成，六邊形單邊尺寸為1.6～5 mm。蜂窩汽封由于具有較寬的密封帶，改變了傳統汽封低齒齒數受結構限制只能布置很少(一般1～2齒)的缺點。在保留原汽封高齒情況下，相當于增加了汽封齒的數量，加大了汽流阻力，提高了密封效果。

(2)蜂窩汽封仍采用傳統汽封退讓背板彈簧的設計。蜂窩汽封帶的材質為0.05～0.10 mm厚的鎳基耐高溫合金，質地柔軟，具有可磨性。由于仍采用傳統汽封退讓結構，在啟動過程中產生的碰磨不會產生大的影響，所以安裝間隙一般取傳統汽封徑向間隙設計值的下限［4-7］。

(3)蜂窩汽封能夠高效密封，具有顯著的節能效果。在同樣的徑向間隙情況下，蜂窩密封的泄漏量比梳齒密封少50%～70%。對于軸端汽封，可以保證安裝時較小的密封間隙(見圖4)，從根本上解決軸端漏汽嚴重導致油中進水而引起透平油乳化的問題。對低壓缸軸端密封，從結構上解決了因脹差引起的“低齒掉臺高齒倒伏”的問題，對確保凝汽器真空度，提高機組效率具有重要意義。

3.2 布萊登可調式汽封與梳齒式汽封比較

(1)布萊登可調式汽封的設計不同于傳統汽封，主要區別在于用4只螺旋圓柱彈簧取代了12片平板彈簧片。

圖4 蜂窩式汽封安裝示意圖Fig.4 Installation schemes for cellular steam seal

(2)當汽輪機尚未運行時，傳統汽封環處于閉合狀態，而布萊登可調式汽封是處于張開狀態。汽輪機啟動后，蒸汽流量逐漸增加，作用于可調式汽封弧段背面的壓力會逐漸大于作用在正面的壓力，產生一個壓差。當這個壓差達到能克服螺旋彈簧的推力時，汽封環就閉合，使汽封齒與軸的間隙變小，達到按設計值調整的數值。停機時，進汽量逐漸減少，當流量減至一定值時，即3%時，螺旋彈簧的推力大于壓差、摩擦力、弧段重力等，使汽封環張開。因此，經過精密計算而設計的各級汽封螺旋彈簧可以使各級可調式汽封按照需要，在不同的蒸汽流量下，逐一關閉，使整個過程平穩有序地進行［8-10］。

3.3 側齒式汽封與梳齒式汽封比較

梳齒式汽封通過縫口后的汽流只能向1側擴散，在膨脹腔室內不能充分進行動能向熱能的轉換，而靠光滑壁側的汽流速度不減小或只略微減小，就直接越過齒頂流向低壓側，導致梳齒式密封效果不理想(見圖5)。側齒式汽封增加了側齒和底齒使漏汽量大大減少。

圖5 梳齒式密封示意圖Fig.5 Serrate type steam seal

4 新型汽封在2號機組改造中的使用

根據不同汽封的結構特點及密封性能，在2011年1月30日～3月22日2號汽輪機改造中有選擇地使用了側齒式汽封及蜂窩式汽封，并按上海汽輪機廠的間隙標準趨于下限進行了調整。

4.1 高、中壓缸汽封改造

對高、中壓缸實施側齒汽封改造(32圈)，詳見表1。

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4.2 低壓缸汽封改造

對低壓缸通流部分進行汽封改造。低壓端部汽封共計16圈，低壓末三級葉頂圍帶、隔板汽封各12圈更換為蜂窩汽封，共更換汽封52道，詳見表2。

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5 汽封改造后汽輪機安全及經濟性分析

5.1 安全性

本次2號機汽封改造后于3月24日20:37首次將汽輪機沖轉到3 000 r/min，在此過程中除經過600、1 000 r/min各停留20～30 min進行摩擦檢查及暖機外，在整個沖轉過程中最大振動為160 μm。3月25日17:14，2號機負荷為70 MW時，3號軸承軸向振動達到219 μm，且有繼續上升趨勢，立即打閘。打閘后低壓差脹達到21 mm，此時2號低壓缸軸封處有明顯異聲。3月25日18:54，2號汽輪機轉速至0，盤車電流19.3 A，惰走時間為100 min。汽輪機惰走后停軸封汽檢查時發現低壓缸軸封異常聲音消失，再重投軸封汽時發現轉子的偏心異常增大到200 μm左右。由于首次使用蜂窩式汽封，對其阻汽作用特強的性能了解不夠，后通過改變軸封汽閥門的流量分配以及減少軸封汽流量等措施后發現3、4、5、6號軸承的振動明顯下降，軸封汽流量減少后，在機組沖轉及帶負荷整個過程中各軸承最大振動均控制在76 μm以下。

5.2 經濟性

2號機大修后經西安熱工研究院現場測試，汽封改造后高壓缸效率大大增加，但中壓缸效率增加不明顯。究其原因可能是在安裝過程中把關不嚴所致，這是今后在大修中應注意的問題。汽輪機汽封改造后，汽輪機總體熱耗比大修前下降了171.8 kJ/(kW·h)，汽封改造后節能效果明顯。具體數據如表3所示。

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5.3 密封效果

由于蜂窩式汽封的阻汽作用特別強，蜂窩式汽封改造后在原有的軸封汽壓力35 kPa、溫度130℃情況下，3、4、5、6號軸端汽封進汽門在原來全開位置均關到閥門全行程的1/5左右，在真空未受影響的情況下，一定程度解決了因軸端漏汽導致油中嚴重進水而引起透平油乳化的問題。

6 結語

隨著煤炭市場價格的逐步走高，電廠經營的壓力越來越大，如何挖潛增效將是電廠面臨的新課題。在此背景下，根據不同類型汽封的特點對電廠汽輪機的現有汽封進行合理改造將給電廠節能降耗帶來深遠的影響。

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