不同類型汽封對汽輪機安全、經(jīng)濟運行的影響

章聲杰，劉崗

(國電銅陵發(fā)電有限公司，安徽省 銅陵市，244153)

1 引言

國電銅陵發(fā)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(lián)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(xù)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(cè)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(jié)能效果。

2 不同類型汽封的結(jié)構(gòu)及密封原理

2.1 梳齒式汽封

梳齒式汽封結(jié)構(gòu)是當前汽輪機使用最廣泛的一種傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)(發(fā)明50多年來改變甚少)。其密封原理為通過齒的多級節(jié)流膨脹作用，減少汽(氣)體沿軸向泄漏，通過設(shè)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(guī)整的正六面體小蜂窩孔狀的密封帶構(gòu)成，置于靜子密封環(huán)的內(nèi)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(shè)備上制成的正六面體網(wǎng)格型材，再經(jīng)過特殊焊接設(shè)備焊接而成。根據(jù)密封環(huán)尺寸制成的蜂窩帶在真空釬爐中通過真空釬焊技術(shù)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(nèi)，汽流的壓力能轉(zhuǎn)變成動能，由于形成漩渦，動能又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌摹o數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)而產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cellular steam seal

2.3 側(cè)齒式汽封

側(cè)齒式汽封(見圖2)是在采用迷宮汽封節(jié)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(nèi)部人為增加溝槽及障礙物，使蒸汽產(chǎn)生小渦流形成渦街。該場中渦街不能自行產(chǎn)生，也不能自行消滅。蒸汽進入汽封齒后面的汽室，產(chǎn)生具有動能的渦街并相互碰撞摩擦，使動能全部消耗轉(zhuǎn)化為熱能，蒸汽流速轉(zhuǎn)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(cè)齒式汽封的主要工作原理，也是側(cè)齒式汽封性能優(yōu)于梳齒式汽封的原因。

圖2 側(cè)齒式汽封結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of lateral teeth steam seal

2.4 布萊登汽封

布萊登可調(diào)式汽封弧段結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)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(cè)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(huán)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(shè)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(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Brighton steam seal

3 蜂窩式、側(cè)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(jié)構(gòu)特點是將傳統(tǒng)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(tǒng)汽封低齒齒數(shù)受結(jié)構(gòu)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(shù)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(tǒng)汽封退讓背板彈簧的設(shè)計。蜂窩汽封帶的材質(zhì)為0.05～0.10 mm厚的鎳基耐高溫合金，質(zhì)地柔軟，具有可磨性。由于仍采用傳統(tǒng)汽封退讓結(jié)構(gòu)，在啟動過程中產(chǎn)生的碰磨不會產(chǎn)生大的影響，所以安裝間隙一般取傳統(tǒng)汽封徑向間隙設(shè)計值的下限［4-7］。

(3)蜂窩汽封能夠高效密封，具有顯著的節(jié)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(diào)式汽封與梳齒式汽封比較

(1)布萊登可調(diào)式汽封的設(shè)計不同于傳統(tǒng)汽封，主要區(qū)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(tǒng)汽封環(huán)處于閉合狀態(tài)，而布萊登可調(diào)式汽封是處于張開狀態(tài)。汽輪機啟動后，蒸汽流量逐漸增加，作用于可調(diào)式汽封弧段背面的壓力會逐漸大于作用在正面的壓力，產(chǎn)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(huán)就閉合，使汽封齒與軸的間隙變小，達到按設(shè)計值調(diào)整的數(shù)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(huán)張開。因此，經(jīng)過精密計算而設(shè)計的各級汽封螺旋彈簧可以使各級可調(diào)式汽封按照需要，在不同的蒸汽流量下，逐一關(guān)閉，使整個過程平穩(wěn)有序地進行［8-10］。

3.3 側(cè)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(cè)擴散，在膨脹腔室內(nèi)不能充分進行動能向熱能的轉(zhuǎn)換，而靠光滑壁側(cè)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(cè)，導(dǎo)致梳齒式密封效果不理想(見圖5)。側(cè)齒式汽封增加了側(cè)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(jù)不同汽封的結(jié)構(gòu)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(cè)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(diào)整。

4.1 高、中壓缸汽封改造

對高、中壓缸實施側(cè)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(jīng)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(zhuǎn)到3 000 r/min，在此過程中除經(jīng)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(zhuǎn)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(xù)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(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)低壓缸軸封異常聲音消失，再重投軸封汽時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(jīng)濟性

2號機大修后經(jīng)西安熱工研究院現(xiàn)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(guān)不嚴所致，這是今后在大修中應(yīng)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(jié)能效果明顯。具體數(shù)據(jù)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(guān)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(dǎo)致油中嚴重進水而引起透平油乳化的問題。

6 結(jié)語

隨著煤炭市場價格的逐步走高，電廠經(jīng)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(jù)不同類型汽封的特點對電廠汽輪機的現(xiàn)有汽封進行合理改造將給電廠節(jié)能降耗帶來深遠的影響。

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