300 MW機組軸封間隙改變對機組經濟性的影響

郝玉振，鄭 威，丁俊齊，王學棟

（山東電力集團公司電力科學研究院, 山東 濟南 250002）

0 引言

大型汽輪機組在運行過程中，軸封結構可以有效地減少高中壓缸蒸汽向外泄露，防止蒸汽做功損失，同時阻止空氣向低壓缸內泄漏來保證機組的真空。隨著汽輪機技術的發展，軸封結構不斷改進，同時出現了不同的型式。目前國內出現的汽封型式主要有傳統梳齒汽封、布萊登汽封、蜂窩式汽封、接觸式汽封、刷式汽封和DAS汽封。各種汽封中，按照節能方面來看，蜂窩汽封和刷式汽封較好，布萊登汽封、接觸汽封和DAS汽封次之，傳統梳齒汽封最差。從投資成本來說，傳統梳齒汽封投資成本最低，蜂窩式汽封和刷式汽封投資費用較高，布萊登汽封、接觸式汽封和DAS汽封投資費用居中。300MW和600MW機組主要采用傳統型的梳齒汽封，進行汽封改造的300 MW機型上出現了布萊登汽封、蜂窩式汽封和接觸式汽封，600 MW機組中對汽封改造的案例較少，上海汽輪機廠引進的超超臨界1000 MW機組上開始采用刷式汽封。

1 軸封漏汽量的計算

1.1 汽輪機汽封原理

汽輪機在運行過程中必須留有足夠的徑向間隙

式中：h1、h0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的焓值，kJ／kg；c1、c0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的流速，來保證機組的安全運行，在這種情況下，必然會在間隙部分出現蒸汽泄漏，泄漏可以分為通流部分蒸汽泄漏和軸端蒸汽泄漏，通流部分漏汽是動靜之間間隙造成的，通流部分漏汽增加會造成汽輪機各級段效率降低，從而降低整個汽輪機的相對內效率，增加汽輪機組的熱耗率。軸端汽封泄漏是由于汽輪機各缸軸端汽封間隙造成的，軸端汽封間隙過大會造成汽輪機高中壓缸內部蒸汽往外泄漏，減少蒸汽做功，同時造成外部空氣漏入低壓缸，造成汽輪機組真空下降、凝汽器端差增大及抽氣泵出力增加等問題。相對于汽輪機通流部分汽封，軸端汽封在汽輪機啟動、停機及運行過程中更容易發生碰擦而導致漏汽量增加，是運行過程中經常出現問題的部位，也是現在汽輪機組改造的重點部位。圖1為傳統梳齒汽封示意圖，蒸汽在汽封間隙中的流動可以近似視為多個節流過程，蒸汽在流過汽封齒與轉子間隙時焓值保持不變，壓力和溫度降低，雖然蒸汽焓值不變，但是其參數降低，相應做功能力下降［1］。

如圖1所示，根據穩定流動能量方程m／s；z1、z0分別為蒸汽在軸封高、低壓室處的位高，m；w為蒸汽對外做功，kJ／kg；q為蒸汽與外界熱量交換，kJ／kg。

圖1 傳統梳齒汽封示意圖

蒸汽在流過軸封間隙時與外界發生微量熱量交換，同時蒸汽不對外做功，即q≠0，w=0，位能差可以忽略，則（1）式應用于軸封漏汽流動時可以簡化為：由（2）式可以求出蒸汽流動到低壓室處的速度：

節流前后，蒸汽的焓值近似保持不變，由（3）式可以看出，漏汽在與外界發生微量熱交換時，經過軸封間隙后蒸汽流速變化不大。軸端汽封的漏汽量可用下列經驗公式計算［2］。

式中：Al為軸端汽封的間隙面積，cm；p0和p1為軸端汽封段前后汽室壓力，即汽封高、低壓側壓力，MPa；zl為汽封齒數；v0為軸端汽封段前的蒸汽比容，m3／kg；ul為軸封的漏汽流量系數，與軸封齒形結構等有關。

由（4）式和（5）式可以看出，軸封漏汽量與軸端汽封間隙面積成正比。如果汽輪機主軸直徑以及軸端汽封間隙已知，同時假設漏汽參數變化不大，則僅對軸封間隙進行改變便可以近似計算出軸封漏汽量的變化。

1.2 軸端汽封間隙改變對漏汽量的影響

汽輪機高中壓缸內蒸汽參數較高，做功能力強，因此，高中壓缸軸端汽封漏汽會造成更大的經濟損失。目前對汽輪機汽封改造的重點也集中在高中壓缸軸端汽封以及高中壓缸過橋處汽封。以上海汽輪機廠F156型汽輪機為例，定量說明高中壓缸后軸封以及高中壓缸間過橋軸封間隙改變對漏汽量的影響。將汽封間隙擴大0.1 mm，漏汽面積會相應增加，根據（4）式，假設軸封漏汽量僅與漏汽面積成正比便可以計算出軸封漏汽量的變化，此處近似計算未考慮軸封間隙變化帶來的蒸汽參數的變化。計算出的數據如表1所示。

表1 汽封間隙改變后高中壓缸軸端汽封及過橋汽封漏汽量變化

2 機組額定工況等效熱降計算

F156型機組是按照美國西屋公司技術制造的300 MW亞臨界中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽單軸凝汽器式汽輪機，機組整個通流部分共35級葉片，其中高壓缸12級，中壓9級，低壓缸2×7級。回熱系統采用“三高＋四低＋一除氧”的型式布置，高壓缸和中壓缸分別布置兩級抽汽，低壓缸對應4級抽汽。高壓缸后汽封一段L進4抽，二段M進均壓箱，三段N進軸加；高壓缸前汽封漏汽E到中壓缸，D－E到高排；中壓后汽封漏汽一段S進均壓箱，漏汽二段T進軸加。在對機組進行等效焓降計算時，基礎數據如表2所示，輔助蒸汽系統計算如表3所示。表中：tj為j號加熱器出口焓，ij為對應j號加熱器的抽汽焓，tsj為對應j號加熱器的疏水焓，τj為j號加熱器內的給水或者凝結水焓升，qj為對應j號加熱器的抽汽在加熱器內的放熱，γj為j＋1號加熱器疏水與j級加熱器疏水焓差，hj為對應j號加熱器的等效熱降，ηj為對應j號加熱器的抽汽效率，Gj為對應j號加熱器的抽汽量，αj為對應j號加熱器的抽汽量占主蒸汽量份額，tn為凝汽器熱井出口焓，新蒸汽焓h0=3397.2 kJ／kg，低壓缸排汽焓 hn=2343.3 kJ／kg，高壓缸排汽焓 hgp=3020.1kJ／kg，冷再蒸汽焓 hcr=3023.6kJ／kg，再熱蒸汽焓 hr=3539.1kJ／kg，再熱器焓升 σ=515.5kJ／kg，調節級焓 htj=3322.9kJ／kg，軸加疏水焓 tszj=415kJ／kg，低壓缸汽封進汽焓hu=2716.2 kJ／kg，低壓缸汽封出汽焓 hv=2716.2 kJ／kg，給水泵焓升 τb=23.8 kJ／kg，主蒸汽流量G0=907030 kg／h，再熱蒸汽流量 Gr=745349 kg／h。

表2 F156型機組等效熱降計算基礎數據

表3 輔助蒸汽系統

再熱冷段以上排擠1kg抽汽所引起的再熱器吸熱增量

新蒸汽毛等效熱降

各種附加成分引起的做功損失ΣΠ

汽動給水泵抽汽造成的做功損失

給水泵焓升損失

以上各種損失的和為：

新蒸汽等效熱降

循環吸熱量

汽輪機裝置效率

汽輪機裝置熱耗率

3 汽輪機汽封漏汽量改變對機組經濟性的影響

1）前汽封漏汽E對機組經濟性的影響

前汽封漏汽量增加1392.19 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

2）前汽封漏汽D－E對機組經濟性的影響

前汽封漏汽量D－E增加1219.55 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

3）高壓缸后汽封到除氧器漏汽量對機組經濟性的影響

后汽封漏汽量L增加1305.56 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

4）高壓缸后汽封到均壓箱漏汽量對機組經濟性的影響

后汽封漏汽量M增加142.2 kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

5）高壓缸后汽封到軸加漏汽量對機組經濟性的影響

后汽封漏汽量N增加24.17kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

6）中壓缸后汽封到均壓箱漏汽量對機組經濟性的影響

后汽封漏汽量S增加135.35kg／h，做功損失增加量為

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

7）中壓缸后汽封到軸加漏汽量對機組經濟性的影響

后汽封漏汽量T增加14.75kg／h，做功損失增加量為

上海汽輪機廠F156型機組在汽封間隙改變0.1 mm的情況下，高壓缸后汽封到除氧器、均壓箱和軸加的漏汽量分別增加了1305.56 kg／h、142.20 kg／h和24.17 kg／h，中壓缸后汽封到軸加和均壓箱漏汽量分別增加了 135.25 kg／h和 14.75 kg／h，高中壓間汽封到中壓缸和高排漏汽量分別增加1392.19 kg／h和1219.55 kg／h。高中壓缸軸封漏汽量對機組經濟性的影響約為5.1059 kJ／kWh。

正常運行情況下，汽封間隙改變對機組經濟性影響較小，如無特殊異常，不建議電廠對軸封結構進行改造。汽輪機軸封系統改造工程不可控因素較多，改造后的機組往往由于啟動等原因造成汽封碰損，從而導致改造后機組經濟性下降，直接造成汽封改造失敗。

再熱器吸熱量減少

裝置效率降低

汽輪機熱耗率增加

高中壓汽封漏汽量增加導致機組熱耗率增加總量

由計算可以發現汽封各段漏汽量對機組經濟性的影響主要取決于做功損失量大小和漏汽量，以后汽封漏汽L和前汽封漏汽E為例來說明，兩段漏汽增加量占主蒸汽流量的比例不同造成再熱器吸熱量減小值不同，同時由于兩段漏汽的回收點參數不同，漏汽L回收于4抽，漏汽E回收點在中壓缸入口，回收點的差異造成兩段漏汽的做功損失相差較大，做功損失和再熱器吸熱量的差異共同造成熱耗率的增加量差別較大。汽輪機軸端汽封間隙增加0.1 mm后，高中壓軸端汽封漏汽量的改變造成熱耗率的增加總量為5.1059 kJ／kWh，此數據可對電廠機組啟動過程中的汽輪機汽封間隙調整提供參考。在端部汽封沒有嚴重受損的情況下，其漏汽量對經濟性的影響不是非常明顯，一些電廠在對汽輪機端部汽封進行改造時應嚴格考量投入產出比，很多廠家在對端部汽封改造時動輒提出能夠降低熱耗率200 kJ／kWh的說法也是沒有依據的。

4 結語

［1］邵和春.汽輪機運行［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［2］沈發榮，周留坤，王俊，等.新型汽封在國產機組的應用及經濟性分析［J］.南方電網技術，2009，3（增刊）：184-186.

［3］林萬超.火電廠熱系統節能理論［M］.西安：西安交通大學出版社，1994.