試論電廠汽輪機汽封改造的可行性

夏曉林

摘 要：為提高汽輪機組運行安全經濟性，電廠準備改造汽輪機汽封系統。本文分析了機組現時的經濟性能和運行情況，根據當前最新的汽封技術編制了適用于機組的汽封改造方案，并對改造后所能取得的經濟效益進行分析。結果表明汽封系統改造可以提高機組的安全性和經濟性，是具有改造價值的。

關鍵詞：汽輪機；汽封；改造；性能

1 引言

廣東紅海灣發電有限公司一期#1、#2機組為國產600MW超臨界壓力燃煤發電機組，三大主設備由東方電氣集團公司屬下的東方鍋爐廠、東方汽輪機廠、東方電機股份有限公司制造，容量及參數相互匹配。其中汽輪機型號為N600-24.2/566/566，型式為超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、凝汽沖動式汽輪機。汽輪機軸封為傳統梳齒迷宮式汽封。現準備對汽輪機軸封系統進行改造，在保證安全運行的基礎上以提高機組運行效率。

傳統梳齒汽封在運行過程中存在的問題：（1） 汽輪機起停過程中過臨界轉速時，轉子振動大，如果汽封安裝間隙較小，汽封齒容易磨損。（2） 容易出現彈簧片彈性不良，造成汽封間隙過大，漏汽損失增加。（3） 由于軸封漏汽量較大，蒸汽對軸的加熱區段長度有所增加，并且溫度也有所升高，使脹差變大，軸上凸臺和汽封塊的高、低齒發生相對位移而倒伏，造成漏汽量增加，密封效果得不到保證。（4） 汽封齒與軸發生碰磨時，瞬間產生大量熱量，造成軸局部過熱，甚至可能導致大軸彎曲。（5） 梳齒汽封環形腔室的不均勻性，是產生汽流激振的重要原因，而汽輪機高壓轉子產生的汽流激振一旦發生就很難解決，危及機組的安全運行。

2 機組性能現狀分析

為了解影響機組經濟性的主要因素，收集相關數據以確定汽封改造方案廣東紅海灣發電有限公司前期對1號機組進行了能耗診斷試驗。

3 熱耗率

以試驗3VWO工況與設計THA工況進行對比分析，3VWO工況試驗結果見表 1。計算結果中額定參數下的熱耗率，是對試驗結果僅進行參數修正后的數據，反映了包括汽輪機及其熱力系統在內的整個汽輪機組的性能；而經完整的系統修正、參數修正后（一、二類修正后）的熱耗率則表征了汽輪機本體的經濟性。

3VWO工況下，經一、二類修正后汽輪機熱耗率為8159.98kJ/kWh，比設計值7564.00kJ/kWh高595.98kJ/kWh；額定參數下熱耗率為8197.30 kJ/kWh，比設計值高633.3 kJ/kWh。

機組熱耗率與電功率關系曲線見圖 1。圖中設計值按照制造廠提供的熱平衡圖繪制。試驗低負荷工況均為滑壓運行，未進行主蒸汽壓力修正。由圖可以看出，一二類修正后熱耗率較設計值平均高約550kJ/kWh，熱耗率隨負荷降低而升高，高負荷區域升高的幅度比設計值略高，低負荷區域升高的幅度比設計值略低。

對參數修正量的數據見表2，主要的參數修正源于凝汽器壓力，其中凝汽器壓力主要受循環水溫和凝汽器本身傳熱特性影響。

4 缸效率

汽輪機缸效率直接反映了通流部分的狀態，是反映級組性能的重要指標。高、中壓缸效率的測量也較簡單而直接，低壓缸效率根據熱平衡計算得到，受熱力系統泄漏的影響較大。機組各缸效率見表 3。

根據試驗數據分析可見：

1） 高壓缸效率

a） 由于高壓缸效率受閥位影響大，故對比高壓缸效率必須在相同閥位的條件下進行，VWO工況完全排除了調門節流影響，是重點對比的工況；

b） VWO工況高壓缸效率為83.23%，比VWO設計值88.35%低5.12個百分點； 3VWO工況高壓缸效率為82.24%，比設計值86.73%低4.49個百分點；上述兩個閥點工況表征了高壓缸效率下降的幅度。

c） 圖 2給出高壓缸效率隨電功率的變化關系曲線，隨著電功率的降低，高壓缸效率也逐步降低，這主要受高壓缸調節閥閥位的影響；各工況高壓缸效率試驗值均比設計值低4個百分點以上。

2） 中壓缸效率

a）試驗計算名義中壓缸效率，3VWO和VWO工況下分別比設計值偏低0.55和0.87個百分點；3VWO工況中壓缸實際效率為90.51%，比設計值低2.41個百分點；

b） 圖 3 中壓缸效率曲線給出中壓缸效率隨電功率變化關系曲線，可以看出中壓缸效率基本不隨電功率的變化而變化。根據汽輪機通常的缸效率規律，若無設備嚴重損壞，中壓缸效率達到設計值得可能性較大；

c） 可結合大修中的解體檢查，進一步確認中壓缸效率的實際情況，若無汽封間隙嚴重超標，則對中壓缸汽封改造的效益宜保守估計。

3） 低壓缸效率

a） 低壓缸效率不能直接測量，而是根據熱平衡計算，試驗中的所有誤差最終累計為低壓缸效率的計算誤差，因此試驗測量的低壓缸效率只能作為決策的參考；

b） 試驗計算低壓缸效率，3VWO和VWO工況下分別比設計值偏低14.02和12.69個百分點；修正到設計排汽容積流量后，3VWO和VWO工況下修正后低壓缸效率分別比設計值偏低14.02和12.69個百分點13.72和12.53個百分點；

c） 考慮熱力系統泄漏會造成低壓缸效率計算偏低，結合其它機組改造經驗分析，低壓缸效率的試驗值大致反映低壓缸的實際情況。

4）同類型機組普遍存在缸效率偏低的情況，且通過通流汽封間隙的調整可有效地提高缸效率，進而提高機組的經濟性。

a）汽輪機通流部分的基本原理指出，越是壓力高的級組汽封漏汽量對級效率的影響越大，因此高壓缸的汽封治理尤為重要；

b）經驗表明，高壓缸效率的降低受調節級效率降低的影響較大，綜合影響因素多，通過汽封改造可提高缸效率，但達到設計效率難度較大；

c）低壓缸設計作功份額大，提高低壓缸效率對經濟性的影響更明顯；

d）各汽缸均為沖動式設計，隔板差壓較大，隔板汽封的汽封間隙的影響影響較大。

5 軸封系統

THA工況下設計高、中壓缸間漏汽量為28.452t/h，漏汽率為2.02%。試驗結果漏汽率為3.76%，比設計值大1.74個百分點，計算3VWO工況下漏汽量為58.249t/h。中壓缸實際效率3.76%，比設計值低0.79個百分點。

高、中壓缸之間軸封漏汽量試驗的結果見表 4和圖 5。高、中壓合缸處的軸封漏汽量占再熱蒸汽流量的3.76%，比設計值（2.02%）偏大1.74個百分點。計算中壓缸實際效率比名義效率偏低1.86個百分點。

由于試驗中BDV閥存在泄漏，實際由高壓缸漏出的流量應大于此試驗值。同時考慮到機組設計有中壓缸冷卻蒸汽，上述高壓缸漏出的流量應包含軸封的漏汽量與中壓缸冷卻蒸汽流量。考慮以上兩個因素，試驗結果不能認為是通過軸封的實際漏汽量。

診斷試驗過程中，軸封母管壓力維持在30kPa（表壓）左右，同時發現在570MW負荷以下不能實現自密封。試驗中其它軸封漏量未能測量，但可同過軸加溫升簡單定性判定。3VWO工況時，軸封溢流閥開度為5.85%，軸加溫升為0.51℃，比設計值0.6℃略低，表明軸端汽封漏汽量數量級基本與設計值。

6 改造部位的確定

（1）高壓缸部分：汽輪機通流部分的基本原理指出，越是壓力高的級組汽封漏汽量對級效率的影響越大，高壓缸的汽封治理尤為重要。鑒于1號機組高壓缸效率比較低，建議對高壓缸調節級及第2-7壓力級隔板汽封及葉頂汽封進行全面升級改造；或者根據揭缸后汽封檢查結果，進行部分汽封升級改造和汽封間隙調整。

（2）中壓缸部分：性能試驗結果表明：中壓缸運行效率與設計值偏差較小。考慮到1號機組中壓缸效率與設計值偏差較小，建議對中壓缸隔板進行全面升級改造，對于動葉葉頂汽封，可根據揭缸后汽封檢查情況，進行汽封間隙調整或者部分汽封升級改造。

（3）低壓缸部分：低壓缸設計作功份額大，提高低壓缸效率對經濟性的影響更明顯。性能試驗結果表明：低壓缸效率顯著低于設計值，較設計值低13.89%。因此，建議采用新型先進汽封對低壓缸隔板及動葉葉頂汽封進行升級改造。此處特別推薦在AB低壓缸正反5-7級（末三級）使用蜂窩汽封，以利用蜂窩汽封的除濕特點，減少濕蒸汽對動葉的沖蝕。

（4）軸封部分：建議采用新型先進汽封（如自調整汽封）對高中壓缸平衡盤汽封進行升級改造。對于其他軸端汽封，從自密封系統的運行以及軸封加熱器的運行狀況推斷：機組軸端泄漏量處于良好的狀態，因此可根據揭缸后檢查情況，對其他軸端汽封進行部分汽封升級改造或者汽封間隙調整。

7 預期效果

根據對汽輪機性能的分析，保守估計汽封改造后取得的效果見表 5。預計改造后可降低熱耗率77.7kJ/kWh左右，約相當于降低煤耗率2.91g/kWh左右。

從長期效果看，新型式的汽封可在較長時期內保持機組具有較高的經濟性水平。在一個大修期內，汽輪機性能下降的速度將大大減緩。

對于600MW機組，按發電煤耗率降低2.91g/kWh，年運行5500小時，負荷率80.0%計算，年可節約標煤約7664噸；按標煤價格800元/噸計算，年節約燃煤成本約613.2萬元。

表 6給出了汽封改造方案的經濟性收益預估。由表中可以看出，即便改造費用達到700萬元，也可在1.1年（13個月）左右收回投資。

8 結束語

綜上所述，機組汽輪機汽封改造方案在技術上是可行的，并且通過汽封改造可以有效改善機組的經濟性運行狀況，具有較好的經濟收益。因此，可以通過汽封改造實現節能降耗、提高機組運行經濟性的目標。

參考文獻

[1]廣東紅海灣發電有限公司600MW超臨界機組集控運行規程.

[2]廣東紅海灣發電有限公司 1號機組節能診斷試驗結果報告.