汽輪機(jī)本體綜合升級改造及其節(jié)能效果研究

劉中祥

（江蘇淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇淮安 223001）

0 引言

自然界中能夠產(chǎn)生能量的資源稱為能源，電力工業(yè)是能源轉(zhuǎn)化的工業(yè)，在傳統(tǒng)電站中，汽輪機(jī)扮演了能源轉(zhuǎn)化的一個(gè)環(huán)節(jié)，將鍋爐產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸送給發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能。水蒸汽是鍋爐產(chǎn)生熱能的載體，也是汽輪機(jī)工作的工質(zhì)。水蒸汽通過汽輪機(jī)調(diào)門的分配，進(jìn)入汽輪機(jī)噴嘴、動(dòng)（靜）葉中膨脹做功。就汽輪機(jī)本體而言，主要組成部分有汽缸、噴嘴、轉(zhuǎn)子和動(dòng)（靜）葉（見圖1）。

圖1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)火力發(fā)電廠中，汽輪機(jī)本體的升級改造主要是汽輪機(jī)高壓噴嘴的優(yōu)化選型以及本體汽封的型式改變、徑向間隙調(diào)整。下面以淮陰電廠汽輪機(jī)本體升級改造為例來分析噴嘴、汽封改造的應(yīng)用。

淮陰電廠#3、4 汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的高中壓合缸、單軸、中間一次再熱的抽汽凝汽型汽輪機(jī)，單機(jī)容量330MW。

1 噴嘴優(yōu)化改造

淮陰電廠#3、4 機(jī)組由于制造、安裝、長期運(yùn)行等方面原因，汽輪機(jī)存在調(diào)節(jié)級實(shí)際效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的問題。熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明額定工況下實(shí)測效率僅有40%～50%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值64%～72%。調(diào)節(jié)級效率過低導(dǎo)致高壓缸效率顯著降低，影響機(jī)組出力。

1.1 現(xiàn)運(yùn)行的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)及存在的主要問題

（1）運(yùn)行一段時(shí)間后，噴嘴汽道存在不同程度的磨損，出汽邊尤為嚴(yán)重。此外，在設(shè)計(jì)方面，調(diào)節(jié)級設(shè)計(jì)汽封齒數(shù)少，僅有2 道，間隙大，一方面增加了蒸汽的泄漏量，另一方面，泄漏的蒸汽以不正確的方向進(jìn)入調(diào)節(jié)級動(dòng)葉，對主要工作蒸汽的流向產(chǎn)生一定程度的干擾。

（2）汽輪機(jī)噴嘴組設(shè)計(jì)流通面積偏大，計(jì)算后其流通能力遠(yuǎn)大于配套鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量。當(dāng)汽輪機(jī)在高真空或低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，由于噴嘴組的流通面積過大，若提高主汽壓力則調(diào)門開度需要降低，增加了節(jié)流損失，若降低主汽壓力使得調(diào)門開度增大，則蒸汽參數(shù)降低，汽輪機(jī)循環(huán)效率下降。

因此汽輪機(jī)長期處于偏離設(shè)計(jì)效率最高點(diǎn)運(yùn)行，汽輪機(jī)整體效率達(dá)不到理想點(diǎn)。這也是300MW 汽輪機(jī)普遍存在的現(xiàn)象，汽輪機(jī)通流部分節(jié)能仍有較大的空間。

1.2 應(yīng)對措施

（1）優(yōu)化噴嘴組葉片型及子午面收縮型線。汽輪機(jī)噴嘴組汽道型線設(shè)計(jì)制造相對粗糙，通過優(yōu)化噴嘴組葉片型線，改善調(diào)節(jié)級動(dòng)、靜葉片的汽動(dòng)載荷分布，減少葉柵通道的二次流損失（見圖2）。通過優(yōu)化子午面收縮型線及通道收縮比，降低靜葉通道前段的負(fù)荷，減少葉柵的二次流損失（見圖3）。

國內(nèi)市場：據(jù)協(xié)會(huì)監(jiān)測的24個(gè)省份數(shù)據(jù)顯示，中國磷酸二銨批發(fā)價(jià)格周環(huán)比總體穩(wěn)定，局部漲跌互現(xiàn)。其中，河南、湖北、新疆3省價(jià)格分別上漲67.5元/噸、29.7元/噸、6.3元/噸；山西、甘肅兩省價(jià)格分別下跌78.7元/噸、50元/噸。中國磷酸二銨零售價(jià)格周環(huán)比持穩(wěn)，局部價(jià)格上漲。其中，安徽、河南、湖北3省價(jià)格分別上漲50元/噸、10元/噸、25元/噸；山西、四川、甘肅3省價(jià)格分別下跌 98元/噸、16.7元/噸、50元/噸。

（2）減少級間的漏汽量。通過增加葉頂汽封齒的數(shù)量，由原先的2 道增加到4 道，同時(shí)減少徑向間隙，能夠降低漏入汽缸內(nèi)的蒸汽量。在噴嘴組水平中分面上增加門型密封鍵，減少噴嘴組中分面處弧段間的漏汽損失。

圖2 噴嘴組葉片型線優(yōu)化

圖3 噴嘴組葉片子午面型線優(yōu)化

（3）適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積。適當(dāng)縮小噴嘴組出口面積，減少調(diào)門的節(jié)流損失，能夠顯著提高機(jī)組效率。配備鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，設(shè)計(jì)合理的噴嘴組流通面積，即可確保機(jī)組出力，又可以提高機(jī)組的整體經(jīng)濟(jì)性。

2 汽封改造

汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)械，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)噴嘴后，在隨后的葉片間做功，以噴射動(dòng)力和膨脹做功推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。汽輪機(jī)內(nèi)葉片有動(dòng)葉和靜葉之分，無論是動(dòng)葉還是靜葉，其旋轉(zhuǎn)與靜止部分都存在一定的間隙，汽封的作用就是安裝在這間隙內(nèi)，用來減少未做功蒸汽漏入下一級腔室內(nèi)。汽封根據(jù)安裝位置不同，可分為通流部分汽封、隔板汽封、軸端汽封。反動(dòng)式汽輪機(jī)還裝有高、中壓平衡環(huán)汽封和低壓平衡環(huán)汽封。

傳統(tǒng)的汽封為傳統(tǒng)的迷宮式汽封、采用高低齒迷宮式結(jié)構(gòu)，利用許多次依次排列的汽封齒與軸之間的間隙，形成蒸汽腔室，使高壓蒸汽在這些汽室中依次節(jié)流降低壓力，達(dá)到減少蒸泄漏的目的（見圖4）。傳統(tǒng)迷宮式汽封的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低廉，安裝方便、應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是間隙運(yùn)行中不可調(diào)，啟停期間易發(fā)生摩擦。

淮陰電廠#3、4 汽輪機(jī)原設(shè)計(jì)的汽封均為傳統(tǒng)迷宮式汽封，在多年使用后已老化，汽輪機(jī)多次啟停導(dǎo)致汽封的徑向間隙增大。在#3 汽輪機(jī)在大修時(shí)，還發(fā)現(xiàn)高壓進(jìn)汽平衡環(huán)處2 道汽封傾倒，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

目前新型汽封有很多，應(yīng)用也有很多。常用的新型汽封有：布萊登汽封；蜂窩汽封；刷式汽封；側(cè)齒汽封。其優(yōu)劣性各有不同。

圖4 傳統(tǒng)汽封

2.1 布萊登汽封

布萊登汽封取消了傳統(tǒng)汽封背部的板彈簧，在汽封弧段端面間安裝四支螺旋彈簧，并且在每一個(gè)汽封弧段的背部進(jìn)汽側(cè)中間位置銑出一個(gè)進(jìn)汽槽，以讓上游來的蒸汽進(jìn)入汽封弧段背面，為保證汽封在關(guān)閉、打開的過程中不出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，增大了汽封弧塊“脖頸”與汽封槽道處的間隙（見圖5）。

圖5 自由狀態(tài)下的布萊登汽封

布萊登汽封的設(shè)計(jì)理念以傳統(tǒng)梳齒型汽封為基礎(chǔ)，因此仍然保留了傳統(tǒng)汽封可靠性高的特點(diǎn)，主要是取消了傳統(tǒng)汽封背弧的板彈簧，而在原汽封塊與汽封塊之間增加了螺旋彈簧，汽封塊受到端面彈簧力作用，在機(jī)組啟動(dòng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于蒸汽的壓力還不足以使汽封塊閉合，此時(shí)汽封塊的運(yùn)行間隙較大，保證了汽封塊不會(huì)與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，而過臨界轉(zhuǎn)速后，隨著蒸汽參數(shù)和流量的逐步升高，設(shè)計(jì)計(jì)算約在3%流量時(shí)汽封塊將逐漸開始閉合，直至30%流量時(shí)才會(huì)完全閉合，從而保證了機(jī)組啟動(dòng)過程中的安全性，大大減少了轉(zhuǎn)子與汽封發(fā)生碰磨后發(fā)生振動(dòng)導(dǎo)致停機(jī)盤車的情況。

圖6 壓力分布圖

2.2 蜂窩汽封

WZFW-蜂窩式汽封是由哈斯特鎳基耐高溫合金防銹金屬薄板(Hastelloy-x)制成像蜜蜂巢一樣的正六邊形孔狀結(jié)構(gòu)。采用真空釬焊技術(shù)將蜂窩孔帶焊接在汽封環(huán)母體上而形成FW-蜂窩式密封（見圖7）。

蜂窩汽封有以下幾個(gè)特點(diǎn)，（1）由于蜂窩式密封的特殊結(jié)構(gòu)模式和質(zhì)地軟的特性，蜂窩式密封不會(huì)傷及所接觸的軸徑表面，對軸起到良好的保護(hù)作用。（2）正是由于蜂窩帶的較軟特性，蜂窩式密封的安裝間隙可以取原標(biāo)準(zhǔn)間隙的下限，密封間隙小，密封效果佳。（3）蜂窩式密封的蜂窩帶對應(yīng)的是軸上的凸臺(tái)，是轉(zhuǎn)子直徑較大處，即使碰擦也不會(huì)造成大軸彎曲變形，因而安全性能極佳。

圖7 WZFW-蜂窩式汽封

2.3 刷式汽封

刷式汽封脫胎于航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，1955 年GE 公司在J-47航空發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了刷封試驗(yàn)。刷式汽封由前面板、背板和夾在2 者之間的高密度高溫合金絲組成的刷絲組成，刷絲是特種高溫金屬，可承受的線速度超過305m/s，耐溫可達(dá)690℃以上。刷毛在汽流作用下產(chǎn)生各種流動(dòng)（紊流）狀態(tài)消耗了汽（氣）體的能量，降低了汽（氣）體的溫度和壓力，從而減少了汽（氣）體的泄漏量。刷絲沿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向有一定傾角，能適應(yīng)轉(zhuǎn)子的瞬間偏心而靈活快速地退讓。刷封基本是一種接觸式汽封，理論上可以做到零間隙甚至負(fù)間隙密封（見圖8）。

圖8 刷式密封的結(jié)構(gòu)

在汽封使用方面，各已使用刷式汽封的電廠仍有一個(gè)顧慮，由于刷式汽封是接觸式汽封且刷絲較硬，可能會(huì)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶來非正常磨損，而73C 型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的表面卻并未噴涂硬質(zhì)涂層，且硬質(zhì)涂層工藝復(fù)雜，一旦脫落對機(jī)組的安全運(yùn)行將會(huì)造成威脅，因此相對而言，目前刷式汽封在國內(nèi)電廠300MW 汽輪機(jī)上使用相對較少。

2.4 側(cè)齒汽封

蒸汽汽流通過側(cè)齒汽封的密封齒進(jìn)入腔室形成強(qiáng)烈的漩渦，大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，被腔室中的汽流吸收而升溫，焓值不變，只有小部分動(dòng)能仍以余速進(jìn)入下一間隙，腔室越大，密封效果越好。由于流體通過迷宮縫口，會(huì)因慣性的影響而產(chǎn)生收縮，流束截面變小，流束因此而產(chǎn)生能量消耗，同樣寬度的縫隙，縫口的形狀越尖，流過的流體越少。流體沿流道的沿程摩阻和局部摩阻構(gòu)成摩阻效應(yīng)，一般是：流道長、拐彎急、齒頂尖時(shí)，阻力大，壓差損失顯著，泄漏量減小，流道表面越粗糙，密封效果越好。

由于側(cè)齒汽封是在傳統(tǒng)梳齒汽封中演變過來，它只是在原梳齒汽封的軸向增加了長短不一的側(cè)齒，且這個(gè)側(cè)齒是與汽封一體加工，通過數(shù)控車床車出來，所以在機(jī)組正常運(yùn)行中可不用擔(dān)心汽輪機(jī)側(cè)齒汽封損壞或脫落。

長期以來，各種不同型式的汽封在汽輪中的應(yīng)用實(shí)踐表明：（1）如何用用好或改造好現(xiàn)有的汽封系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程；（2）合適的密封間隙是汽封系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵；（3）選擇適用的汽封型式必須綜合考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性；（4）汽封系統(tǒng)應(yīng)用效果的評價(jià)應(yīng)綜合分析各種影響因素。

盡管對各種新型汽封的優(yōu)點(diǎn)顯著，均取得了良好的改造業(yè)績，但仍需以汽輪機(jī)安全為主要方面，盡可能的發(fā)揮出新型汽封的長處。對于布萊登汽封，其優(yōu)秀的隨機(jī)組轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整徑向間隙的性能是壓力較大處汽封的首選，但其彈簧長期在高溫下不可能一直保持穩(wěn)定的工作性能，極有可能失效導(dǎo)致停機(jī)時(shí)彈簧未做調(diào)整導(dǎo)致汽封齒傾倒，因此不可完全改用此類汽封。而蜂窩汽封做為新型汽封中應(yīng)用最為廣泛的汽封之一，其在較大間隙下也能保持良好的密封性能是汽輪機(jī)中低壓部分汽封的首選。

因此，淮陰電廠確定了#3、4 機(jī)組通流部分汽封改造以高中壓平衡環(huán)汽封改為布萊登汽封、低壓部分改為封窩汽封，以設(shè)計(jì)低限值為基準(zhǔn)調(diào)整各汽封的間隙，3 方面相結(jié)合的汽封改造模式。

3 改造過程中的關(guān)注點(diǎn)

噴嘴優(yōu)化改造，是以在制造單位裝配為主，改造現(xiàn)場安裝調(diào)整間隙為輔。大量工作集中在制造單位，噴嘴室的運(yùn)輸、噴嘴的拆裝及安裝后處理均是較為耗時(shí)的工序，而在改造現(xiàn)場的工作是噴嘴室的吊裝和噴嘴葉頂、葉根阻汽片間隙的調(diào)整，工作量相對較少。因此，噴嘴優(yōu)化改造的關(guān)注點(diǎn)集中在改造前期準(zhǔn)備和組裝過程監(jiān)督上。

汽封改造的實(shí)施過程全部在改造現(xiàn)場，因此改造過程監(jiān)督、驗(yàn)收均是值得關(guān)注的地方。在汽封改造的安裝過程中，驗(yàn)收新配汽封的質(zhì)量后，需先核對各汽封的位置及安裝標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)無誤后清理汽封體滑道，在安裝汽封前一定要把鐵銹清理干凈，可用鋼絲刷和砂紙把鐵銹清除，銹蝕嚴(yán)重的要用角磨機(jī)清理。

試裝汽封塊背弧頸寬：在不裝彈簧的情況下，將蜂窩汽封塊放于汽封體溝槽內(nèi)，應(yīng)能自由滑動(dòng)。絕不允許將裝配過緊的汽封塊強(qiáng)行打入汽封體槽內(nèi)。

試彈簧彈力：將彈簧與蜂窩汽封合裝在一起放入滑道，用手將汽封塊壓下，松手后又能很快復(fù)位，并能聽到清脆的“嗒”聲即好。彈簧彈力不足時(shí)，必須更換彈簧片。切不要采用將彈簧片用手彎曲以圖恢復(fù)其彈性的方法。試裝完畢后，檢查汽封梳齒有無輕微彎曲，如有則用平口鉗子扳直。

表1 #4 汽輪機(jī)改造前后通流各級監(jiān)視段試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的對比

表2 #3 汽輪機(jī)改造前后汽缸效率與設(shè)計(jì)值的對比

汽封安裝后，用傳統(tǒng)貼膠布法和壓鉛絲法2 種方案來驗(yàn)收徑向間隙。用貼膠布法時(shí)，需注意膠布不可超過3 層，否則檢測精度將降低。汽封安裝調(diào)整過程中，應(yīng)遵循的一個(gè)準(zhǔn)則是：各處間隙一定要符合間隙標(biāo)準(zhǔn)，并且一定要平滑過渡。

若無論怎樣增加墊片，徑向間隙沒有變化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是：（1）汽封套變形，汽封環(huán)上的背弧抵住了汽封套；（2）膨脹間隙是正值時(shí)上下半汽封環(huán)同時(shí)壓徑向間隙（這個(gè)方法是錯(cuò)誤的），那么所得徑向間隙就大于實(shí)際值。

若膨脹間隙大于標(biāo)準(zhǔn)值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是：（1）每段汽封塊兩端間隙調(diào)整不均；（2）汽封塊徑向間隙大，可適當(dāng)減小。

4 改造效果

汽輪機(jī)本體噴嘴、汽封改造后，現(xiàn)出的效果主要集中在各監(jiān)視段的溫度、壓力等參數(shù)的變化上，具體衡量以供電煤耗的增減量為主（見表1）。

從改造后的運(yùn)行參數(shù)來看，汽輪機(jī)本體升級改造效果明顯，在相近負(fù)荷下，改造后主汽流量降低、各抽汽級溫度均有下降。可見汽輪機(jī)的效率有較大提升。

從另一方面來看，淮陰電廠#3 汽輪機(jī)噴嘴、汽封改造后的機(jī)組性能試驗(yàn)得到的參數(shù)均比改造前更貼近設(shè)計(jì)值。

熱耗情況：額定工況下，2 個(gè)試驗(yàn)工況修正后的熱耗率平均值為8177.270 kJ/（kW·h），與綜合升級改造前試驗(yàn)經(jīng)修正后的熱耗率8246.853kJ/（kW·h）相比較，降低69.583 kJ/（kW·h），折算降低供電煤耗約2.9g/（kW·h）。

高、中壓缸缸效：在300MW 工況下，2 次試驗(yàn)測得的高壓缸效率分別為81.003%和81.131%，平均值為81.067%，比改造前提高2.089%；實(shí)測中壓缸效率分別為89.751%和89.145%，平均值為89.045%，比改造前提高2.565%（見表2）。

經(jīng)濟(jì)效益：本次#4A 級檢修中綜合升級改造項(xiàng)目完成，從機(jī)組啟動(dòng)后的各項(xiàng)指標(biāo)來看，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。就汽輪機(jī)側(cè)指標(biāo)而言，改造后汽輪機(jī)熱耗為8177.27kj/（kW·h），比改造前下降69.583kj/（kW·h），約降低供電煤耗2.8g/（kW·h）。年降低生產(chǎn)成本約330.6 萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)本體部分的噴嘴、汽封優(yōu)化升級改造，在國內(nèi)傳統(tǒng)電站中都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。300MW 暨汽輪機(jī)做為當(dāng)前國內(nèi)主力機(jī)型，在優(yōu)化升級改造后得到經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，還降低了環(huán)境污染，是值得推廣的先進(jìn)技術(shù)。在新一代汽輪機(jī)的研發(fā)中，新型噴嘴、汽封都有應(yīng)用。合理使用新型技術(shù)將改變已服役機(jī)組的狀態(tài)，使其煥發(fā)出新的活力，更好地響應(yīng)節(jié)能減排政策。