新型汽封技術(shù)在熱電汽輪機(jī)組節(jié)能改造中的應(yīng)用

傅曉峰

(浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000)

1 背景介紹

《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》要求，到2020年，現(xiàn)役燃煤抽凝發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗必須低于305 g/(kW·h)。浙江巨化熱電有限公司(以下簡(jiǎn)稱“巨化熱電”)9#汽輪機(jī)組供電煤耗均高于同類型機(jī)組平均水平5 g/(kW·h)，應(yīng)加快實(shí)施節(jié)能改造。探索新型節(jié)能汽封技術(shù)在汽輪機(jī)組的研究和應(yīng)用，對(duì)降低燃煤機(jī)組供電煤耗具有重要意義。

2 能耗狀況

2.1 現(xiàn)行國(guó)家能耗標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)役抽凝機(jī)組：供電煤耗 305 g/(kW·h), 綜合供熱煤耗 42.5 kg/GJ。

2.2 巨化熱電9#機(jī)組能耗狀況

巨化熱電2005年投產(chǎn)的9#機(jī)組，是由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式、中間再熱135 MW汽輪機(jī)組，型號(hào)N135-13.24/535/535，額定主蒸汽壓力13.24 MPa，額定主蒸汽溫度535 ℃。

根據(jù)該機(jī)組2006年竣工測(cè)試報(bào)告，高壓缸缸效較設(shè)計(jì)值低3%(見表1)。

表1 9#機(jī)組發(fā)電熱耗測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of heat consumption in power generation of 9# unit

該機(jī)組運(yùn)行至今已經(jīng)接近13年，并且在歷年大修中沒(méi)有對(duì)高中壓缸缸內(nèi)通流間隙與密封件進(jìn)行較為徹底的改造，加之機(jī)組還是使用較為傳統(tǒng)的梳齒式密封器件，根據(jù)國(guó)內(nèi)機(jī)組汽封連續(xù)運(yùn)行損耗曲線平均值估計(jì)，真實(shí)高壓缸缸效較設(shè)計(jì)值低5%，真實(shí)中壓缸缸效較設(shè)計(jì)值低3%。

2.3 9#機(jī)缸效降低的主要原因

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，9#機(jī)缸效降低的主要原因如下:①高中壓缸內(nèi)通流間隙較大，導(dǎo)致高壓缸缸效降低;②高中壓過(guò)橋(持環(huán))部位汽封密封效果嚴(yán)重降低，導(dǎo)致高壓缸缸效嚴(yán)重下降，中壓缸缸效虛高，經(jīng)測(cè)算，高中壓過(guò)橋部位泄漏率在11%左右;③高中壓缸轉(zhuǎn)子葉片、隔板噴嘴可能積垢嚴(yán)重，導(dǎo)致通流阻力增大。

3 改造方案及實(shí)施情況

3.1 改造方案

3.1.1 原汽封的工作原理

現(xiàn)代汽輪機(jī)最常見的汽封是高低齒型梳齒式汽封，是非接觸動(dòng)靜密封件的典型。它由許多高低齒尖和兩齒間的環(huán)形汽室組成。汽封的腔室越大，密封效果越好(熱力學(xué)效應(yīng))；流道表面越粗糙，密封效果越好(摩阻效應(yīng))。但一般設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)汽封安裝的空間狹小，且這種簡(jiǎn)單的齒形結(jié)構(gòu)雖然方便機(jī)加工，可表面過(guò)于光滑，透氣效應(yīng)較強(qiáng)。在一般直通迷宮中，由于通過(guò)縫口后的氣流只能向一側(cè)擴(kuò)散，在膨脹腔室內(nèi)不能充分進(jìn)行動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)換，而靠光滑壁一側(cè)的汽流速度不減小或略微減小，就直接越過(guò)各齒頂流向低壓側(cè)，存在負(fù)效應(yīng)。

3.1.2 腔體擴(kuò)容

為了使氣體更好的擴(kuò)容耗散，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下增加汽封腔體的容積(見圖1[1]、圖2)。

由于受到渦流腔室出口低壓的影響， 汽流被強(qiáng)制牽引入渦流腔室入口。圖1 常規(guī)梳齒式汽封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of common comb-shaped steam seal

渦流腔室汽流出口, 由于低壓區(qū)作用,汽流被強(qiáng)制牽引出。圖2 擴(kuò)容后的梳齒式汽封汽流矢量圖Fig.2 Steam flow vector of expanded comb-shaped steam seal

擴(kuò)容擾流式汽封與常規(guī)梳齒汽封蒸汽接觸面積比較：按汽封360 mm長(zhǎng)度計(jì)算，擴(kuò)容擾流式汽封高低齒單個(gè)渦流槽流體接觸面積為2.2萬(wàn)mm2，而梳齒汽封高低齒單個(gè)槽流體接觸面積為0.75萬(wàn)mm2。擴(kuò)容擾流式汽封流體接觸面積接近梳齒汽封的3倍，因此，當(dāng)蒸汽流經(jīng)汽封體時(shí)，擴(kuò)容擾流式汽封比梳齒汽封給予蒸汽更大的剪切應(yīng)力。

3.1.3 增加熱耗散

為了降低汽流流速，增加汽流阻力，在腔體內(nèi)增加了較多擾流小齒(見圖3)，消耗高速汽流由于慣性沖入腔體內(nèi)的汽流動(dòng)能，使汽流在渦流腔體內(nèi)進(jìn)行充分熱耗散。在腔體中的小齒形成30°的傾斜角，增加阻汽率。

圖3 腔體內(nèi)增加了較多擾流小齒的示意圖Fig.3 Diagram of a lot of disturbing teeth added in cavity

3.1.4 降低透氣效應(yīng)

增加小齒后，渦腔阻力增大，又會(huì)使透氣效應(yīng)增強(qiáng)，因此利用進(jìn)氣口流速高、壓力低的伯努力效應(yīng)，迫使腔體內(nèi)的氣體加速流動(dòng)，形成渦腔的降壓效果(見圖4)，促使渦腔內(nèi)已經(jīng)熱耗散的汽流流出擾流腔體。

圖4 形成渦腔的降壓效果示意圖Fig.4 Effect diagram of pressure drop due to vortex chamber formation

3.1.5 利用汽流對(duì)流產(chǎn)生抵消效果

由于流出渦流腔室內(nèi)的汽流，通過(guò)了渦腔的熱耗散，使汽流密度增加，溫度降低。噴流出的汽流與高齒的進(jìn)汽流形成90°夾角對(duì)沖(見圖5),進(jìn)一步增加了進(jìn)汽的阻力(見圖6)。

圖5 噴流出的汽流與高齒的進(jìn)汽流形成90°夾角示意圖Fig.5 Diagram of 90°angle between the steam sprayed out and the steam feeding into high teeth

圖6 動(dòng)能等值線示意圖Fig.6 Kinetic energy contours

3.1.6 改為傾斜齒，使阻汽最大化

直齒α=0°對(duì)應(yīng)的泄漏系數(shù)明顯大于梳齒傾斜角度為α=30°和 45°對(duì)應(yīng)值。這是因?yàn)槭猃X面的傾斜使得處于擴(kuò)散狀態(tài)的射流在撞擊到下游的齒面時(shí)，會(huì)順勢(shì)沿著傾斜齒面流進(jìn)齒腔，相較于直齒，有更多的流體進(jìn)入齒腔，齒腔內(nèi)的旋渦擾流得到充分發(fā)展，擾流強(qiáng)度有所增加、流度增大，與射流區(qū)流體相互作用，使得射流與齒腔中的擾流質(zhì)量、能量交換增大，消耗流體動(dòng)能，增大了流動(dòng)阻力。另外，當(dāng)梳齒傾斜時(shí)，齒腔中流體與壁面的接觸面積增大，因此摩擦消耗的能量更多。說(shuō)明增大梳齒傾斜角度有利于減小泄漏系數(shù)，提高汽封嚴(yán)密性。

3.2 新汽封工作原理

(1)利用汽封腔體內(nèi)各位置的不同壓差，引導(dǎo)蒸汽流動(dòng)。

(2)利用擾流腔室與渦流內(nèi)的小齒的分割作用，渦流區(qū)耗散強(qiáng)度增加，汽封腔室中的湍流特性變得更加復(fù)雜，使蒸汽在渦流腔體內(nèi)消耗動(dòng)能。

(3)擾流腔體的出口與進(jìn)汽高齒成 90°夾角，使噴出氣體與從高齒進(jìn)入的蒸汽相互作用，達(dá)到增加流入蒸汽的阻力、減少進(jìn)汽量的目的。

綜上所述：擴(kuò)容擾流式汽封是利用其較為復(fù)雜的流體構(gòu)造來(lái)減緩蒸汽的流動(dòng)速度，又能達(dá)到降低汽封的透氣效應(yīng)的目的。

3.3 實(shí)施情況

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的尺寸，重新加工擴(kuò)容熱耗散擾流減壓汽封(10圈)，包括高中壓持環(huán)軸封7圈，壓隔板軸封3圈。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鑲嵌式汽封(阻汽片)的更換和調(diào)整，不用返廠就能進(jìn)行改造，保質(zhì)量，保工期。

(3)在軸系中心調(diào)整完畢后，進(jìn)行洼窩的測(cè)量，按測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)。

(4)在解體前，先用塞尺測(cè)量下缸左右側(cè)各級(jí)阻汽片的大致間隙值。

(5)用π尺測(cè)量各級(jí)阻汽片對(duì)應(yīng)的軸徑的精確尺寸，并逐級(jí)作好記錄。

(6)用卡尺測(cè)量修前各級(jí)阻汽片的直徑尺寸，記錄間隙的超標(biāo)值。

(7)調(diào)整修復(fù)。將上下內(nèi)缸調(diào)平，使結(jié)合面盡量保持水平；按軸系中心調(diào)整好后的洼窩數(shù)據(jù)安裝刮尺機(jī)，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子的漂移同時(shí)進(jìn)行修正。完成第一次修刮，將內(nèi)下缸回裝，吊入轉(zhuǎn)子，進(jìn)行第一次間隙測(cè)量；測(cè)量后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)再進(jìn)行修刮中心的微調(diào)，按給定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行第二次修刮。第二次修刮后，再次吊入測(cè)量，按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行自行檢驗(yàn)，對(duì)不符合要求的個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。最后根據(jù)下缸的數(shù)值進(jìn)行上缸間隙的調(diào)整。

4 效果對(duì)比

4.1 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

(1)高、中壓缸效率對(duì)比見表2。

表2 高、中壓缸效率對(duì)比Table 2 Comparison between efficiency of high pressure cylinder and that of intermediate pressure cylinder

(2)熱耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison between test data of heat consumption rate

(3)主參數(shù)修正量見表4。

表4 主參數(shù)修正量對(duì)比Table 4 Comparison between correction values of main parameters

(4)凝汽器性能分析見表5。

表5 凝汽器性能對(duì)比Table 5 Comparison between performances of condensers

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

汽封改造前，110 MW工況的試驗(yàn)熱耗9 228.7 kJ/(kW·h)，修正后為8 683.29 kJ /(kW·h)。節(jié)能汽封改造后，100 MW工況(因生產(chǎn)需要僅能近似達(dá)到同等負(fù)荷條件)的試驗(yàn)熱耗9 151.36 kJ/(kW·h)，修正后為8 613.26 kJ/(kW·h)。

改造后，一次開機(jī)成功。改造后漏汽率保證值為7.4%，預(yù)期值為6.5%。經(jīng)對(duì)照試驗(yàn)測(cè)算，實(shí)際降低熱耗 70 kJ/(kW·h)，相當(dāng)于降低2.28 g發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗/(kW·h)。

4.3 其他效益分析

改造后9#機(jī)第3、第4道軸瓦各方向振動(dòng)幅值均下降20～30 μm。原因可能是通流部分級(jí)間漏汽量減少，使得轉(zhuǎn)子膨脹更接近理論計(jì)算值，使運(yùn)行更平穩(wěn)，從而可以延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。

改造不需要對(duì)原汽缸汽封槽進(jìn)行加工，安裝方便，且改造后的汽封對(duì)安裝間隙的要求更低，阻汽效率保持更長(zhǎng)久，可節(jié)省后期的檢修費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)汽輪機(jī)在安裝或檢修時(shí)，技術(shù)人員為了避免汽封結(jié)構(gòu)上的缺陷，汽封的徑向間隙往往會(huì)被調(diào)整得大一些，以減少動(dòng)靜部件間的碰磨。但調(diào)大汽封徑向間隙會(huì)增加正常運(yùn)行機(jī)組的蒸汽漏汽量。雖減少了做工，但會(huì)降低機(jī)組的熱效率[2]。通過(guò)改造，在保持原有外形配合尺寸不變的情況下，利用現(xiàn)代加工技術(shù)增加側(cè)齒，并將部分直齒改造為傾斜齒，制造出兼容傳統(tǒng)高低齒的汽封，具有安裝方便、安全、高效的特點(diǎn)。而且因?yàn)椴皇峭耆揽縿?dòng)靜部分間隙來(lái)達(dá)到密封效果，對(duì)密封間隙要求不高，密封效果更持久。

改造后的汽封既保持傳統(tǒng)梳齒式汽封的安全與通用性，又具有較其他形式汽封更大的內(nèi)腔體積、更高的阻汽率的特點(diǎn)。此次汽封改造帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該汽封技術(shù)在熱電汽輪機(jī)組節(jié)能改造中可復(fù)制，可推廣。