新型汽封在国产机组的应用及经济性分析

新型汽封在国产机组的应用及经济性分析沈发荣1周留坤1王俊2李富云1（1.云南电力试验研究院（集团）有限公司云南昆明650217，2.云南华电昆明发电有限公司，云南昆明650308）摘要：本文针对国产300MW机组通流部分汽封及轴端汽封实施节能改造的分析和探讨，将汽轮机组原有的梳齿型汽封改为新型的“TK型侧齿迷宫汽封＋TK1型蜂窝迷宫汽封”，漏汽量大幅减少，高中低压缸效率和机组运行的经济性提高，对同类型汽轮机通流部分节能改造具有较好的借鉴意义。关键词：汽轮机通流部分汽封改造侧齿汽封蜂窝汽封节能分析经济效益中图分类号：文献标识码：文章编号：一、前言汽封是汽轮机关键零部件之一，其性能的优劣，不仅影响机组的经济性，而且影响机组可靠性，已越来越受到人们的关注。随着高参数、单机功率的不断提高以及机组频繁的调峰运行，汽封的经济性和安全性问题日益突出。近年来，随着汽轮机设计制造技术的不断提高以及国外先进技术的引进，已出现了新型的汽封结构型式，改善了汽封的性能，为机组的安全经济运行提供了新的保障。二、汽封的主要功能、结构和型式汽轮机正常运行时，在高中压缸的端部轴封及高中压缸中间汽封等处存在间隙，高压端或高压缸两端汽缸内的蒸汽会向外漏出，同时低压缸的两侧会有空气漏入汽缸中，汽轮机通流部分各级的隔板汽封和叶顶汽封会有蒸汽漏向下一级。这些漏汽损失的存在，将使机组热效率下降、发电能力降低、冷源损失增加，机组热耗上升，影响机组的经济运行。另外，高压汽封前端漏汽严重时会进入前轴承箱导致油中带水；漏入低压缸的空气过多，会使汽轮机的真空降低，并增大抽汽负荷，严重时影响机组安全运行。因此，汽封型式和质量的好坏直接关系到机组运行的经济性和安全性。国内汽轮机组上使用最多的是高低齿汽封、梳齿型汽封和普通迷宫汽封，近年来，随着科技进步和制造水平的提高，相继研制出TK型侧齿迷宫汽封、接触式汽封和TK1型蜂窝迷宫汽封，这些新型、高效、节能型汽封的面世，增强了汽轮机的密封效果，提高了机组运行的经济性。以一台300MW机组为例，对通流部分汽封和轴端汽封进行节能改造的经验，分析新型汽封对机组经济性的影响。汽轮机为N300—16.7/537/537—8型亚临界，中间再热、单轴双缸双排汽汽轮机，通流级数共27级，其中高压缸：1调节级＋8压力级；中压缸：6压力级；低压缸：2×6压力级。高压缸设计效率：85.64%，中压缸设计效率：91.51%，低压缸设计效率：89.83%。经过几年的运行，汽轮机各通流部分间隙逐渐变大，各缸的效率已经远远低于设计值。改造前机组热力试验结果表明：240MW负荷下，高压缸、中压缸、低压缸的实际效率偏离设计值2～4%；高中压缸中间轴封漏汽量达到21.266t/h；轴端漏汽大导致多余蒸汽经轴封母管溢流到凝结器中；机组修正后的热耗率高达8270.36kJ/kW.h；运行中真空严密性不稳定。经试验分析，汽封漏汽量偏高是影响机组汽缸效率低、机组热耗的主要因素，由于汽封（含轴封）采用传统的梳齿型汽封，这种结构的传统汽封存在着以下缺点：1）配合间隙不合理，运行中易卡涩；2）汽封材料选择不合理，一旦和转子发生摩擦，往往使转子损伤；3）带上负荷后，由于压差作用，汽封丧失退让性能；4）汽封齿型不好，封汽效果差。这些问题的存在，影响了机组的经济性。因此通过汽封改造，实现恢复或超越汽缸设计效率的目标，从而提高整台机组运行的经济水平，为节能降耗和机组竞价上网奠定坚实的基础。经过调查研究，借鉴国内部分电厂汽封改造的成功经验，在分析对比的基础上，采用了TK型侧齿迷宫汽封和TK1型蜂窝迷宫汽封，对汽轮机通流部分汽封和端部轴封实施重大技术改造。三、新型汽封的封汽机理与特点1）汽封漏汽量的影响因素分析：汽封漏汽的多少，直接影响到整个机组的热经济性。尤其高温高压蒸汽影响更大。如果漏汽量大，就会影响到机组出力。汽封漏汽量按下列公式计算：a）当5.185.012ZKPP，则漏汽量计算公式为:112221)(VPZPPgFGf（1）b）在超音速时，即5.185.012ZKPP，则漏汽量计算公式为:11)5.1(VZPgFGf（2）一般情况下，汽封都在亚音速。由公式可以看出，漏汽量与汽封漏汽面积成正比，即与汽封间隙成正比。2）TK型侧齿汽封的结构特点a、该型汽封采用高齿—低齿—更高齿—低齿结构，并在高齿和更高齿上带有不同数量的侧齿。因此，在相同长度的轴封段内，蒸汽泄漏时经过的轴封齿隙增加，路径复杂，漏汽量大幅度减少。b、侧齿汽封是在传统汽封的基础上采用数控电火花工艺使汽封的侧面具有许多细小的齿，蒸汽在侧齿迷宫腔内涡流动能转化热能更彻底，密封效果更显著。c、侧齿汽封是在原有的汽封外形尺寸的基础上进行设计，不改变原有外形尺寸，只改变迷宫的内部结构；安装调试方法与原汽封相同。d、同种材质、同种外形尺寸、不同内部结构的设计理念，一体化结构，安全可靠。e、采用节点结构设计，避免环向汽隙激振引发机组振动。图1普通汽封与侧齿迷宫汽封的腔内气流状态图2侧齿迷宫汽封3）蜂窝式汽封的结构特点a、蜂窝汽封是由0.05～0.1mm厚不锈钢金属薄板采用特殊加工手段加工成相应直径及深度的规整蜂窝带，然后用真空钎焊技术将蜂窝带钎焊在母体汽封环低齿区域的内表面，和汽封环组合在一起形成蜂窝汽封。蜂窝汽封阻止流体泄漏的机能包括强大的气旋效应、强烈的摩阻效应、高效阻透气效应、高效的流束收缩效应、较好的热力学效应、强大的吸附效应。b、这种汽封是根据蜂窝状阻汽原理设计的，蜂窝带是质地柔软的六边形蜂窝网格，具有可磨损的优点；该汽封主要用于自由叶片顶部汽封及轴向密封。封汽效果较好。其不足之处是易于结垢。c、蜂窝汽封的独特结构避免了流体激振的发生，有效防止蒸汽振荡，从而保证了机组的安全稳定运行。图3蜂窝汽封形状图4蜂窝汽封四、节能改造方案及实施1)汽封改造优化配置方案改造前，详细分析了汽轮机各部分汽封的特点、功能、要求及各种汽封圈的优缺点之后，从综合经济性和安全性角度出发，提出汽轮机通流部分和端部汽封改造的优化配置方案如下：a、汽轮机高压缸后轴封9圈,高中压缸间轴封9圈,中压缸后轴封8圈,高压缸隔板汽封9圈（其中2、3、4级为双圈汽封）,中压缸隔板汽封6圈，均采用TK侧齿迷宫汽封。汽封体材质为15CrMoA。b、低压端前后轴封共10级，低压隔板汽封正向１～6级、反向１～6级，全部采用TK1蜂窝迷宫汽封。汽封体材质为15CrMoA，六角型蜂窝带材质为美国进口镍基固熔强化高温合金。2）汽封改造的质量过程控制对汽封改造质量进行全过程监督，采取100％检查的方式，逐级核实安装工艺、安装间隙（齿轴之间径向间隙、整圈膨胀间隙、退让间隙等）是否符合厂家作业指导书的要求。根据作业现场条件，汽封左右间隙采用塞尺直观检查，上下间隙考虑开合缸修正值，采用贴胶布合缸检查的方法，将每道汽封的间隙控制在厂家要求的范围内：端部轴封安装间隙介于0.4～1.025mm之间，隔板汽封安装间隙介于0.4～1.15mm之间。五、汽封改造效果及节能分析1）汽机高中压缸中间汽封漏汽量比较：漏汽量测试在240MW负荷下进行，在额定汽温试验的基础上，分别进行低主汽温试验（降低29℃）和低再热汽温试验（降低22℃）。改造前240MW负荷下高中压缸中间汽封漏汽量是热再热蒸汽流量的3.4%。改造后240MW负荷下高中压缸中间汽封漏汽量是热再热蒸汽流量的0.996%；优于设计值的1.094%。改造后比修前高中压缸漏汽比率降低70.7%。经过汽封改造，高中压缸汽封漏汽量明显减小。交点对应的中压缸真实效率为92.79%。下图是改造后高中压缸中间汽封漏汽量曲线。高中压缸中间汽封漏汽量曲线89909192939401234567汽封漏汽量百分比，%中压缸效率，%低主汽温低再热汽温图4改造后高中压缸中间汽封漏汽量曲线2）改造前后轴封母管漏汽至凝汽器阀门开度：改造后240MW和210MW负荷时，高中压轴封漏汽较少，至凝汽器阀门关闭。180MW负荷及以下，高中压缸轴封漏汽就满足不了低压缸轴封密封用汽量，需要轴封联箱供汽至轴封母管，阀门开度为38.25%。所以轴封改造后，机组正常运行时轴封效果非常好。3）轴加进水温度：改造后，轴加温升比修前减小1～1.5℃，进入轴加的轴封漏汽量较小，这也说明轴封改造效果很好。4)排汽压力:改造后汽轮机排汽压力比改造前降低大于1kPa。主要原因有以下几个方面：(1)经过改造轴封密封效果好，机组漏汽量减小。(2)机组在大修期间更换或者研磨了泄漏阀门，漏入凝汽器的蒸汽减少。5）高、中压缸效率：改造后高压缸效率比改前提高一个百分点左右。改造后中压缸效率为92.79%，比改前提高1.34％。6）汽封改造对机组发电煤耗的影响汽机端部轴封和通流部分汽封改造后，漏汽量比改造前明显减小，机组热耗大幅降低，其中：排汽压力降低使热耗降低51kJ/kW.h；高中压缸效率提高使热耗降低24kJ/kW.h；高中压缸漏汽减少使热耗降低62kJ/kW.h；高中压缸至低压缸的自密封汽量大幅度减少。定量分析汽封改造后热耗率共降低约140kJ/kW.h，因此汽机端部轴封和通流部分汽封改造后，机组发电煤耗降低约4～5g/kW.h。7）汽封改造后机组振动情况：汽封改造后冲转、升速、带负荷及停机过程中，机组振动指标优良未见异常，高中压缸绝胀、胀差、低压缸胀差、推力瓦温度与改造前相比差别不大。六、结论1）通过以上分析可以看出，新型汽封不但提高了机组的安全性，更重要的是提高了机组的经济性，提高了整个机组在额定进汽量下的出力，为电厂带来了较大的经济效益，节能效果明显。2）汽封改造一定要对汽封材质、制造工艺和安装工艺进行严格控制，冷态下的汽封间隙大小要考虑汽轮机热态时的变化情况，以及转子的受力和移动方向。参考文献[1]沈士一庄贺庆康松庞立云合编，汽轮机原理[M]，水利电力出版社，1995。[2]钟平施延洲王祝成，大型汽轮机高中压缸中间轴封漏汽量测试研究[J]，西安热工研究院有限公司,«热力发电»2006（01）。[3]TK型侧齿汽封和TK1蜂窝式汽封的相关专利资料[Z]。