300MW汽轮机汽封优化改造可行性研究

时间：2019-07-06

　　【摘要】对于东方汽轮机厂优化设计的8型N300MW高中压为合缸结构机组，转子跨度大，机组在起停机通过临界转速时，汽封齿很*与轴发生动静干涉且磨损，经过几次启停后，使径向密封间隙变大且运行中无法补偿，导致漏汽量增大，尤其是隔板汽封显得更加**。蜂窝汽封的结构和工作原理能很好的解决传统梳齿式汽封在机组启、停机过程中在经过临界转速时汽封与转子产生动静磨擦导致梳齿汽封齿尖被磨损掉而造成汽封间隙增大导致漏气量增大的问题。
　　【关键词】汽轮机 汽封 节能
　　前言
　　汽轮机工作时，转子高速旋转而静止部分不动，动静部分之间必须留有一定的间隙，以避免相互碰撞或磨擦，而间隙两侧一般存在压差，这样就会漏汽，造成能量损失，使汽轮机效率降低，为了减少漏汽损失，在汽轮机的相应部位设置了汽封装置。
　　汽轮机汽封根据其装设部位可分为轴端汽封，隔板汽封和通流部分汽封。转子穿出汽缸两端处的汽封叫轴端汽封，分为高**封和低**封。高**封用来防止蒸汽漏出汽缸，造成能量损失及恶化运行环境；低**封用来防止空气漏入汽缸，破坏凝汽器的真空。隔板内圆孔与转子之间的汽封为隔板汽封，用来阻止蒸汽经过隔板内圆绕过喷嘴流到隔板后，造成能量损失并使叶轮前后压差增大，轴向推力增加。通流部分汽封包括动叶**部和根部的汽封，用来阻止叶**及叶根处的漏汽。
　　1 问题的提出
　　某电厂2×300MW汽轮机是东方汽轮机厂生产的N300-16.7-537/537――8型亚临界、单轴、双缸、双排汽、一次中间再热、冲动、凝汽式汽轮机，该型号汽轮机隔板汽封采用椭圆汽封，叶采用自带冠结构，叶冠**部设置了径向汽封，动叶根部设置了根部汽封，高中压缸和低压缸共有五组汽封。高中压缸前、后轴端汽封采用高、低齿 “尖齿”汽封，采用软态镶片结构；低压汽封采用光轴尖齿结构的铜汽封，#1机组投产于2005年11月，#2机组2006年7月投产，分别于2008年9月和2009年8月进行了**大修，大修时主要发现如下问题：高中压缸前汽封磨损严重；调节级镶嵌式汽封严重变形；低压内缸隔板围带汽封均有不同程度磨损，且汽封齿局部有脱落变形现象，机组运行中轴封系统漏汽量大， 大量蒸汽窜入轴承油箱中， 使油中带水， 密封油中水份大，造成氢气品质不合格，通过补、排氢来满足氢气品质要求，每月使用板框式滤油机和真空滤油机结合滤油排除油中水份，造成大量人力、物力的浪费。
　　随着运行时间的加长，根据机组运行工况分析，张掖电厂#1、#2汽轮机高中压缸前轴封磨损严重，漏汽较大，且内缸中分面存在变形现象，导致通流部分径向汽封磨损，蒸汽泄漏量增大，使汽轮机的热力性能下降，据西安热工院对#1机组的热力性能试验，试验报告结果为：在300MW工况下，机组热耗为8092 KJ/kW.h，与机组设计7857KJ/（kw.h）相比，热耗变化235 KJ/kW.h；其中高压缸通流效率为79.83%低于设计值5.07%；中压缸通流效率为90.92%，低于设计值1.34%。，蒸汽密封系统密封效果不佳。
　　汽轮机通流密封除基本结构外通常受密封形式和密封间隙影响十分直接。完善和改进传统汽封的结构和密封形式，是弥补缸效的重要措施之一。机组的蒸汽密封元件都是传统的梳齿汽封，根据目前汽轮机蒸汽密封系统的发展趋势，理应对传统的梳齿汽封进行改造，改造成蜂窝汽封。同理中间汽封以及所有轴端汽封也应该彻底改造。尤其是低**端密封直接影响机组真空，如果改造成蜂窝汽封和触及结构的蜂窝汽封（触及结构为推荐形式），会使机组的真空严密性大大提高。
　　2 改造方案
　　（1）蜂窝汽封基本结构：WZFW-蜂窝式汽封是由0.05-0.10mm厚的哈斯特镍基耐高温合金防锈金属薄板（Hastelloy-x）制成像蜜蜂巢一样的正六边形孔状结构。采用真空钎焊技术将蜂窝孔带焊接在汽封环母体上而形成FW-蜂窝式密封。
　　各部位材料：环体：15CrMoA； 蜂窝带： Hastelloy-x
　　（2）采用蜂窝式汽封的优点：
　　①由于蜂窝式汽封的特殊结构模式和质地软的材质性能，所以蜂窝汽封在运行使用中不会伤及所接触的轴颈表面。
　　②蜂窝汽封的安装间隙可以设计成比机组安装导则规定的标准间隙的下限还要小的数值，当过临界转速时，在较小的间隙下汽封与转子即使有小的摩擦，由于蜂窝汽封与转子是面接触，作用在蜂窝带上的力比作用在传统梳齿汽封齿尖上的力就小的多，同时，接触面积大，受力稍大时，蜂窝汽封会随着力向后退，因为正常的汽封在汽封套体内在弹簧力的作用下有2.0mm―3.0 mm的安全退让值，在通过临界转速的瞬间，蜂窝带不会被磨掉，故运行中尽管经过多次的启停也能够长久保持良好的密封间隙，密封效果具有稳定性、长久性。
　　③蒸汽进入蜂窝带后，使无数个充满蒸汽的蜂穴对迎面漏过来的蒸汽流产生反冲抑制作用，同时在高速旋转的轴的周围形成一层同心的密封汽垫，从而增强了轴的振动阻尼，削弱了轴的振动 ，确保了转子的运行稳定性。
　　（3）根据东方汽轮机厂设计的8型N300MW高中压合缸结构机组的轴封系统统计出，需要进行汽封改造的具体位置和数量如下：高中压缸隔板汽封17环；高压缸后轴封6+3=9环；中间过桥汽封9环；中压缸后轴封5+3=8环；低压缸隔板汽封2*5=10环；低压前后轴封10环，高中压叶**汽封（阻汽片）17级（阻汽片数量根据现场实测定）低压叶**汽封（阻汽片）2*5=10级（阻汽片数量根据现场实测定）；即：
　　3 改造前、后漏汽量的同比对比计算及分析
　　梳齿式汽封的密封原理为“多级节流膨胀”。实验表明梳齿式汽轮机轴封的漏汽量由下列数学式来计算：
　　①. 当蒸汽从轴封顺次通过轴封的齿隙漏出来，如果蒸汽通过每一道汽封环阻汽后其圆周运动速度小于临界速度，其漏汽量符合下列计算：
　　ΔG1=A ………..①
　　式中的ΔG为汽封蒸汽泄漏量；A为汽封间隙面积，Z为汽封环齿数；P0υ0为进入轴封前蒸汽压力、比容；g为重力加速度， Pz为轴封蒸汽压力。μ为蒸汽周向运动阻力系数。
　　②. 如果汽封内的蒸汽周向运动速度达到或**过临界速度，其蒸汽的泄漏量则按下列计算：ΔG2=A ……….②
　　实验表明：梳齿式汽封的蒸汽周向流速都接近或**过临界转速2700r/min。（因为轴径和汽封齿面都是光滑的，μ值很小趋近于0）故蒸汽顺螺旋式向外推进泄漏。
　　影响汽轮机本体运行通流效率有如下几方面：化学沉积导致叶片结垢，叶片汽蚀影响排汽效果，机械损伤影响进出汽角，叶**、隔板汽封间隙漏汽直接影响汽耗。其中汽封漏汽所占比重在80%左右，从①和②式中都可以看出在（P0――Pz）齿间压差一定的情况下要减小轴封漏汽可以增加齿数、减小齿隙面积和增大汽封内蒸汽周向运动的摩擦系数。而蜂窝汽封就相应地解决了这些问题。
　　一是轴封上的小蜂穴增大了蒸汽周向流动的摩擦系数μ，有效地抑制了蒸汽的周向流速。而蜂窝的“齿数”要比梳齿式多的多，所以在相同汽隙面积A值的情况下蜂窝汽封的汽阻要比梳齿的大。
　　不仅如此，实验表明每个下级充满蒸汽的蜂窝对上一级泄漏出的新蒸汽的扩容都有着很强的阻尼作用，其阻尼系数为“ξ”。所以蜂窝式汽封的漏汽量计算式应为：ΔG3=A …….③
　　式中的“ξ”实验值为3-5，③式中的μ的实验数值为0.5―0.7（蜂窝汽封），①、②式中的μ值可忽略不计。
　　由③式比①式即：
　　ΔG3/ΔG1= A / A = ；
　　n=Z蜂/Z梳。
　　通常蜂窝式汽封的“齿数”大于单一梳齿汽封的齿数的2倍以上；而梳齿的μ梳忽略不计。μ蜂取下限值0.5；阻尼系数同样取下限值为3，则两式相比的结果是：
　　ΔG3/ΔG1= = = =0.31。即同样的情况下，蜂窝汽封的蒸汽泄漏量仅为梳齿汽封蒸汽泄漏量的1/3，甚至更少。通过上面的比较可知，由于密封齿数以及阻尼的增加，0.60mm的蜂窝汽封间隙相当于0.41mm梳齿汽封的间隙（0.60X0.69=0.41mm）。
　　通过分析计算不难看出应用蜂窝汽封改造后整机的热效率相应提高是必然的，而且它在保证安全的基础上较大的保证机组的经济效益。
　　4 蜂窝汽封改造预期效益表
　　应用蜂窝汽封对高、中、低压通流部分汽封进行改造，根据部分资料的改造经验，预计可使机组热耗下降180-190kJ/kw.h，折合后供电煤耗降低7―8g/kw.h。按单台机组年发电量15亿KWh计算，年节省标煤约12000T，经济效益可观。
　　参考文献：
　　【1】东方汽轮机厂N-300-16.7/537/537-8型汽轮机本体安装及维护说明书；
　　【2】江路毅；刘网扣；张兆鹤；崔琦；《高低齿汽封与蜂窝汽封及孔式阻尼汽封密封性能的比较》 动力工程学报 2012年07期；
　　【3】盛伟；刘旭东；卫运钢；《蜂窝式汽封流动性能的数值研究》 《热力发电》 2009年12期
　　【4】王仲奇 《透平机械原理》 1981年 机械工业出版社；
　　【5】火电机组节能对标存书《300MW火电机组节能对标指导手册》；

词条
词条说明
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