300MW汽輪機(jī)汽封優(yōu)化改造可行性研究

時(shí)間：2019-07-06作者：河北國源電氣股份有限公司瀏覽：176

　　【摘要】對(duì)于東方汽輪機(jī)廠優(yōu)化設(shè)計(jì)的8型N300MW高中壓為合缸結(jié)構(gòu)機(jī)組，轉(zhuǎn)子跨度大，機(jī)組在起停機(jī)通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，汽封齒很*與軸發(fā)生動(dòng)靜干涉且磨損，經(jīng)過幾次啟停后，使徑向密封間隙變大且運(yùn)行中無法補(bǔ)償，導(dǎo)致漏汽量增大，尤其是隔板汽封顯得較加**。蜂窩汽封的結(jié)構(gòu)和工作原理能很好的解決傳統(tǒng)梳齒式汽封在機(jī)組啟、停機(jī)過程中在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)汽封與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動(dòng)靜磨擦導(dǎo)致梳齒汽封齒尖被磨損掉而造成汽封間隙增大導(dǎo)致漏氣量增大的問題。
　　【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī) 汽封 節(jié)能
　　前言
　　汽輪機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)而靜止部分不動(dòng)，動(dòng)靜部分之間必須留有一定的間隙，以避免相互碰撞或磨擦，而間隙兩側(cè)一般存在壓差，這樣就會(huì)漏汽，造成能量損失，使汽輪機(jī)效率降低，為了減少漏汽損失，在汽輪機(jī)的相應(yīng)部位設(shè)置了汽封裝置。
　　汽輪機(jī)汽封根據(jù)其裝設(shè)部位可分為軸端汽封，隔板汽封和通流部分汽封。轉(zhuǎn)子穿出汽缸兩端處的汽封叫軸端汽封，分為高**封和低**封。高**封用來防止蒸汽漏出汽缸，造成能量損失及惡化運(yùn)行環(huán)境；低**封用來防止空氣漏入汽缸，破壞凝汽器的真空。隔板內(nèi)圓孔與轉(zhuǎn)子之間的汽封為隔板汽封，用來阻止蒸汽經(jīng)過隔板內(nèi)圓繞過噴嘴流到隔板后，造成能量損失并使葉輪前后壓差增大，軸向推力增加。通流部分汽封包括動(dòng)葉**部和根部的汽封，用來阻止葉**及葉根處的漏汽。
　　1 問題的提出
　　某電廠2×300MW汽輪機(jī)是東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N300-16.7-537/537――8型亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、沖動(dòng)、凝汽式汽輪機(jī)，該型號(hào)汽輪機(jī)隔板汽封采用橢圓汽封，葉采用自帶冠結(jié)構(gòu)，葉冠**部設(shè)置了徑向汽封，動(dòng)葉根部設(shè)置了根部汽封，高中壓缸和低壓缸共有五組汽封。高中壓缸前、后軸端汽封采用高、低齒 “尖齒”汽封，采用軟態(tài)鑲片結(jié)構(gòu)；低壓汽封采用光軸尖齒結(jié)構(gòu)的銅汽封，#1機(jī)組投產(chǎn)于2005年11月，#2機(jī)組2006年7月投產(chǎn)，分別于2008年9月和2009年8月進(jìn)行了**大修，大修時(shí)主要發(fā)現(xiàn)如下問題：高中壓缸前汽封磨損嚴(yán)重；調(diào)節(jié)級(jí)鑲嵌式汽封嚴(yán)重變形；低壓內(nèi)缸隔板圍帶汽封均有不同程度磨損，且汽封齒局部有脫落變形現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行中軸封系統(tǒng)漏汽量大， 大量蒸汽竄入軸承油箱中， 使油中帶水， 密封油中水份大，造成氫氣品質(zhì)不合格，通過補(bǔ)、排氫來滿足氫氣品質(zhì)要求，每月使用板框式濾油機(jī)和真空濾油機(jī)結(jié)合濾油排除油中水份，造成大量人力、物力的浪費(fèi)。
　　隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況分析，張掖電廠#1、#2汽輪機(jī)高中壓缸前軸封磨損嚴(yán)重，漏汽較大，且內(nèi)缸中分面存在變形現(xiàn)象，導(dǎo)致通流部分徑向汽封磨損，蒸汽泄漏量增大，使汽輪機(jī)的熱力性能下降，據(jù)西安熱工院對(duì)#1機(jī)組的熱力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果為：在300MW工況下，機(jī)組熱耗為8092 KJ/kW.h，與機(jī)組設(shè)計(jì)7857KJ/（kw.h）相比，熱耗變化235 KJ/kW.h；其中高壓缸通流效率為79.83%**設(shè)計(jì)值5.07%；中壓缸通流效率為90.92%，**設(shè)計(jì)值1.34%。，蒸汽密封系統(tǒng)密封效果不佳。
　　汽輪機(jī)通流密封除基本結(jié)構(gòu)外通常受密封形式和密封間隙影響十分直接。完善和改進(jìn)傳統(tǒng)汽封的結(jié)構(gòu)和密封形式，是彌補(bǔ)缸效的重要措施之一。機(jī)組的蒸汽密封元件都是傳統(tǒng)的梳齒汽封，根據(jù)目前汽輪機(jī)蒸汽密封系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，理應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)的梳齒汽封進(jìn)行改造，改造成蜂窩汽封。同理中間汽封以及所有軸端汽封也應(yīng)該徹底改造。尤其是低**端密封直接影響機(jī)組真空，如果改造成蜂窩汽封和觸及結(jié)構(gòu)的蜂窩汽封（觸及結(jié)構(gòu)為推薦形式），會(huì)使機(jī)組的真空嚴(yán)密性大大提高。
　　2 改造方案
　?。?）蜂窩汽封基本結(jié)構(gòu)：WZFW-蜂窩式汽封是由0.05-0.10mm厚的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。
　　各部位材料：環(huán)體：15CrMoA； 蜂窩帶： Hastelloy-x
　?。?）采用蜂窩式汽封的優(yōu)點(diǎn)：
　?、儆捎诜涓C式汽封的特殊結(jié)構(gòu)模式和質(zhì)地軟的材質(zhì)性能，所以蜂窩汽封在運(yùn)行使用中不會(huì)傷及所接觸的軸頸表面。
　?、诜涓C汽封的安裝間隙可以設(shè)計(jì)成比機(jī)組安裝導(dǎo)則規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)間隙的下限還要小的數(shù)值，當(dāng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，在較小的間隙下汽封與轉(zhuǎn)子即使有小的摩擦，由于蜂窩汽封與轉(zhuǎn)子是面接觸，作用在蜂窩帶上的力比作用在傳統(tǒng)梳齒汽封齒尖上的力就小的多，同時(shí)，接觸面積大，受力稍大時(shí)，蜂窩汽封會(huì)隨著力向后退，因?yàn)檎５钠庠谄馓左w內(nèi)在彈簧力的作用下有2.0mm―3.0 mm的安全退讓值，在通過臨界轉(zhuǎn)速的瞬間，蜂窩帶不會(huì)被磨掉，故運(yùn)行中盡管經(jīng)過多次的啟停也能夠長久保持良好的密封間隙，密封效果具有穩(wěn)定性、長久性。
　?、壅羝M(jìn)入蜂窩帶后，使無數(shù)個(gè)充滿蒸汽的蜂穴對(duì)迎面漏過來的蒸汽流產(chǎn)生反沖抑制作用，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的軸的周圍形成一層同心的密封汽墊，從而增強(qiáng)了軸的振動(dòng)阻尼，削弱了軸的振動(dòng) ，確保了轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定性。
　　（3）根據(jù)東方汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)的8型N300MW高中壓合缸結(jié)構(gòu)機(jī)組的軸封系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)出，需要進(jìn)行汽封改造的具體位置和數(shù)量如下：高中壓缸隔板汽封17環(huán)；高壓缸后軸封6+3=9環(huán)；中間過橋汽封9環(huán)；中壓缸后軸封5+3=8環(huán)；低壓缸隔板汽封2*5=10環(huán)；低壓前后軸封10環(huán)，高中壓葉**汽封（阻汽片）17級(jí)（阻汽片數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測定）低壓葉**汽封（阻汽片）2*5=10級(jí)（阻汽片數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測定）；即：
　　3 改造前、后漏汽量的同比對(duì)比計(jì)算及分析
　　梳齒式汽封的密封原理為“多級(jí)節(jié)流膨脹”。實(shí)驗(yàn)表明梳齒式汽輪機(jī)軸封的漏汽量由下列數(shù)學(xué)式來計(jì)算：
　?、? 當(dāng)蒸汽從軸封順次通過軸封的齒隙漏出來，如果蒸汽通過每一道汽封環(huán)阻汽后其圓周運(yùn)動(dòng)速度小于臨界速度，其漏汽量符合下列計(jì)算：
　　ΔG1=A ………..①
　　式中的ΔG為汽封蒸汽泄漏量；A為汽封間隙面積，Z為汽封環(huán)齒數(shù)；P0υ0為進(jìn)入軸封前蒸汽壓力、比容；g為重力加速度， Pz為軸封蒸汽壓力。μ為蒸汽周向運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)。
　?、? 如果汽封內(nèi)的蒸汽周向運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到或**過臨界速度，其蒸汽的泄漏量則按下列計(jì)算：ΔG2=A ……….②
　　實(shí)驗(yàn)表明：梳齒式汽封的蒸汽周向流速都接近或**過臨界轉(zhuǎn)速2700r/min。（因?yàn)檩S徑和汽封齒面都是光滑的，μ值很小趨近于0）故蒸汽順螺旋式向外推進(jìn)泄漏。
　　影響汽輪機(jī)本體運(yùn)行通流效率有如下幾方面：化學(xué)沉積導(dǎo)致葉片結(jié)垢，葉片汽蝕影響排汽效果，機(jī)械損傷影響進(jìn)出汽角，葉**、隔板汽封間隙漏汽直接影響汽耗。其中汽封漏汽所占比重在80%左右，從①和②式中都可以看出在（P0――Pz）齒間壓差一定的情況下要減小軸封漏汽可以增加齒數(shù)、減小齒隙面積和增大汽封內(nèi)蒸汽周向運(yùn)動(dòng)的摩擦系數(shù)。而蜂窩汽封就相應(yīng)地解決了這些問題。
　　一是軸封上的小蜂穴增大了蒸汽周向流動(dòng)的摩擦系數(shù)μ，有效地抑制了蒸汽的周向流速。而蜂窩的“齒數(shù)”要比梳齒式多的多，所以在相同汽隙面積A值的情況下蜂窩汽封的汽阻要比梳齒的大。
　　不僅如此，實(shí)驗(yàn)表明每個(gè)下級(jí)充滿蒸汽的蜂窩對(duì)上一級(jí)泄漏出的新蒸汽的擴(kuò)容都有著很強(qiáng)的阻尼作用，其阻尼系數(shù)為“ξ”。所以蜂窩式汽封的漏汽量計(jì)算式應(yīng)為：ΔG3=A …….③
　　式中的“ξ”實(shí)驗(yàn)值為3-5，③式中的μ的實(shí)驗(yàn)數(shù)值為0.5―0.7（蜂窩汽封），①、②式中的μ值可忽略不計(jì)。
　　由③式比①式即：
　　ΔG3/ΔG1= A / A = ；
　　n=Z蜂/Z梳。
　　通常蜂窩式汽封的“齒數(shù)”大于單一梳齒汽封的齒數(shù)的2倍以上；而梳齒的μ梳忽略不計(jì)。μ蜂取下限值0.5；阻尼系數(shù)同樣取下限值為3，則兩式相比的結(jié)果是：
　　ΔG3/ΔG1= = = =0.31。即同樣的情況下，蜂窩汽封的蒸汽泄漏量僅為梳齒汽封蒸汽泄漏量的1/3，甚至較少。通過上面的比較可知，由于密封齒數(shù)以及阻尼的增加，0.60mm的蜂窩汽封間隙相當(dāng)于0.41mm梳齒汽封的間隙（0.60X0.69=0.41mm）。
　　通過分析計(jì)算不難看出應(yīng)用蜂窩汽封改造后整機(jī)的熱效率相應(yīng)提高是必然的，而且它在保證安全的基礎(chǔ)上較大的保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。
　　4 蜂窩汽封改造預(yù)期效益表
　　應(yīng)用蜂窩汽封對(duì)高、中、低壓通流部分汽封進(jìn)行改造，根據(jù)部分資料的改造經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)可使機(jī)組熱耗下降180-190kJ/kw.h，折合后供電煤耗降低7―8g/kw.h。按單臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量15億KWh計(jì)算，年節(jié)省標(biāo)煤約12000T，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
　　參考文獻(xiàn)：
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