300MW汽輪機汽封優(yōu)化改造可行性研究

時間：2019-07-06作者：河北國源電氣股份有限公司瀏覽：184

　　【摘要】對于東方汽輪機廠優(yōu)化設(shè)計的8型N300MW高中壓為合缸結(jié)構(gòu)機組，轉(zhuǎn)子跨度大，機組在起停機通過臨界轉(zhuǎn)速時，汽封齒很*與軸發(fā)生動靜干涉且磨損，經(jīng)過幾次啟停后，使徑向密封間隙變大且運行中無法補償，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)梳齒式汽封在機組啟、停機過程中在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時汽封與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動靜磨擦導(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 汽封 節(jié)能
　　前言
　　汽輪機工作時，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)而靜止部分不動，動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，這樣就會漏汽，造成能量損失，使汽輪機效率降低，為了減少漏汽損失，在汽輪機的相應(yīng)部位設(shè)置了汽封裝置。
　　汽輪機汽封根據(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汽輪機是東方汽輪機廠生產(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、凝汽式汽輪機，該型號汽輪機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機組投產(chǎn)于2005年11月，#2機組2006年7月投產(chǎn)，分別于2008年9月和2009年8月進行了**大修，大修時主要發(fā)現(xiàn)如下問題：高中壓缸前汽封磨損嚴重；調(diào)節(jié)級鑲嵌式汽封嚴重變形；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，機組運行中軸封系統(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、排氫來滿足氫氣品質(zhì)要求，每月使用板框式濾油機和真空濾油機結(jié)合濾油排除油中水份，造成大量人力、物力的浪費。
　　隨著運行時間的加長，根據(jù)機組運行工況分析，張掖電廠#1、#2汽輪機高中壓缸前軸封磨損嚴重，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，使汽輪機的熱力性能下降，據(jù)西安熱工院對#1機組的熱力性能試驗，試驗報告結(jié)果為：在300MW工況下，機組熱耗為8092 KJ/kW.h，與機組設(shè)計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)計值5.07%；中壓缸通流效率為90.92%，**設(shè)計值1.34%。，蒸汽密封系統(tǒng)密封效果不佳。
　　汽輪機通流密封除基本結(jié)構(gòu)外通常受密封形式和密封間隙影響十分直接。完善和改進傳統(tǒng)汽封的結(jié)構(gòu)和密封形式，是彌補缸效的重要措施之一。機組的蒸汽密封元件都是傳統(tǒng)的梳齒汽封，根據(jù)目前汽輪機蒸汽密封系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，理應(yīng)對傳統(tǒng)的梳齒汽封進行改造，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），會使機組的真空嚴密性大大提高。
　　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：
　　①由于蜂窩式汽封的特殊結(jié)構(gòu)模式和質(zhì)地軟的材質(zhì)性能，所以蜂窩汽封在運行使用中不會傷及所接觸的軸頸表面。
　?、诜涓C汽封的安裝間隙可以設(shè)計成比機組安裝導(dǎo)則規(guī)定的標準間隙的下限還要小的數(shù)值，當(dāng)過臨界轉(zhuǎn)速時，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，接觸面積大，受力稍大時，蜂窩汽封會隨著力向后退，因為正常的汽封在汽封套體內(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，蜂窩帶不會被磨掉，故運行中盡管經(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入蜂窩帶后，使無數(shù)個充滿蒸汽的蜂穴對迎面漏過來的蒸汽流產(chǎn)生反沖抑制作用，同時在高速旋轉(zhuǎn)的軸的周圍形成一層同心的密封汽墊，從而增強了軸的振動阻尼，削弱了軸的振動 ，確保了轉(zhuǎn)子的運行穩(wěn)定性。
　?。?）根據(jù)東方汽輪機廠設(shè)計的8型N300MW高中壓合缸結(jié)構(gòu)機組的軸封系統(tǒng)統(tǒng)計出，需要進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（阻汽片數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實測定）低壓葉**汽封（阻汽片）2*5=10級（阻汽片數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實測定）；即：
　　3 改造前、后漏汽量的同比對比計算及分析
　　梳齒式汽封的密封原理為“多級節(jié)流膨脹”。實驗表明梳齒式汽輪機軸封的漏汽量由下列數(shù)學(xué)式來計算：
　?、? 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)阻汽后其圓周運動速度小于臨界速度，其漏汽量符合下列計算：
　　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為蒸汽周向運動阻力系數(shù)。
　?、? 如果汽封內(nèi)的蒸汽周向運動速度達到或**過臨界速度，其蒸汽的泄漏量則按下列計算：ΔG2=A ……….②
　　實驗表明：梳齒式汽封的蒸汽周向流速都接近或**過臨界轉(zhuǎn)速2700r/min。（因為軸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泄漏。
　　影響汽輪機本體運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，機械損傷影響進出汽角，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)蒸汽周向運動的摩擦系數(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，實驗表明每個下級充滿蒸汽的蜂窩對上一級泄漏出的新蒸汽的擴容都有著很強的阻尼作用，其阻尼系數(shù)為“ξ”。所以蜂窩式汽封的漏汽量計算式應(yīng)為：ΔG3=A …….③
　　式中的“ξ”實驗值為3-5，③式中的μ的實驗數(shù)值為0.5―0.7（蜂窩汽封），①、②式中的μ值可忽略不計。
　　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。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）。
　　通過分析計算不難看出應(yīng)用蜂窩汽封改造后整機的熱效率相應(yīng)提高是必然的，而且它在保證安全的基礎(chǔ)上較大的保證機組的經(jīng)濟效益。
　　4 蜂窩汽封改造預(yù)期效益表
　　應(yīng)用蜂窩汽封對高、中、低壓通流部分汽封進行改造，根據(jù)部分資料的改造經(jīng)驗，預(yù)計可使機組熱耗下降180-190kJ/kw.h，折合后供電煤耗降低7―8g/kw.h。按單臺機組年發(fā)電量15億KWh計算，年節(jié)省標煤約12000T，經(jīng)濟效益可觀。
　　參考文獻：
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　　【2】江路毅；劉網(wǎng)扣；張兆鶴；崔琦；《高低齒汽封與蜂窩汽封及孔式阻尼汽封密封性能的比較》 動力工程學(xué)報 2012年07期；
　　【3】盛偉；劉旭東；衛(wèi)運鋼；《蜂窩式汽封流動性能的數(shù)值研究》 《熱力發(fā)電》 2009年12期
　　【4】王仲奇 《透平機械原理》 1981年 機械工業(yè)出版社；
　　【5】火電機組節(jié)能對標存書《300MW火電機組節(jié)能對標指導(dǎo)手冊》；


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