汽封改造

布莱登、蜂窝汽封改造技术在连城发电公司的应用 甘肃兰州 摘要：发电厂汽轮机热耗率的高低是衡量机组热经济性的关键技术指标，而热耗率又与汽轮机的设计、制造、安装、运行控制等有着密切的联系，在设计、制造、运行控制等相同条件下，提高安装水平、选用科学合理的汽封进行改造，精细调整各部通流间隙，最大限度减少热能损失，是降低热耗率的有效途径。本文简要介绍蜂窝、布莱登汽封的密封原理和特点以及在甘肃大唐国际连城发电公司3号汽轮机汽封改造的应用效果。 1 布莱登汽封 1.1.布莱登汽封特点 布莱登汽封取消了传统汽封背部的板弹簧，在汽封弧段 端面间安装四个螺旋弹簧，并且在每一个汽封弧段的背部进汽侧中间位置铣出一个进汽槽，以让上游来的蒸汽进入汽封弧段背面，为保证汽封在关闭、打开的过程中不出现卡塞现象，增大了汽封弧块“脖颈”与汽封道槽处的间隙（如图1）。布莱登有2-2.5mm退让间隙，可以保证机组在启动过程中不发生因碰磨造成的振动，并克服传统汽封在开机过程中会明显磨损的不足。安全性和经济性兼顾是其最大优势。 1.2 布莱登汽封密封原理 当机组启机时，压力蒸汽对汽封弧段产生一个蒸汽作用力，这个作用力随汽轮机蒸汽进入量的增加而增加。 布莱登汽封圈上的受力情况（如图2）：

关闭力

开启力21汽流方向开启力 转子

弹簧

汽封

汽封体

自由状态下（图1） 压力分布（图2） 工作状态下（图3） 汽封体

汽封弹簧

转子(1) 关闭力：进汽侧蒸汽压力p1作用于汽封弧段背部产生的作用力F1，出汽侧蒸汽压力p2作用于汽封弧段背部产生的作用力F2。 (2) 开启力：蒸汽流过汽封齿与转子轴向间的通道时，对汽封产生的作用力F3和汽封弧段端面间压弹簧产生的作用力F4。 (3) 摩擦力：汽封弧块闭合或张开时与汽封槽道间的摩擦力F5。 在汽轮机启动时，由于进入的蒸汽量少，相应进入汽封弧段背部的蒸汽量也少，作用于汽封弧段背部的关闭力就小，这时： F1＋F2＜F3＋F4－F5 汽封块在开启力的作用下，各汽封处于张开状态，远离转子，使汽封齿与转子的径向间隙保持在较大状态(最大值为汽封退让间隙与机组正常运行时的汽封径向间隙之和，汽封退让间隙1.8～2.5mm)，从而避免了过临界转速时转子与汽封齿的碰磨。 随着汽轮机通流部分蒸汽进入量的增加，作用于汽封弧段背部的关闭力克服作用于汽封齿侧的开启力及摩擦力，即： F1＋F2＞F3＋F4＋F5 汽封弧块在关闭力（前后级压差作用下）的作用下逐级关闭，并最终实现汽封块的关闭，使汽封齿与转子的径向间隙减到最小值，并予以保持（如图3）。 布莱登汽封在机组启动时，当蒸汽流量在3～30%设计流量下汽封块开始逐级关闭；在停机时，蒸汽流量减少到2～3%，汽封全部张开。这样，布莱登汽封通过汽封弧段的自动开启和关闭，实现了在机组启、停机过程中汽封与转子的径向间隙可调，避免了由于振动产生的动静碰磨，在机组正常运行中汽封与转子的径向间隙始终保持在较小的范围内，即设计值的下限。 2 蜂窝汽封 2.1 蜂窝汽封的密封原理 蜂窝式汽封采用较合理较稳定的生物空间结构—蜂窝作为密封件的基本要素，具有十分复杂的密封机理，包括了强大的气旋效应、强烈的摩阻效应 、高效阻透气效应、高效的流束收缩效应、热力学效应、吸附效应等密封效应，所以具有良好的密封性。 2.2 蜂窝汽封特点 蜂窝汽封高低齿是蜂窝技术和迷宫汽封的完美结合，其密封效应是迷宫效应和蜂窝效应的综合组成，是高效性、稳定性和安全性的完美结合，主要设计思想是在原梳齿结构中，保留高齿，在低齿地方用蜂窝带填满，高齿依然保留，起节流密封效果，而汽流经节流降压后进入蜂窝区，进一步加大密封效果（如图4、5），两种密封技术综合作用，起到最佳效果。

汽封体

汽封转子

弹簧

图4 传统梳齿式汽轮机轴封的漏汽量由下列数学式来计算

ΔG1＝A00220)1()1)((Zgz …… …式1

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、叶片侵蚀影响排汽效果、机械损伤影响进出汽角、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式中可以看出在(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Z、减小齿隙面积A和增大汽封内蒸汽周向运动的摩擦系数μ。而蜂窝汽封就相应地解决了这些问题。 蜂窝式汽封的漏汽量计算式应为：

ΔG3＝A0220)()1(Zgz 式2

式中： A——汽封内的面积； Z——汽封的密封齿数； P0—— 进入汽封前的蒸汽压力； Pz——汽封出口蒸汽压力； g——9.81m/s2； ζ——通常取4~ 9； ν0——进入汽封前蒸汽比体积：μ——蒸汽周向运动阻尼系数。

ΔG3/ΔG1= A00220)()1(Zgz/ A00220)1()1)((Zgz=n1 式3 式中：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

图5 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=325.0＝121＝321＝0.31。即同样的情况下，蜂窝汽封的蒸汽泄漏量

比梳齿汽封减小30%，甚至更小。 3 连城发电公司300MW汽轮机概述 连城发电公司3号机组投产于2004年12月，汽轮机是哈尔滨汽轮机厂引进美国西屋公司技术生产的N300-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、反动式凝汽式汽轮机，额定功率300MW，最大功率330MW，通流级数36级，额定工况下设计热耗率为7814 kJ/(kW·h)。投产以来，运行中长期存在轴封漏汽大、各段抽汽温度高、热耗率高等问题。 4 汽封改造前汽轮机热耗率情况及分析 4.1 2007年12月热耗率试验相关经济技术指标对比（300MW工况下）：

序号 热耗率kJ/(kW·h) 高压缸效率（%） 中压缸效率（%） 低压缸效率（%） 设计值 7814 86.73 93.85 90.76 试验值 8357.39 86.44 92.20 76.05 超差 543.39 -0.29 -1.65 -14.71 4.2 热耗率高存在的主要原因分析： 4.2.1 高、中、低压缸通流径向间隙大 引进型300MW机组属于反动式汽轮机，其结构和热力过程与冲动式汽轮机有较大差异。首先蒸汽在汽轮机内的动、静叶发生膨胀，动叶存在较大压差，使动叶汽封的漏汽量增大；其次结构上采用鼓形转子，转子直径大，由于汽封处转子的直径大，间隙稍增大一点，漏气面积增大较多，使静叶汽封的漏汽随汽封磨损增大较快。汽封漏汽短路本级不做功，而且这股汽流插入主流是会造成干扰，扰动下一级入口汽流的流动方向，产生汽轮机级间的汽封漏汽损失。 4.2.2 轴封漏汽量过大。投产时因汽轮机转子振动较大，现场做了多次动平衡试验，轴封可能存在碰磨损伤，轴封间隙大于设计值，使得高中压缸前后轴封漏汽量增大，轴封加热器温升提高，设计温升0.4～0.7℃，运行温升4～4.7℃，直接导致热耗率增加。 4.2.3 高压缸调节级效率低，致使高压缸效率降低。 4.2.3.1调节级动叶汽封径向间隙大，汽封结构不合理。调节级设计效率为61.55%，根据陕西电科院对多台机组的试验来看，一般调节级效率通常不到50%。 4.2.3.2 喷嘴组弧段间间隙大。安装在6个汽室上的6个喷嘴组弧段之间设计预留膨胀间隙，左右水平中分面设计间隙为5mm，其他4道间隙分别为3mm。通过对同类型机组改进效果看，该间隙预留值太大，调节级喷嘴出口蒸汽通过该间隙，未经动叶做功，直接漏至低一级压力级，调节级效率降低。 4.2.4 高压缸效率低，除高压缸通流径向间隙大之外，可能存在以下原因： 4.2.4.1 高压缸外缸与高压缸隔板套之间汽封间隙变大，大量蒸汽漏至高压缸内外缸夹层，通过中压缸冷却蒸汽管排至高压缸排汽，导致高压缸排汽温度升高，使高压缸效率降低。 4.2.4.2 隔板套可能发生变形。高压隔板套结合面螺栓紧力不够而漏汽，降低高压缸效率。 5、通过上述对我公司汽轮机热耗率高的原因分析，以及对同类型机组汽封改造效果的调研，并通过与哈汽厂、陕西电科院的沟通，陕西电科院按如下改造方案进行汽耗率的理论估算后得出，通过汽封技术改造可降低汽轮机汽耗率118.63 kJ/（kW·h ）。2008年6月我公司对3号汽轮机按预定改造方案进行了汽封改造。 5.1 汽封改造的具体位置、数量和汽封形式如下：

序号 项目及位置 数量（圈） 原汽封形式 改后汽封型式 1 高压进汽平衡环汽封 5 梳 齿 汽 封 布莱登汽封 2 高压排汽平衡环汽封 3 布莱登汽封 3 中压进汽平衡环汽封 2 布莱登汽封 4 高中压轴封(调端) 4 蜂窝汽封 5 高中压轴封(电端) 4 蜂窝汽封 6 低压轴封(调端) 4 蜂窝汽封 7 低压轴封(电端) 4 蜂窝汽封 8 中压缸叶顶汽封 9 蜂窝汽封 9 中压缸隔板汽封 8 蜂窝汽封 10 低压缸叶顶汽封(电端) 3 蜂窝汽封 11 低压缸隔板汽封(电端) 3 蜂窝汽封 12 低压缸叶顶汽封(调端) 3 蜂窝汽封 13 低压缸隔板汽封(调端) 3 蜂窝汽封

5.2 高、中、低压缸动静间隙调整的技术要求。 5.2.1 根据同类机组检修经验，左右侧径向间隙大到要求值后，上下间隙已超出要求值，控制原则为：上、下、左、右的间隙实际值之和不大于这四个方向要求值之和的0.20mm。