轴封间隙对机组热经济性影响的计算模型及应用

2012-11-14郝红亮

河北电力技术 2012年1期

周昊，郝红亮

国电蚌埠发电有限公司，安徽蚌埠 233411)

轴封系统泄漏对汽轮机的安全和经济运行有较大影响[1-6]。轴封系统泄漏，一方面会导致蒸汽外漏，造成工质和热量的损失，使得润滑油中带水；另一方面，导致空气通过轴封系统漏入汽轮机低压缸，造成真空下降。在轴封形式及运行参数一定时，轴封间隙是影响泄漏量的主要因素。因此，汽轮机轴封间隙受到了汽轮机运行部门的普遍关注。目前，对轴封系统改造效果评估往往缺乏客观依据，个别电厂甚至以改造前后汽轮机热耗率试验结果为依据，将许多不属于汽封改造效果的部分也计入其中，客观上夸大了汽封改造效果。因此，建立轴封间隙对机组热经济影响的精细化数学模型，应用该模型对汽轮机轴封系统改造效果进行评估计算,对于指导轴封系统改造、客观评价改造效果具有较好的作用。

1 计算模型介绍

1.1 轴封漏汽量的计算

1.1.1 梳齿式汽封

梳齿式汽封的工作原理实质为多级节流膨胀。有资料表明，其漏汽量可由式(1)来计算[7-8]：

(1)

式中：ΔG梳为蒸汽泄漏量；A梳为间隙面积；z梳为环齿数；p0、v0为进入轴封前蒸汽的压力和比容；g为重力加速度；pz为漏出轴封的蒸汽压力；μ梳为蒸汽周向运动阻力系数，对于梳齿式汽封，其值几乎等于0。

由式(1)可以得出，在轴封前后压差一定的情况下，增加齿数z、减小齿隙面积A和增大蒸汽周向运动的阻力系数μ，均可以减少轴封漏汽量。

1.1.2 蜂窝式汽封

蜂窝式汽封的漏汽量可由式(2)计算：

(2)

式中：ξ为阻尼系数，试验表明，每个下级充满蒸汽的蜂窝对上一级泄漏出的蒸汽有着很强的阻尼作用；对于蜂窝式汽封，蒸汽周向运动阻力系数μ蜂为0.5～0.7。

1.1.3 漏汽量比较

由于梳齿式汽封的齿尖与转子接触的面积很小，在运行过程中梳齿式汽封齿尖容易被磨损掉，造成轴封间隙增大。虽然在机组检修过程中可将梳齿式汽封的径向间隙调整到最佳值，但运行一段时间后，也会使间隙变大且运行中无法补偿，造成漏汽量增大。而蜂窝式汽封采用特殊结构模式和质地软的材质，所以蜂窝式汽封在运行中不会伤及所接触的轴颈表面，其安装间隙可比检修规程规定的标准间隙小。因此，运行中尽管经过多次启停，蜂窝式汽封也能够长久保持良好的密封间隙。

根据式(1)和式(2)，有：

(3)

由于轴封间隙要远远小于圆周直径，因此动静之间的环形间隙面积可以表示为：

A=πDΔr

(4)

式中：D为圆周直径；Δr为轴封间隙。

将式(4)代入式(3)，可得：

(5)

1.2 轴封漏汽所导致系统作功损失

基于等效热降法[9]可对轴封漏汽所导致的系统作功损失进行计算。

1.2.1 轴封漏汽流出汽缸而损失的做功量

若轴封漏汽未经再热，则由漏汽而损失的做功量为：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi+qrh-hc)

(6)

式中：ΔΠ为轴封漏汽流出汽缸而损失的做功量；ɑfi、hfi为第i段轴封漏汽的份额及焓值；qrh为1 kg蒸汽在再热器中的吸热量；hc为排汽焓。

若轴封漏汽已经过再热，则由漏汽而损失的作功量为：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi-hc)

(7)

1.2.2 轴封漏汽对再热器吸热量的影响

若轴封漏汽未经过再热，则轴封漏汽会对再热器的吸热量产生影响，再热器吸热量的变化按下式进行计算：

ΔQ=ɑfiqrh

(8)

式中：ΔQ为再热器吸热量的变化。

1.2.3 轴封漏汽利用的回收功

轴封漏汽不仅损失了工质，还伴随有热量损失，将降低机组热经济性。为减少工质和热量的损失，通常将汽轮机轴封漏汽回收于回热系统，用于加热主凝结水或给水，达到提高机组热经济性的目的。

若把第i段轴封漏汽回收于第j级加热器中，则将排挤第j级回热抽汽，从而获得回收功，其值按下式进行计算：

(9)

若把第i段轴封漏汽回收于轴封加热器，则

(10)

轴封漏汽利用总的回收功为：

ΔW=∑ΔWi

(11)

1.2.4 轴封漏汽对热经济性的影响

轴封漏汽导致的系统做功量损失为：

(12)

式中： ΔH为轴封漏汽导致的系统做功量损失。

装置效率的相对变化量为：

(13)

式中：H为新蒸汽的等效焓降。

标准煤耗率的变化量为：

Δbs=bsδηi

(14)

式中：bs为机组的发电标准煤耗率。

2 计算模型的应用分析

2.1 机组概况

某600 MW超临界汽轮机机组采用单轴、三缸四排汽的型式。汽轮机厂家给出的高中压缸轴封漏汽份额及焓值如表1所示。

表1 轴封漏汽份额及焓值

序号漏出地点回收地点流量份额焓值/(kJ·kg-1)1高压缸前轴封2号高压加热器0.002 83 319.72高压缸前轴封中压缸0.010 13 319.73高压缸后轴封除氧器0.0052 966.24高压缸后轴封轴封加热器0.000 622 966.25高压缸后轴封轴封加热器0.000 0622 966.26中压缸后轴封轴封加热器0.000 563 187.67中压缸后轴封轴封加热器0.000 0563 187.6

为了减少轴封漏汽损失，利用机组大修期间，将高压缸排汽端轴封、中压缸排汽端轴封分别由梳齿式改造为接触式蜂窝汽封。该汽封主要由接触齿、铁素体镶齿、蜂窝带组成。铁素体镶齿的汽封片采用低硬度铁素体材质镶片，蜂窝带由内孔表面为蜂窝形状的六边形小蜂窝孔组成。经过改造，使得轴封间隙平均减少了0.13 mm，轴封更换后，机组能够顺利启动，未发生碰磨现象。若轴封间隙平均减少了0.13 mm(平均下降了16%)，μ蜂取0.5，μ梳取0，z蜂≈z梳，ξ取2.6，根据式(5)可得：

由此可得，把梳齿式汽封更换为蜂窝式汽封及减少轴封间隙的情况下，轴封的漏汽量减少了63%。

2.2 计算结果分析

以该600 MW汽轮机组为例，计算高中压缸轴封漏汽对机组热经济性的影响，轴封漏汽流出汽缸而损失的功量按式(6)、式(7)计算，轴封漏汽利用的回收功按式(9)-(11)计算。轴封系统改造前后机组的热经济性计算结果如表2所示。

表2 轴封系统改造前后机组的热经济性比较

序号改造前流量份额ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.002 82.270.5720.010 13.560.8930.0052.380.6040.000 620.580.1550.000 0620.060.0260.000 560.290.0770.000 0560.030.01合计2.31序号改造后流量份额ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.001 040.840.2120.003 71.320.3330.001 850.880.2240.000 230.220.0550.000 0230.020.0160.000 210.110.02770.000 0210.010.003合计0.85

从表2可以看出，轴封系统改造后，可降低标准煤耗率1.46 g/kWh。若年满负荷发电小时数为5 000 h，标煤价格为800元/t，则年可节约标准煤4 380 t，年节约燃料费350万元。