布莱登汽封实际应用分析
2014-01-10杨冬生
杨冬生
河南第二火电建设公司
1 概述
某电厂两台机组，是东方汽轮机厂生产的C200/140-12.75/0.245/535/535-1型，单轴、三缸双排汽、中间再热、抽汽凝汽式汽轮机。2011年2月7日7:30#1机组停机，#2机组的供热量由原来的约200t/h增大到约300t/h。2011年2月8日23：00#1机组开机后带热负荷，#2机组减热负荷，恢复原运行方式，但#2机组高压缸内缸外壁、外缸内外壁温自热负荷转移后均出现下降现象，5个小时降了17℃，外缸内壁温比外壁温下降幅度大2℃～3℃。到9日4：50#2机组高压缸胀差由原来的2.9mm增大到3.66mm，投夹层加热恢复原高缸胀差后，退出夹层加热，加热退出后夹层温度仍然逐渐降低，最小达到408℃，高缸胀差增大到4.05mm，直接影响机组的安全运行。为此不得不再次投入夹层加热运行，至使夹层加热无法完全退出，这样一旦出现机组甩负荷，无法快速切断所有入缸汽源，易造成机组超速飞车事故。只有通过分析找出缸温下降的真正原因，才能掌握机组运行状况，保证机组安全运行。
图1 高压缸夹层加热系统图
图2 高压缸夹层加热管系简图
图3
2 原因分析
大机组的高压缸一般都设计为双层缸，并设计有汽缸夹层、法兰加热系统。200MW高压缸夹层加热系统见图1,夹层加热管系简图2。
机组在额定工况运行时，设计夹层温度Ⅰ区470℃,Ⅱ区369℃，压力Ⅰ区略高于Ⅱ区。
造成Ⅰ区外缸内壁温度降低的原因并不多，主要是流经夹层Ⅰ区的高温高压汽体量少，二是外缸金属层导热量增大。因为外缸外壁温度降的速度没有内壁降的快，可排除第二个原因。夹层内蒸汽温度降低的原因分析见图3。
对以上分析出的末端原因进行逐一排除：①高压除氧器压力，虽然机组在供热量变化的过程中出现大幅变化，但稳定后和以前压力一样，不是主要原因。②高缸前第二汽封套内有部分汽封弧段张开和③大套内有部分汽封弧段浮起原因不易排除。在后面分析。④调速级压力降低，由表1可知调节级压力较以前同等条件基本一样，可排除。⑤外缸疏水阀门不严，经现场确认，此阀体温度只有35℃，非要因。⑥图2f阀门漏量大，经现场确认可排除。⑦⑧⑨可以通过一抽压力变化进行排除，由表1可知一抽压力较以前没有提高。
图4
为确认原因②和③，下面从汽封工作原理和现象上分析证明此处汽封弧段可能出现的情况。此处轴封采用的是可调式布莱登汽封，内缸大套内共有9道，高压缸前第二汽封套内是5道。布莱登汽封结构图见图4。
工作原理及工作过程：自由状态下，在弹簧力的作用下汽封弧块是处于张开状态而远离转子。机组启动时，随着蒸汽流量的增加在汽封弧块进汽侧和出汽侧蒸汽压力差的作用下，汽封出汽侧的脖颈处与汽封槽道贴合，这样在汽封弧块进汽槽处形成半封闭腔室，此处的压力等于进汽侧压力为P1，对汽封弧块背部产生的作用力为F1，出汽侧蒸汽压力为P2，对汽封弧块产生的作用力为F2，蒸汽流过汽封齿和通道时对汽封弧段产生的蒸汽压力为P3，张开作用力为F3，汽封弧块中间压簧产生的张开作用力F4，汽封弧块由闭合和张开之间移动时与汽封槽之间产生的摩擦力F5，当①F1+F2
但在实际应用中，因为制造误差和安装工艺造成汽封不能正常闭合现象也有，如其它电厂125MW和200MW等，多因加工尺寸和安装质量。本台机组安装的布莱登汽封较以前使用的汽封块，厚度大约2mm，安装后退让间隙小只有约1mm。这也增加了此处汽封状态的不确定性。
在运行工况下，根据布莱登汽封闭合条件，增大进汽压力，增大出汽侧蒸汽压力或降低汽封齿和通道对汽封产生的作用力都能提高汽封弧段的闭合力，但是增大出汽侧蒸汽压力后，汽封弧段内侧蒸气压力必然增加，参考梳齿式汽封的工作原理。
图5
把轴封看成许多个狭小通道及相间的小室串联而成的，蒸汽从高压侧流向低压侧，流经每个汽封齿尖的蒸汽流量相等公式G=uAxCxρ（G：质量流量、u：修正系数、Ax：通流面积、Cx：流速、ρ：密度），当蒸汽流经汽封齿对应的狭小通道时流速增加为t1，压力由P1降低为P2，当蒸汽由汽封齿处狭小通道流到汽室，当汽室容积与狭小通道的比值足够大时，汽室流速接近为零，动能又变成热能，比焓值不变，比熵值增大，压力P2不变，蒸汽密度变小，进入第二个汽封齿时流速增大为t2，压力由P2降低为P3，蒸汽从第二个汽封齿流到汽室时，流速降低、密度再变小。这样蒸汽流经各汽封齿时不断膨胀、密度不断减小，流速不断增大，压力不断降低，齿数越多压降越多。高压缸前轴封一般设计一块有高低十道齿，所以每块汽封弧段后蒸汽压力略小于汽封弧段内蒸汽的平均压力。这是在图五δ与汽封高度相比非常小的情况下，如果δ逐渐变大，汽封弧段内侧压力和弧段后的压力均增大，但汽封弧段内侧压力比弧段后的压力增大的快，及P3〉P2，另外，退让间隙越大，弧段之间的间隙越大，弧段进汽侧形成的汽室越不严，蒸汽在汽室内对汽封弧段向内推力越小，也就是说汽封块的退让间隙越大汽封弧段需要的闭合力越大（忽略弹簧张力的变化），相反间隙越小闭合力越小。查阅机组大修记录此处汽封弧段的退让间隙，上次大修只有约1.0mm，本次大修平均约2.0mm。
影响布莱登汽封闭合力的重要因素是质量和退让间隙，质量偏重闭合力会小于设计值，而退让间隙变大会增大闭合力。可以确定本次大修后较上次大修闭合力的初始值应增大了。
查阅机组运行历史记录2011年2月7日7：40，#1机组打闸停机，#2机组供热量增加和8日19：00机组供热量减小高压缸夹层温降低的过程详见表1。
从图2可知一段抽汽压力的变化基本反映出夹层压力的变化，从电脑历史趋势分析，高压缸外缸内壁温比外缸外壁温降的早，这一现象发生在机组减少供热量后。说明机组供热量大幅变化后，高压缸夹层从Ⅰ区流向Ⅱ区的蒸汽量减少，温度降低。因Ⅱ区及一段抽汽压力变化不大，温度降低2℃～3℃，所以可以确定Ⅰ区压力降低是造成汽缸夹层温度降低的主要原因。造成Ⅰ区蒸汽压力降低的原因由以上分析只能说明在机组热负荷大幅变化过程中，不是高压缸内缸大套内汽封弧段出现浮起就是第二个汽封套内汽封弧段出现张开。
表1
从胀差变化分析，按照表一高压缸温度变化情况，外缸内外壁温I区平均降约15度，Ⅱ区温度降低2度忽略不算，高压缸夹层I区长约1米计算，胀差增大△L=L*△T*a=1*15*12.2%=1.63mm。假设是大套汽封弧段无变化，因汽封大套背压降低，流经大套内侧的汽封漏汽量应该增加，又因蒸汽在汽封弧段内是等焓膨胀的过程，在进汽同等参数下，高压缸内缸内对应的转子长度不会收缩，第二个汽封套出现张开，漏汽量增大，转子应加热变长，这样高缸胀差应大于或等于1.63mm。而实际对应的高缸胀差只增加了0.5mm。所以高压内缸大套汽封弧段浮起应是高压缸夹层温度降低的主要原因。
通过这次分析，我们发现#2机组采用的布莱登汽封在机组满负荷情况下仍存在没有浮起现象。这也迫使我们对布莱登汽封的安装工艺应进行重新考虑，厂里沿用的布莱登汽封验收标准和安装工艺不能满足现场实际需要。需要制定更加科学严格的布莱登汽封验收标准和安装工艺。
建议在汽封一漏抽汽口增加测点和阀门，进一步确认调整轴封漏汽量。考虑布莱登汽封启闭条件，汽封弧段的退让间隙、汽封块重量、弹簧强度及汽封槽道的光洁度等都要认真核对。在低压区或汽封大套后几道布莱登汽封，可考虑将汽封弧段的退让间隙变小，汽封块重量减轻等措施，减小闭合力初始值。
[1]褚伟.重庆大学学士学位论文.传统汽封和新型结构及工作原理
