汽轮机汽封的节能改造

陈洪敏

（泰州梅兰热电有限公司，泰州 225300）

汽轮机汽封的节能改造

陈洪敏

（泰州梅兰热电有限公司，泰州 225300）

针对汽轮机前汽封漏气严重，影响机组安全经济运行的情况，将汽轮机原有的梳齿汽封改为刷式汽封和蜂窝汽封。改造后机组气耗率下降3.26%，汽封漏气现象得到改善，有效提高了机组真空严密性，减少了机组运行中油中带水的现象，实现了节能的效果。

汽轮机；刷式汽封；蜂窝汽封；节能

影响汽轮机效率的因素很多，其中汽轮机通流部分动、静叶汽封和前、后轴封漏气是导致汽轮机效率降低的重要原因之一，为减小汽封漏气的影响，汽轮机设计者十分重视汽封的设计。汽轮机最常用的汽封为梳齿式结构。近年来，国外多种新型汽封被引进，较典型的如蜂窝汽封、刷式汽封、可调式汽封、接触式汽封、侧齿汽封等。尽管这些汽封结构型号不同，但设计的指导思想基本都是通过增加齿数、减小间隙、增加阻力来提高密封效果，减小漏气所造成的损失[1]。泰州梅兰热电有限公司第二热电厂（以下简称二热电）的二台汽轮机均为武汉汽轮发电机厂生产的型号为CC25-8.83/2.45/0.98的高压可调双抽凝汽式机组。该机组采用的是传统的梳齿汽封，二台机组投产运行一段时间后都出现了机组高压端轴封漏气量大的现象，因此决定对汽轮机汽封进行改造，以达到减少轴封漏气、节能降耗的目的。

1 汽封改造前运行状况

二台CC25-8.83/2.45/0.98汽轮机汽封原来采用的是最常见的迷宫式梳齿密封。齿形轴封由许多依次排列并固定在汽封块上的金属片组成，其高低齿与轴（或轴套）上的凸肩相错对应，并在两者之间保持一较小的径向环形齿隙，每两个齿间形成一个环形汽室[2]。一定压力的空气（蒸汽），在这些汽室中逐级降低压力，阻止空气漏入汽缸内。它结构简单，成本低，有一定的控制泄漏的能力。但这种设计考虑到在汽轮机启动时，汽缸与转子存在差胀，尤其是达到临界转速时震动较大，为防止汽封齿与转子产生摩擦，因此间隙设计较大。当机组正常运行时，由于汽缸与转子的差胀逐渐减小，转子与汽封之间径向间隙相对增大，使得蒸汽泄漏量大，蒸汽的有用功减少，降低了机组的热效率，影响机组的经济性。漏气严重时会造成电厂回热设备如低压加热器、除氧器等设备运行中温度过高，存在着很大的安全隐患。由于机组高压端轴封漏气量大，部分蒸汽通过前轴承箱油挡侵入前轴承箱，从而造成机组透平油中带水现象严重，为防止油质乳化，滤油机需长时间连续运行，机组运行环境恶劣，直接影响机组运行的安全性。针对此种运行质态，我们曾对机组前轴端加装压缩空气管进行降温分流，此法虽降低了因汽封漏气温度过高引起火灾的可能性，但轴封漏出的蒸汽量并未减少，机组运行的汽耗率也未下降，油中带水现象未能根本解决。

2 刷式汽封和蜂窝汽封技术特点简介

2.1 刷式汽封技术特点

刷式汽封是近二十年迅速发展的航空发动机最新密封装置。被使用在空客A320、A380，美国的F16、F15、F22以及中国J10等战斗机中，还逐步推广到民用燃气发动机、汽轮机及小透平机上，目前在中国也正处于起步应用阶段，当前在国内300 MW以下容量的汽轮机中有非常好的实际应用业绩[3]。刷式汽封是传统梳齿汽封的最简单、实用、可行的替代品，是大型转子机械设备动密封的发展趋势，具有以下性能：

1)柔性密封。刷式汽封是一种柔性密封，能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，因此能做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙，同时由于增加了转子振动阻力，有利于改善转子的稳定性（见图1）。刷式汽封的刷环是由紧密排列的特种细金属丝组成的，每根钢丝就是一端为支点的梁，有极好的弹性，它们和转子相碰磨时，刷子可以弹性退让，不易被磨掉,保证了机组在小间隙甚至零间隙下的安全运行，即便机组过临界转速和变工况时，刷丝会跟随轴退让自己却不会磨损，待机组稳定之后，又恢复良好的密封性能；而传统刚性汽封（包括蜂窝汽封）齿只要和转子碰擦就会很快磨掉，形成永久性的泄漏通道，增大了泄漏量。试验证明，刷式汽封的漏气量是梳齿式汽封的10%～20%。

2)非常好的自密封性。刷式汽封刷子刷丝间空隙的不均匀性作用使均匀的气流进入刷丝束中就变得不均匀了，并且从紧密的刷丝束区域向疏松的刷丝束区域偏流，这些偏流在刷丝排之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和漩涡流。而当一射流遇到前面紧密的刷丝束时，就会改变运动方向而变成和主流方向垂直的横向流动，即横向流。正由于刷丝束破坏流动且确保流动的不均匀，使流体产生了自密封效应，横向流动代替向前流动显然是对流体自密封的重要贡献，它能使横流流过刷子的总压降增大从而减少密封的泄漏。概括地说，无论是在环形的刷子中还是在线性的刷子中，其流动都存在4种基本形式，即同向流、射流、漩涡流和横向流。如图2所示，当气流通过刷丝有一定间隙的区域时一般就变成同向流或射流，而遇到刷丝周围没有间隙而轴向（横向）有间隙的区域就变成横向流，当同相流、射流或横向流进入一较大的空隙区域就有可能产生漩涡流。刷丝在流体流动过程中就像无数多的迷宫密封中的梳齿，能很好地起到节流的作用，消耗气流的能量，产生降压作用。

3)零间隙密封。减少间隙一直是密封技术最高的追求。减少间隙就意味着减少泄漏。迷宫式、蜂窝式及刷丝式等类型汽封都是为了减少间隙。刷式汽封也是一样，其安装甚至可以达到零间隙，这是以往所有的动密封所不能够做到的。正是由于刷式汽封间隙很小，一些业内权威资料表明：刷式密封的泄漏量仅为同轴径梳齿密封的1/5～1/10。

4)迟滞性。刷式汽封还有另一个技术特点：流体作用的压差越大，刷丝越紧密，泄漏量就越小，当压差再减少时，由于刷丝之间的摩擦阻尼作用，使泄漏随压差减少的变化滞后，从而使泄漏低于同压差增加时的泄漏值。刷式密封在泄漏试验中的“迟滞”现象充分说明了其作为全新一代汽轮机密封结构形式的先进性和优越性。

2.2 蜂窝汽封技术特点

蜂窝汽封是一项成熟的技术，已广泛应用于飞机、航船的发动机以及汽轮机、燃气轮机、压缩机中，蜂窝汽封的使用寿命是普通梳齿汽封的两倍以上，具有减少泄漏、提高转子稳定性、提高效率等多重优越性能。汽轮机蜂窝式汽封由镍基耐高温合金蜂窝带与环体组成，安装在静止部套上(汽封体)。蜂窝式汽封的结构见图3。蜂窝式汽封的技术特点为：

1)可磨性好。蜂窝汽封中正六边形的蜂窝孔由厚度仅为0.05～0.10 mm的镍基耐高温合金经特殊加工手段制成蜂窝带而形成，蜂窝带的材质柔软，具有可磨性，故径向间隙可以控制得比梳齿式迷宫汽封要小。破坏性耐磨试验结果表明，蜂窝式汽封对轴的摩擦损伤程度仅为铁素体梳齿式汽封的l/6，即使发生动静摩擦，也不会伤及轴颈。

图1 刷式汽封结构示意图

2)高效密封。在同样的径向间隙值下，蜂窝式密封的漏气流量比梳齿式少50%～70%，可从根本上解决轴端漏气严重导致油中进水所引起的透平油乳化问题，从结构上解决了低压缸轴端密封因胀差引起的低齿掉台、高齿倒伏的问题，对确保凝汽器的真空度，提高机组效率有重要意义。

3)双向阻尼。在梳齿迷宫汽封中，气流周向旋转运动是引发机组轴系自激振动的主要原因，而蜂窝汽封的轴向网格可有效阻止这股气流的流动。轴及叶轮的高速旋转带动汽体切向运动，而汽封两侧的压差会使汽体沿轴向运动。气体在通过蜂窝表面时会遇到切向及轴向两个方向的阻力。有效阻止了工质在周向的运动，可使轴系自激振动减至最小，确保转子的运行稳定性。气流在进入各个蜂窝网格时，增大了气流与汽封圈的热交换面积，使气流的动能大为减弱。同时，由于气流会形成漩涡，将气流向前的速度矢量转化为旋转矢量，从而进一步减少向前的动能。因此，在同等轴向长度的密封范围内，蜂窝汽封泄漏量自然最小。

4)除湿效果明显。低压缸叶顶汽封采用蜂窝式汽封，利用蜂窝的网格结构把甩到蜂窝上的水珠吸纳住，通过蜂窝背板上的疏水槽将收集的水排走，降低了蒸汽湿度，有效地保护低压缸末几级动叶片免受水力冲蚀，有利于动叶片的长期安全运行[4]。

图3 蜂窝式汽封结构图

3 汽封改造方案

针对二热电二台CC25-8.83/2.45/0.98汽轮机的结构特点和运行中存在的问题，运用刷式汽封和蜂窝汽封联合改造方案，充分发挥刷式汽封和蜂窝汽封优点，做到既解决问题，又降低成本。二热电2#机组汽封的改造数量为：蜂窝汽封12圈和刷式汽封8圈。应用的具体位置：前汽封（刷式汽封和蜂窝汽封各5圈，其余保留原来的梳齿汽封）、隔板汽封（5圈蜂窝汽封和1圈刷式汽封，其余4圈保留原来的梳齿汽封）、后汽封（后轴封共4圈，全部改造，刷式汽封和蜂窝汽封各2圈）。汽封改造示意图见图4、图5、图6。高压轴封：因该处温度和压力大，机组泄漏严重，是机组改造的重点，图4中空着的位置表示保留原来的梳齿汽封。低压后轴封：后轴封共4圈，里面2圈汽封能有效减少轴封供气，提高机组真空度和真空严密性；后面2圈汽封是防止空气进入凝汽器和轴封供汽外漏，见图5。隔板汽封：本机组隔板共有17个压力级，隔板汽封较多；为了减少成本，降低改造费用，仅就一些对机组效率提高作用较大的地方做了改造，这几处要么压力降较高，要么就是抽气点，对机组的性能影响较大，见图6。由于1#汽轮机组的汽封漏气比2#严重，改造工作则根据当时的机组运行状况，结合2#机组改造中的经验，将需要更换的1#机组原有梳齿汽封部分更换成为刷式汽封，从而有效地减少汽封漏气，改善机组运行中油中带水的状况，保证机组运行的经济性和安全性，确保改造后的1#机组节能效果。二热电1#机组汽封的改造数量为刷式汽封25圈。应用位置为前汽封（7圈汽封改成刷式汽封，其余保留原来的梳齿汽封）、隔板汽封（15圈汽封改成刷式汽封，其余保留原来的梳齿汽封）、后汽封（3圈汽封改成刷式汽封，还有一圈保留原来的梳齿汽封）。

图4 二号机前汽封改造方案

图5 二号机后汽封改造方案

图6 二号机隔板汽封改造方案

4 汽封改造后运行状况

二热电于2009年1月16日至2009年2月10日完成了2#汽轮机组汽封的改造工作，2010年2月18日至2010年3月26日完成了1#汽轮机组汽封的改造工作。对改造前后机组的汽耗进行了测试和对比。测试数据见表1、表2。从表1试验数据及其计算结果汇总表中可看出，机组经过汽封节能改造后，运行经济性得到了明显提高：①改造后机组热耗率比改造前降低了230.349 6 kJ/kW·h，下降了2.66%。③改造后机组汽耗率比改造前降低了0.070 1 kg/kW·h，下降了1.802%。经计算1#汽轮机机组改造前的热耗率8 736．206 2 kJ/kW·h，气耗率3.867 kg/kW·h；改造后的热耗率8 443.750 8 kJ/kW·h，汽耗率3.746 kg/kW·h。从表2试验数据及其计算结果可看出，1#机组经过汽封节能改造，其运行经济性得到了明显提高：①改造后机组热耗率比改造前降低了292.455 4 kJ/kW·h，下降了3.34%；②改造后机组汽耗率比改造前降低0.126 kg/kW·h，下降了3.26%，达到了降低汽耗率≥2%的改造目标。

表1 2#汽轮机汽封改造试验数据及其计算结果汇总表

5 改造后的节能效果

二热电1#、2#机组通过汽封改造后有效改善了机组运行中油中带水的现象，对机组的运行环境有很大的改善，同时通过汽封改造，提高了机组的真空度和真空严密性。在同等工况运行情况下轴封供汽减少，机组中间隔板抽汽稳定性也很好，由于蒸汽泄漏的减少和真空度提高，有效地提高了机组的效率，降低了机组的汽耗，按照二台机组改造后所做的试验结果，可计算出由于汽轮机汽封改造产生的节能效果。经改造后1#机组汽耗下降了0.126 kg/kW·h，2#机组汽耗下降了0.070 1 kg/kW·h，机组年运行小时数按6 000 h计算，二热电锅炉原煤汽比为1∶6.6。二台机组年节约原煤量为：（0.126+0.070 1）×25 000×6 000/6.6/1 000=4 456.82(t)；折标煤量为：4 456.82×5 000/7 000=3 183.44(tce)。二台机组经汽封节能改造后年可节约3 183.44吨标煤，节能效果显著。按原煤价600元/吨计算，二台机组汽封改造后年可节省燃料成本267.41万元。1#、2#汽轮机组汽封改造费用总计为79.8万元，4个月内就能收回全部投资成本。

表2 1#汽轮机机组改造前后（试验条件：机组纯凝工况运行，高加切出运行）

[1]魏琳健，李春清．汽轮机密封技术的应用和发展[J]．热能动力工程，2005，20(5)：455-459.

[2]翦天聪．汽轮机原理[M].武汉：水利电力出版社，1992：6.

[3]朱梅芳．半山发电有限公司4号汽轮机大修前后热力试验报告[R]．半山发电有限公司，2008：7.

[4]潘炜．浅析蜂窝式汽封结构特点和密封机理[J]．应用能源技术，2011(3)：40-41.

（责任编辑：王晓燕）

Transformation of Steam Seals of Steam Turbine

CHEN Hong-min
（Taizhou Meilan Heating and Power Co.，Ltd，Taizhou 225300，China）

In consideration of the severe steam leakage due to the front steam seals which has affected seriously the safe and economic operation of turbine unit,the existing comb-tooth steam seals were transformed into brush seals and cellular seals.After the transformation,the steam leakage has been solved and the rate of steam consumption has decreased by 3.26%，which has effectively improved the vacuum tightness of the turbine units, reduced the water in oil during the operation,and achieved the target of energy saving.

steam turbine；brush steam seal；cellular steam seal；energy saving

TK413

A

1671-6191（2014）04-0014-04

2014-08-31

陈洪敏（1966-），女，江苏泰州人，泰州梅兰热电有限公司工程师，研究方向为热电。