布莱登汽封技术在600WM汽轮机组上的应用

2015-08-22淮南洛河发电厂安徽淮南232007

中国设备工程 2015年9期

关键词：汽封梳齿轴封

高　明（淮南洛河发电厂，安徽`淮南`232007）

高明
（淮南洛河发电厂，安徽`淮南`232007）

淮南洛河发电厂针对电厂在用600WM汽轮机缸内漏汽损失大、缸效低、经济性不佳等运行现状，利用布莱登汽封技术在机组大修时对其汽轴封加以改进，为布莱登汽封技术在同类型汽轮机组上的应用提供了宝贵的实践经验。

600WM汽轮机；汽轴封；布莱登汽封

一、设备概况

大唐淮南洛河发电厂#5汽轮机组是上海汽轮机有限公司引进美国西屋公司技术生产的N600-24.2/566 /566-600MW超临界中间再热凝汽式汽轮机，其高、中压汽缸为冲动式调节级和反动式压力级的混合型，具有双流式、反动式两个低压缸。汽轮机汽封除高中压缸平衡活塞汽封及喷嘴汽封采用布莱登汽封外，其余均采用传统的梳齿式汽封。

自投产以来，汽轮机的热耗率、高压缸效率、中压进汽平衡盘漏汽率均明显偏离设计值，大大增加了机组的煤耗，修前机组热力试验，在3VWO和460MW负荷工况下，修正后热耗计算结果分别为8123kJ/kW·h和8370kJ/kW·h，明显超出设计值7597kJ/kW·h。460MW工况下，#5机高压缸效率为81.58%；中压缸效率为92.71%。其原因主要是由于采用传统梳齿式汽封，经过长时间运行后径向密封间隙过大。汽轮机内部的泄漏可影响到汽轮机热效率损耗的80%，尤其是高中压汽缸等敏感部分的间隙过大，其效率损失可超过其余各种效率损失的总和。同时，高压轴端汽封的漏汽量偏大，将引起汽轮机油中含水量超标，严重影响汽轮机运行的安全性。

二、传统梳齿式汽封

1.传统梳齿式汽封的工作原理

迷宫式汽封中根据断面的形状不同常用的有枞树型汽封和梳齿式汽封，由于后者成本更低、结构简单，因此淮南洛河发电厂国产引进型600WM汽轮机上采用的是传统梳齿式汽封。其密封形式为高低相间梳齿式，配合转轴上对应的凸台或凹槽，如图1所示，当蒸汽流经汽轴封梳齿时，由小的间隙流入扩大的汽室，因阻力和涡流的作用，使汽压不断下降，流速减小，比容增大，利用多级节流膨胀的原理，其漏汽量的大小直接影响整机效率及机组出力。

图1　传统梳齿式汽封的结构

在亚音速下，即：P2/P1≥K=0.85×（Z+1.5）1/2，则：漏汽量Gf=ξF·［g（p12-p22）/Zp1V1］1/2。

在超音速下，即：P2/P1＜K=0.85×（Z+1.5）1/2，则：漏汽量Gf=ξF·［gp1/（Z+1.5）×V1］1/2。

由上式可知，汽轴封漏汽量与梳齿根数的平方根成反比，与梳齿的间隙成正比，因此，目前大功率汽轮机组为保证较高的效率，均设计具有多道的轴封和隔板汽封，同时尽可能调整梳齿径向间隙，来达到一定的密封效果，通常其径向间隙为0.60～0.80mm。

2.传统梳齿式汽封的优缺点

梳齿式汽封密封结构是当前汽轮机使用最广泛的一种传统密封结构，该汽封成本低、结构简单、易于安装。但由于传统梳齿式汽封是由汽封圈车削加工而成，因而汽封齿较厚，一般为0.4～1mm左右。如此厚的密封齿一旦与转子发生摩擦，不但对转子损害严重，而且还会引起机组更强烈地振动。因此，为确保安全，经常以牺牲经济效益为代价，在现场检修时将这些间隙进一步放大。运行中汽缸跑偏、受热变形、碰磨或者在开机过程中汽封弹簧片卡涩，极易导致隔板汽封、叶顶汽封和轴封不同程度磨损，不仅汽封漏汽量增大，还会出现因沿圆周方向径向间隙分布不均，而引起蒸汽作用力沿圆周方向分布不均衡，产生蒸汽激振。激振一旦发生，将很难消除，严重危及机组安全。同时，机组在启停过程中，由于排汽、背压等因素引起的胀差变化较大，因采用梳齿汽封结构轴封和隔板，其转轴上部密封凸台与汽封短齿会产生位移，容易造成短齿“掉台”，而高齿则被拉弯“倒伏”的现象，进一步增加了泄漏量，使整机效率受到极大的影响。

三、布莱登汽封

1.布莱登汽封的工作原理

布莱登汽封取消了传统汽封背部的板弹簧，取而代之的是在每圈汽封弧段端面处，加装了4只螺旋弹簧，并且在每个汽封弧段的背部进汽侧中间位置铣出1个进汽槽，使上游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”与汽封槽道处的间隙。

（1）自由状态

自由状态时，详见图2、3。

图2　汽封自由状态下示意图

在弹簧应力作用下汽封弧块处于张开状态而远离转子；机组启机时，随着蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧块背部的蒸汽压力逐渐增大，当这一压力足以克服弹簧应力和摩擦阻力时，汽封弧块逐渐关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运行；停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力作用下，推动汽封弧块远离转子，使汽封与转子的径向间隙达到最大值。布莱登汽封圈上的受力情况如：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。

（2）工作状态

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，此时作用力关系为：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，此时作用力关系为：F1+F2＞F3+F4+F5。

汽封弧块在关闭力的作用下逐级关闭，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4所示。

图3　汽封压力分布图

图4　汽封工作状态下示意图

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。布莱登汽封通过汽封弧段的自动开启和关闭，实现了机组启、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，机组正常运行期间，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.布莱登汽封的优缺点

布莱登汽封是从美国引进的一种新型可调式汽封，减小了汽封环后背弧在槽道内的轴向宽度，减轻了汽封环的锈死危害，汽封环进汽侧中心部分加工有进汽槽道，使蒸汽直达汽封块后背弧。在汽封块端部加工了弹簧孔，取消了传统背撑弹簧片式汽封后背弧的弹簧压片。布莱登可调汽封，可根据汽轮机启停过程及调峰情况，设定汽封环闭合时间，或根据大修机组中汽封磨损情况，设定不同位置汽封环关闭时间。这样可使汽轮机启停过临界转速，启动温度梯度最大时，汽封环离开汽轮机轴打开，汽封间隙最大，避免汽封与轴动静碰磨。当汽轮机运行工况稳定或带一定负荷时，汽封环闭合，汽封间隙达较小值，由于汽封间隙在启停过程中可调，汽封闭合时间隙可以在大修安装中调整到制造厂家给定的最小值，降低了级间汽封和轴端汽封漏汽量。

由于汽轮机转子存在质量偏心或动不平衡，运行中转子均有不同程度的振幅摆动，其摆动幅值除与其自身质量偏心程度相关外，与汽封和轴承径向间隙的阻尼作用大小（即阻尼系数）有关。

根据非线性系数振动模态分析可知，动静间隙的等效阻尼系数与转子摆动幅值的关系为：

其中，A为幅值；F为阻尼力；Ce为等效阻尼系数；ω为转子振动角频率。

其中，η为蒸汽动力粘度；n为汽封或轴封齿数；b为阻汽片宽度；D1为汽封或轴封外径；D2为转子外径。

由上述公式可知，当汽封间隙减小时，阻尼系数增大，转子摆动幅值减小。

因此，减小汽封径向工作间隙对转子运行摆幅值具有一定的抑制作用，从而提高机组运行的稳定性，而布莱登汽封运行间隙明显要小于传统梳齿式汽封，对抑制转子摆动幅值，提高机组运行稳定性的效果更加明显。

四、布莱登汽封安装实施方案

淮南洛河发电厂通过对其他电厂的详细调研，再结合本厂300WM汽轮机组汽封的改造经验，确定了配合#5机组大修，采用布莱登汽封技术对高中压缸进行改进，并将汽封间隙控制在厂家要求标准下限±0.05mm，具体改造范围详见表1。

表1　改造范围及间隙标准（均按汽流方向排列）

大唐洛河发电厂#5机组大修中，根据完善后的汽封间隙控制标准，对#5机高中压缸进行洼窝及汽轴封间隙调整后，具体间隙数据见表2～5（在转子推向推力轴承电端的测量记录）。

表2　调节级通流间隙记录　mm

表3　高、中压平衡活塞及高压排汽侧平衡活塞（标准值0.45±0.05）　mm　

表4　高压轴封径向间隙　mm

表5　中压缸径向通流间隙　mm

五、采用布莱登汽封技术的效果分析

大唐淮南洛河发电厂通过#5机组大修，分别对高压喷嘴室汽封，中压2～8级隔板汽封，高中压缸轴端内汽封共11道汽封进行了布莱登汽封改进，并对高压进汽平衡环汽封、中压进汽平衡环汽封，高压排汽平衡环汽封共10道汽封进行了径向密封间隙调整工作。为了解改进后所达到的具体效果，由安徽电科院进行了大修前后热力试验，并进行了比较分析，试验结果详见表6、表7。