600MW机组应用蜂窝汽封节能的试验研究

2019-06-04刘灿

上海节能 2019年5期

刘灿

邹县发电厂

0 前言

能源与社会的发展息息相关，它是经济持续增长的不竭动力。伴随我国电力市场快速发展和电力工业结构调整，发电企业致力于提高发电效率，降低发电成本。随着汽轮机运行参数的提高，在同样的密封间隙下，极间漏气损失也越来越大，漏气损失已成为制约汽轮机组效率提高的主要因素[1]。

影响汽轮机效率的因素主要有：动叶顶部汽封漏汽损失(约占35%)、隔板汽封漏汽损失（约占9%）、动叶粗糙和腐蚀(约占10%)、喷嘴粗糙及腐蚀(约占 18%)、结垢(约占 14%)、其他原因(约占14%)等造成的损失。汽封泄漏损失占汽轮机全部损失的44%，是影响汽轮机效率的主要原因[2-4]。

梳齿汽封因具有结构较为简单、成本低等特点，被广泛采用。然而因汽封齿与转轴之间的径向间隙较大，当蒸汽经过时使大量蒸汽未做功便泄漏到级后，造成经济损失。此外，转轴因故障发生异常振动时，焊接牢固的汽封齿容易与转轴发生接触，对机组的安全运行带来不利影响[5,6]。随着汽封加工工艺的进步，发电厂进行改造时可选择多种新型汽封，如侧齿汽封、刷式汽封、蜂窝汽封等。为响应国家节能减排政策，火力发电厂积极进行节能改造工作。综合考虑汽封结构形式、材料成本等，在合理的汽轮机位置应用合理汽封型式，对机组安全经济运行具有重要意义。本文介绍了目前常用的几种新型汽封结构在电厂汽轮机的改造实例及效果，并以某电厂改造项目为基础，得到进行蜂窝汽封改造的热耗率及缸效率，为电厂汽轮机的汽封选择及改造具有一定的参考意义。

1 汽封结构形式及原理

1.1 梳齿汽封

梳齿汽封是电厂应用范围最广的汽封型式，其结构如图1所示。汽封高低齿与转轴之间构成许多小空间，称为汽室。当高温高压的蒸汽流经汽封齿时，因流动通道面积减小，蒸汽速度提高，压力降低。蒸汽流入汽封高低齿后的汽室时，因流动通道面积增大，蒸汽在汽室内不断与壁面摩擦接触，发生紊流过程，流速相应降低，压力随之升高。当流经下一汽封齿时，不断重复上述的过程，以达到减少蒸汽泄漏的目的。

图1 梳齿汽封结构图

1.2 侧齿汽封

侧齿汽封相对其他新型汽封结构简单，仅在梳齿汽封齿腔室或侧面安装顶齿或侧齿，如图2所示。当蒸汽流入汽室后，因顶齿或侧齿加剧了蒸汽紊流，能有效减少蒸汽损失。研究表明，在汽封体轴向长度不变时，增加汽封齿数，则加剧汽封室内扰动的程度，增强能耗；侧齿厚度存在最优值，使侧齿汽封的漏汽量最低；侧齿汽封的侧齿高度对汽封的密封性能有较大影响。在相同条件下侧齿汽封漏汽量比传统梳齿式汽封漏汽量低约20%，故侧齿汽封可以有效减少漏汽量[7,8]。

中石化石家庄炼化分公司汽轮机装置的1#汽轮机为南京汽轮机厂制造的B6-35/10型背压式汽轮机组，该机组的额定功率为6 000kW，主蒸汽进汽压力为3．5MPa、进汽温度435℃，排汽压力1．0MPa、排汽温度295℃，汽封系统采用传统的梳齿汽封。因机组运行多年，汽封处蒸汽泄漏严重。该电厂采用侧齿汽封替换原汽封后，经试车运行各轴承的振动正常，最大振幅控制在0．03mm以内。机组汽封系统漏汽量大幅降低，每小时可节约蒸汽8．25t，有效降低了蒸汽的泄漏量，机组效率明显提高[8]。

图2 侧齿汽封结构图

1.3 刷式汽封

20世纪80年代末，ROLLS-ROYLE公司通过试验得出了刷式密封在封严上的良好性能，提出采用刷式密封替换传统梳齿密封的策略，自此刷式密封实际应用日益增多。刷式汽封是由刷丝束、前板及背板通过胶合等方式组成，如图3所示。为适应在高温高压等环境下工作，刷丝束材料一般选取镍基合金。为防止刷丝与转轴直接摩擦接触引起异常振动等问题，刷丝束通常以一个确定的角度安装，这个角度称为安装角。安装角取值范围一般为30°＜＜60°。研究人员对刷式汽封前板及背板的结构和尺寸进行了积极探索。研究表明背板高度的增加，蒸汽泄漏量将会增大。在同一背板高度下，进口压力值越大，则汽封蒸汽泄漏量越大。随着刷束厚度的增加，因刷束对流体阻力增加，使蒸汽泄漏量随之降低。当径向间隙增大时，加剧刷丝变形或弯曲幅度，使蒸汽泄漏量也随之上升[9,10]。

某电厂汽轮机是东方汽轮机厂生产的型号为N600-16．67／538／538-1，亚临界、单轴、三缸四排汽、一次中间再热、双背压凝汽式汽轮机。机组设计热耗数值为7 803 kJ/(kWh)，实际投入运行热耗值高于设计值。试验数据表明机组的热耗为8 180 kJ/(kWh)。电厂采用刷式汽封替换低压缸原梳齿汽封进行改造后，试验结果表明修正后热耗率数值比大修前低78．50 kJ/(kWh)。机组大修后在THA工况下的高压缸内效率为84．61%，比大修前热力性能试验测得的效率高0．46%；中压缸内效率为93．77%，较大修前热力性能试验结果低0．15%。

图3 刷式汽封结构图

1.4 蜂窝汽封

蜂窝汽封是由排列整齐的正六面体孔状的密封带构成。它是将梳齿汽封的低齿去掉，采用真空钎焊等技术将蜂窝带焊接在汽封环母体上。蒸汽通过蜂窝汽封腔室时，蜂窝带扰动蒸汽流动，形成漩涡使蒸汽的动能转化为热能，最终加热到蒸汽中。当蜂窝汽封与转轴发生接触时，因蜂窝带材料柔软，不会划伤转轴。此外，蜂窝汽封还可以抑制蒸汽的激振，提高转子运行稳定性[11]。

2 机组概况

某电厂3号机组汽轮机由东方汽轮机厂引进日立技术生产制造的N600-24．2/566/566型超临界压力、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、纯凝汽式汽轮机。机组的设计热耗为7 506kJ/(kWh)。电科院人员对机组进行了热力性能试验，经过修正后的热耗分别为 8 214．68kJ/(kWh)和 8 200．97kJ/(kWh)，修正后热耗平均值为8 207．82kJ/(kWh)，比设计热耗高701．82 kJ/(kWh)。该机组的实际运行热耗值远远超过出厂设计热耗值。电厂决定采用蜂窝汽封替换原梳齿汽封。汽封具体改造位置为：高压轴封1-5级、中压轴封1-4级、低压缸1-3级、高压缸隔板1-7级、中压缸隔板1-6级、低压缸隔板1-6级均由蜂窝式汽封替换原梳齿汽封。

3 汽封改造实例

通过参考相关热力性能试验规程，某电力科学研究院人员在3VWO工况下进行了两组试验，试验结果见表1和表2。

1）对以上试验数据进行整理计算，在额定工况下试验热耗率数值为8 053．65 kJ/(kWh)，经过参数修正后的热耗率值为7 909．79 kJ/(kWh)，比设计值7 506 kJ/(kWh)高 403．79kJ/(kWh)，比改造前热耗值 8 207．83 kJ/(kWh)降低 298．04 kJ/(kWh)。汽封改造后，明显降低了汽轮机热耗率，改造效果良好。

2）在额定工况试验下，改造后高压缸效率83．115%，比设计值86．26%降低3．145%，比改造前高压缸效率81．99%提高1．125%；改造后中压缸效率90．595%，比设计值92．56%降低1．965%，比改造前中压缸效率89．82%提高0．775%。经过刷式汽封节能改造，高压缸效率及中压缸效率比改造前的缸效率均有提高。