新型汽封技术在热电汽轮机组节能改造中的应用

傅晓峰

(浙江巨化热电有限公司，浙江 衢州 324000)

1 背景介绍

《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》要求，到2020年，现役燃煤抽凝发电机组平均供电煤耗必须低于305 g/(kW·h)。浙江巨化热电有限公司(以下简称“巨化热电”)9#汽轮机组供电煤耗均高于同类型机组平均水平5 g/(kW·h)，应加快实施节能改造。探索新型节能汽封技术在汽轮机组的研究和应用，对降低燃煤机组供电煤耗具有重要意义。

2 能耗状况

2.1 现行国家能耗标准

现役抽凝机组：供电煤耗 305 g/(kW·h), 综合供热煤耗 42.5 kg/GJ。

2.2 巨化热电9#机组能耗状况

巨化热电2005年投产的9#机组，是由上海汽轮机厂生产的亚临界、单轴、双缸、双排汽、凝汽式、中间再热135 MW汽轮机组，型号N135-13.24/535/535，额定主蒸汽压力13.24 MPa，额定主蒸汽温度535 ℃。

根据该机组2006年竣工测试报告，高压缸缸效较设计值低3%(见表1)。

表1 9#机组发电热耗测试数据Table 1 Measurement data of heat consumption in power generation of 9# unit

该机组运行至今已经接近13年，并且在历年大修中没有对高中压缸缸内通流间隙与密封件进行较为彻底的改造，加之机组还是使用较为传统的梳齿式密封器件，根据国内机组汽封连续运行损耗曲线平均值估计，真实高压缸缸效较设计值低5%，真实中压缸缸效较设计值低3%。

2.3 9#机缸效降低的主要原因

根据机组运行参数进行分析，9#机缸效降低的主要原因如下:①高中压缸内通流间隙较大，导致高压缸缸效降低;②高中压过桥(持环)部位汽封密封效果严重降低，导致高压缸缸效严重下降，中压缸缸效虚高，经测算，高中压过桥部位泄漏率在11%左右;③高中压缸转子叶片、隔板喷嘴可能积垢严重，导致通流阻力增大。

3 改造方案及实施情况

3.1 改造方案

3.1.1 原汽封的工作原理

现代汽轮机最常见的汽封是高低齿型梳齿式汽封，是非接触动静密封件的典型。它由许多高低齿尖和两齿间的环形汽室组成。汽封的腔室越大，密封效果越好(热力学效应)；流道表面越粗糙，密封效果越好(摩阻效应)。但一般设备现场汽封安装的空间狭小，且这种简单的齿形结构虽然方便机加工，可表面过于光滑，透气效应较强。在一般直通迷宫中，由于通过缝口后的气流只能向一侧扩散，在膨胀腔室内不能充分进行动能向热能的转换，而靠光滑壁一侧的汽流速度不减小或略微减小，就直接越过各齿顶流向低压侧，存在负效应。

3.1.2 腔体扩容

为了使气体更好的扩容耗散，在结构强度允许的情况下增加汽封腔体的容积(见图1[1]、图2)。

由于受到涡流腔室出口低压的影响， 汽流被强制牵引入涡流腔室入口。图1 常规梳齿式汽封结构示意图Fig.1 Structure of common comb-shaped steam seal

涡流腔室汽流出口, 由于低压区作用,汽流被强制牵引出。图2 扩容后的梳齿式汽封汽流矢量图Fig.2 Steam flow vector of expanded comb-shaped steam seal

扩容扰流式汽封与常规梳齿汽封蒸汽接触面积比较：按汽封360 mm长度计算，扩容扰流式汽封高低齿单个涡流槽流体接触面积为2.2万mm2，而梳齿汽封高低齿单个槽流体接触面积为0.75万mm2。扩容扰流式汽封流体接触面积接近梳齿汽封的3倍，因此，当蒸汽流经汽封体时，扩容扰流式汽封比梳齿汽封给予蒸汽更大的剪切应力。

3.1.3 增加热耗散

为了降低汽流流速，增加汽流阻力，在腔体内增加了较多扰流小齿(见图3)，消耗高速汽流由于惯性冲入腔体内的汽流动能，使汽流在涡流腔体内进行充分热耗散。在腔体中的小齿形成30°的倾斜角，增加阻汽率。

图3 腔体内增加了较多扰流小齿的示意图Fig.3 Diagram of a lot of disturbing teeth added in cavity

3.1.4 降低透气效应

增加小齿后，涡腔阻力增大，又会使透气效应增强，因此利用进气口流速高、压力低的伯努力效应，迫使腔体内的气体加速流动，形成涡腔的降压效果(见图4)，促使涡腔内已经热耗散的汽流流出扰流腔体。

图4 形成涡腔的降压效果示意图Fig.4 Effect diagram of pressure drop due to vortex chamber formation

3.1.5 利用汽流对流产生抵消效果

由于流出涡流腔室内的汽流，通过了涡腔的热耗散，使汽流密度增加，温度降低。喷流出的汽流与高齿的进汽流形成90°夹角对冲(见图5),进一步增加了进汽的阻力(见图6)。

图5 喷流出的汽流与高齿的进汽流形成90°夹角示意图Fig.5 Diagram of 90°angle between the steam sprayed out and the steam feeding into high teeth

图6 动能等值线示意图Fig.6 Kinetic energy contours

3.1.6 改为倾斜齿，使阻汽最大化

直齿α=0°对应的泄漏系数明显大于梳齿倾斜角度为α=30°和 45°对应值。这是因为梳齿面的倾斜使得处于扩散状态的射流在撞击到下游的齿面时，会顺势沿着倾斜齿面流进齿腔，相较于直齿，有更多的流体进入齿腔，齿腔内的旋涡扰流得到充分发展，扰流强度有所增加、流度增大，与射流区流体相互作用，使得射流与齿腔中的扰流质量、能量交换增大，消耗流体动能，增大了流动阻力。另外，当梳齿倾斜时，齿腔中流体与壁面的接触面积增大，因此摩擦消耗的能量更多。说明增大梳齿倾斜角度有利于减小泄漏系数，提高汽封严密性。

3.2 新汽封工作原理

(1)利用汽封腔体内各位置的不同压差，引导蒸汽流动。

(2)利用扰流腔室与涡流内的小齿的分割作用，涡流区耗散强度增加，汽封腔室中的湍流特性变得更加复杂，使蒸汽在涡流腔体内消耗动能。

(3)扰流腔体的出口与进汽高齿成 90°夹角，使喷出气体与从高齿进入的蒸汽相互作用，达到增加流入蒸汽的阻力、减少进汽量的目的。

综上所述：扩容扰流式汽封是利用其较为复杂的流体构造来减缓蒸汽的流动速度，又能达到降低汽封的透气效应的目的。

3.3 实施情况

(1)根据现场测量的尺寸，重新加工扩容热耗散扰流减压汽封(10圈)，包括高中压持环轴封7圈，压隔板轴封3圈。

(2)在现场进行镶嵌式汽封(阻汽片)的更换和调整，不用返厂就能进行改造，保质量，保工期。

(3)在轴系中心调整完毕后，进行洼窝的测量，按测量数据进行微调。

(4)在解体前，先用塞尺测量下缸左右侧各级阻汽片的大致间隙值。

(5)用π尺测量各级阻汽片对应的轴径的精确尺寸，并逐级作好记录。

(6)用卡尺测量修前各级阻汽片的直径尺寸，记录间隙的超标值。

(7)调整修复。将上下内缸调平，使结合面尽量保持水平；按轴系中心调整好后的洼窝数据安装刮尺机，对机组转子的漂移同时进行修正。完成第一次修刮，将内下缸回装，吊入转子，进行第一次间隙测量；测量后根据现场数据再进行修刮中心的微调，按给定的标准值进行第二次修刮。第二次修刮后，再次吊入测量，按标准要求进行自行检验，对不符合要求的个别点进行微调。最后根据下缸的数值进行上缸间隙的调整。

4 效果对比

4.1 改造前后数据对比

(1)高、中压缸效率对比见表2。

表2 高、中压缸效率对比Table 2 Comparison between efficiency of high pressure cylinder and that of intermediate pressure cylinder

(2)热耗率试验数据见表3。

表3 热耗率试验数据对比Table 3 Comparison between test data of heat consumption rate

(3)主参数修正量见表4。

表4 主参数修正量对比Table 4 Comparison between correction values of main parameters

(4)凝汽器性能分析见表5。

表5 凝汽器性能对比Table 5 Comparison between performances of condensers

4.2 经济性分析

汽封改造前，110 MW工况的试验热耗9 228.7 kJ/(kW·h)，修正后为8 683.29 kJ /(kW·h)。节能汽封改造后，100 MW工况(因生产需要仅能近似达到同等负荷条件)的试验热耗9 151.36 kJ/(kW·h)，修正后为8 613.26 kJ/(kW·h)。

改造后，一次开机成功。改造后漏汽率保证值为7.4%，预期值为6.5%。经对照试验测算，实际降低热耗 70 kJ/(kW·h)，相当于降低2.28 g发电标准煤耗/(kW·h)。

4.3 其他效益分析

改造后9#机第3、第4道轴瓦各方向振动幅值均下降20～30 μm。原因可能是通流部分级间漏汽量减少，使得转子膨胀更接近理论计算值，使运行更平稳，从而可以延长机组的使用寿命。

改造不需要对原汽缸汽封槽进行加工，安装方便，且改造后的汽封对安装间隙的要求更低，阻汽效率保持更长久，可节省后期的检修费用。

5 结语

传统汽轮机在安装或检修时，技术人员为了避免汽封结构上的缺陷，汽封的径向间隙往往会被调整得大一些，以减少动静部件间的碰磨。但调大汽封径向间隙会增加正常运行机组的蒸汽漏汽量。虽减少了做工，但会降低机组的热效率[2]。通过改造，在保持原有外形配合尺寸不变的情况下，利用现代加工技术增加侧齿，并将部分直齿改造为倾斜齿，制造出兼容传统高低齿的汽封，具有安装方便、安全、高效的特点。而且因为不是完全依靠动静部分间隙来达到密封效果，对密封间隙要求不高，密封效果更持久。

改造后的汽封既保持传统梳齿式汽封的安全与通用性，又具有较其他形式汽封更大的内腔体积、更高的阻汽率的特点。此次汽封改造带来了明显的经济效益，并保证了机组的安全稳定运行。该汽封技术在热电汽轮机组节能改造中可复制，可推广。