新型导流式减压汽封对于解决传统汽封漏汽问题分析

2022-12-12王力梁松王汉洮李佳杰

中国设备工程 2022年23期

王力，梁松，王汉洮，李佳杰

（1.国家能源集团华北电力有限公司霍州发电厂，山西霍州 031413；2.智伟电力（无锡）有限公司，江苏无锡 214181）

1 导流式减压汽封的设计原理

本文设计的汽封产品借鉴本身有着强适应性和安全性的梳齿型汽封作为设计原型。但是，其本身也存在相对较差的密封效果的缺点，根据大量的实验和科研表明，通过改善汽封结构，增大腔室的面积，根据热力学效应，汽体流动的热耗在大腔室的提高，密封效果也相应提高；同时，提高流体腔室表面的粗糙程度，通过摩阻效应，流体的密封效果也会更好。本文设计的汽封就通过增大腔室空间容积形成迷宫式汽封，增加导流小齿以增加流道表面粗糙度的目的，提高汽封整体的密封效果。

然而，在一般的直通型迷宫结构中，汽体从进气侧扩散过程中，由于在腔室里不能进行充分有效的动热能转化，其靠近光滑腔壁一侧的汽体流速几乎没有减小，就从出气侧离开腔室，这种一掠而过的现象称为“透气效应”，是一种在直通型迷宫结构中会发生的效应，一定程度上降低了汽封的密封效果。为解决这个问题，本文的汽封在设计时将迷宫路径设计为环绕型，在汽体出气侧设置出气孔，通过“汽阻汽”的原理，降低流速，提高汽密性。

2 导流式减压汽封实验对比

本章节通过实验的方式将导流式减压汽封和传统汽封进行模拟对比。通过传统的梳齿型汽封汽体通过腔室可以看出，汽体在从进汽端和汽封/转子间隙后，由腔室结构决定了汽体形成了3个漩涡体，同时，贴近光滑壁（转子）一侧的汽体，通过汽体模拟的颜色可以得知汽体本身的热耗下降并不明显，说明密封效果不理想。通过本文设计的导流式汽封汽体可以看出，汽体通过复杂的迷宫腔室后，整体进出汽的热能已经有明显下降（蓝色变为绿色）。通过两图对比可以看出：（1）本文设计的汽封具有多级小齿，带来更多的涡流，汽流在汽封壁上流动非常充分，汽密性提高；（2）汽体经过更长的腔室，接触更多的腔室面积来提高汽体热耗；（3）经过腔室的汽体通过环形迷宫后经排气孔（虚线位置），与未进入迷宫腔室的汽体形成90°夹角对冲，带来高效的汽阻汽效应，进一步提高密封效果。

通过汽水混合通过设计汽封时的流体可以看出，当高压高速的汽流通过进气侧进入汽封腔室和转子凸台时，流体在腔体内部形成多个涡流体，整体流动时在迷宫腔体内部形成高速循环。由于增加了迷宫腔室的接触面积并且增加了多级的小齿，整个涡流区域流体特性变得更加复杂，同时多个漩涡的形成提高了的热耗散能力。最终，汽体在到达转子凸台时，通过气体的颜色可以看出，依然保持汽体密封性。

以上两组实验均为仿真模拟实验，为了更真实地反映多级次减压汽封的密封性能，一组类似汽轮机工作原理的实验性工作台被设计。该设计参考了目前电厂和市场上普遍认可的汽封产品：梳齿型汽封与本文设计的汽封径向对比实验，通过3个方面：压差计时法、流量法和差异间隙法，判断汽封的密封性能。

本文使用的流量系数定义如下：

式中，μ为流量系数，G为测量的漏汽量（kg/s），F为汽体侧漏面积（m2），Z为高低齿总数（本次测试取值为10），R0为进气总压（MPa），R2为排气静压（MPa），T0为进气温度（K），R为汽体常数。

测试环境介质表，如表1所示。

试验结果表明：莠去津残留对马铃薯株高、叶色、长势及经济性状均有抑制作用，降低了干物质和淀粉含量，提高了畸形薯率；喷施缓解剂在一定程度上可以缓解上述药害，其中以处理3（敌克松+吲哚乙酸）效果最优，可使马铃薯生长发育基本保持正常，其产量略低于正常水平，高于莠去津残留的土壤处理，商品薯率达到85.0%，在生产实践中可以降低莠去津药害残留的影响。

表1 测试环境介质

试验模拟汽轮机参数，如表2所示。

表2 模拟汽轮机参数

压缩空气系统参数，如表3所示。

表3 压缩空气系统

（1）压力计时法。压力计时法是通过限定相同的压力降，通过对比不同的压力降时间来对比本文设计汽封和梳齿型汽封的密封性能，具体参数，如表4所示。

表4 压差计时法参数

在所有参数相同，将起始、终结压力分别设置在0.7MPa和0.3MPa时，梳齿汽封用了30s。本文的导流式减压汽封延长漏气时长9s共39s，相比同样的气压降，设计的汽封比传统的梳齿汽封密封效果时长延长了30%。

（2）流量法。流量法也是控制变量法的一种，通过限定相同压力和时长，来判断两种不同汽封的流量消耗。其设定参数，如表5所示。

表5 流量法参数

同样使用本文设计汽封和传统梳型汽封在相同气压和持续时间时，梳齿汽封流量约为36h，而设计汽封约为24，说明设计汽封的降低流量12，相对降低流量30%。

（3）间隙法。第三个对比方法是保持其他参数不变的情况下，改变转子与汽封动静间隙，具体参数设计同表5，试验动静间隙分别为0.5mm和0.8mm。当转子汽封动静间隙从0.5mm增大至0.8mm时，2种汽封的汽体流量都有一定程度的变大，但是，传统梳齿汽封位于0.8mm间隙时的流量大小基本等同于设计汽封位于0.5mm间隙时的流量大小，再次证明了设计汽封的优秀密封性能。

3 导流式减压汽封实际应用

3.1 2017年在某厂2#机的应用

2017年，山东某电厂对其2#机组进行本体大修并尝试运用本文设计的汽封进行改造，取得了良好的密封提效。该电厂2#机为上海汽轮机厂650MW超临界机组，通过改造方案的实施，有效地降低机组的热耗值，并且实现了降低过桥段漏汽量的目标。在保证机组启机安全性的前提下，通过修前修后性能实验印证了设计汽封的经济效益。

通过修正后的修前修后对比可知，在运用了设计汽封后，该机组的热耗值下降明显，从修前的7878.3kJ/kWh降至7623.38kJ/kW，总计热耗减少255kJ/kWh。另一方面，本次汽封改造对过桥效率和缸体缸效提升明显：过桥段漏汽量从修前的4.28%降至修后的1.24%，共降低3.04%，接近于设计值的1.20%；高压缸内效率从修前80.76%提升至修后的87.27%，共提升6.51%，只低于设计值（87.50%）0.23%；中压缸内效率从修前89.93%提升至修后的93.70%，略高于设计值（93.33%）0.37%，考虑到过桥段漏气会致使中压缸效率略微提升，结果是比较能真实反映出实际缸效情况的。

3.2 2020年在某厂4#机的应用

2020年，江苏某电厂对其4#机组进行本体大修并采用本文设计的汽封进行改造，取得了优良的节能减排效果。该电厂4#机为哈尔滨汽轮机长300MW亚临界机组，该机组概况主要性能规范，如表6所示。

表6 江苏某厂4#机性能参数

该机组在过桥段运用本文设计的汽封进行节能改造，具体的改造方案如表7所示。

表7 江苏某厂4#机汽封改造方案

通过以上的改造方案的实施，极大地降低了机组的热耗值，并且降低了修前过桥段漏汽量大的问题，一次启机成功。

在启机过程中，转子振动小，轴瓦温度优良，极大地提高了机组启机的成功率和机组的安全性，修后实验印证了设计汽封的经济效应和安全性能，超预期完成了改造目标。具体的改造前后性能对比。

从江苏某厂4#机汽封改造前后性能修前修后对比中可以看出，该机组热耗值修前修正值比设计值高了281kJ/kWh，修后修正值较设计值略高70kJ/kWh，整体修后降低热耗221kJ/kWh。

同时，在缸效提升方面：高压缸效由修前81.93%提升至修后82.04%，提升0.11%，比设计值少了4.27%；中压缸缸效由修前91.44%提升至修后91.52%，提升0.08%，比设计值低了0.18%。以上结果可以看出，在运用本文设计的汽封产品后，该厂4#机组的热耗值明显降低，高中压缸效提升，整体效果显著。