軸封間隙對機組熱經濟性影響的計算模型及應用

周 昊，郝紅亮

國電蚌埠發電有限公司，安徽 蚌埠 233411)

軸封系統泄漏對汽輪機的安全和經濟運行有較大影響[1-6]。軸封系統泄漏，一方面會導致蒸汽外漏，造成工質和熱量的損失，使得潤滑油中帶水；另一方面，導致空氣通過軸封系統漏入汽輪機低壓缸，造成真空下降。在軸封形式及運行參數一定時，軸封間隙是影響泄漏量的主要因素。因此，汽輪機軸封間隙受到了汽輪機運行部門的普遍關注。目前，對軸封系統改造效果評估往往缺乏客觀依據，個別電廠甚至以改造前后汽輪機熱耗率試驗結果為依據，將許多不屬于汽封改造效果的部分也計入其中，客觀上夸大了汽封改造效果。因此，建立軸封間隙對機組熱經濟影響的精細化數學模型，應用該模型對汽輪機軸封系統改造效果進行評估計算,對于指導軸封系統改造、客觀評價改造效果具有較好的作用。

1 計算模型介紹

1.1 軸封漏汽量的計算

1.1.1 梳齒式汽封

梳齒式汽封的工作原理實質為多級節流膨脹。有資料表明，其漏汽量可由式(1)來計算[7-8]：

(1)

式中：ΔG梳為蒸汽泄漏量；A梳為間隙面積；z梳為環齒數；p0、v0為進入軸封前蒸汽的壓力和比容；g為重力加速度；pz為漏出軸封的蒸汽壓力；μ梳為蒸汽周向運動阻力系數，對于梳齒式汽封，其值幾乎等于0。

由式(1)可以得出，在軸封前后壓差一定的情況下，增加齒數z、減小齒隙面積A和增大蒸汽周向運動的阻力系數μ，均可以減少軸封漏汽量。

1.1.2 蜂窩式汽封

蜂窩式汽封的漏汽量可由式(2)計算：

(2)

式中：ξ為阻尼系數，試驗表明，每個下級充滿蒸汽的蜂窩對上一級泄漏出的蒸汽有著很強的阻尼作用；對于蜂窩式汽封，蒸汽周向運動阻力系數μ蜂為0.5～0.7。

1.1.3 漏汽量比較

由于梳齒式汽封的齒尖與轉子接觸的面積很小，在運行過程中梳齒式汽封齒尖容易被磨損掉，造成軸封間隙增大。雖然在機組檢修過程中可將梳齒式汽封的徑向間隙調整到最佳值，但運行一段時間后，也會使間隙變大且運行中無法補償，造成漏汽量增大。而蜂窩式汽封采用特殊結構模式和質地軟的材質，所以蜂窩式汽封在運行中不會傷及所接觸的軸頸表面，其安裝間隙可比檢修規程規定的標準間隙小。因此，運行中盡管經過多次啟停，蜂窩式汽封也能夠長久保持良好的密封間隙。

根據式(1)和式(2)，有：

(3)

由于軸封間隙要遠遠小于圓周直徑，因此動靜之間的環形間隙面積可以表示為：

A=πDΔr

(4)

式中：D為圓周直徑；Δr為軸封間隙。

將式(4)代入式(3)，可得：

(5)

1.2 軸封漏汽所導致系統作功損失

基于等效熱降法[9]可對軸封漏汽所導致的系統作功損失進行計算。

1.2.1 軸封漏汽流出汽缸而損失的做功量

若軸封漏汽未經再熱，則由漏汽而損失的做功量為：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi+qrh-hc)

(6)

式中：ΔΠ為軸封漏汽流出汽缸而損失的做功量；ɑfi、hfi為第i段軸封漏汽的份額及焓值；qrh為1 kg蒸汽在再熱器中的吸熱量；hc為排汽焓。

若軸封漏汽已經過再熱，則由漏汽而損失的作功量為：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi-hc)

(7)

1.2.2 軸封漏汽對再熱器吸熱量的影響

若軸封漏汽未經過再熱，則軸封漏汽會對再熱器的吸熱量產生影響，再熱器吸熱量的變化按下式進行計算：

ΔQ=ɑfiqrh

(8)

式中：ΔQ為再熱器吸熱量的變化。

1.2.3 軸封漏汽利用的回收功

軸封漏汽不僅損失了工質，還伴隨有熱量損失，將降低機組熱經濟性。為減少工質和熱量的損失，通常將汽輪機軸封漏汽回收于回熱系統，用于加熱主凝結水或給水，達到提高機組熱經濟性的目的。

若把第i段軸封漏汽回收于第j級加熱器中，則將排擠第j級回熱抽汽，從而獲得回收功，其值按下式進行計算：

(9)

若把第i段軸封漏汽回收于軸封加熱器，則

(10)

軸封漏汽利用總的回收功為：

ΔW=∑ΔWi

(11)

1.2.4 軸封漏汽對熱經濟性的影響

軸封漏汽導致的系統做功量損失為：

(12)

式中： ΔH為軸封漏汽導致的系統做功量損失。

裝置效率的相對變化量為：

(13)

式中：H為新蒸汽的等效焓降。

標準煤耗率的變化量為：

Δbs=bsδηi

(14)

式中：bs為機組的發電標準煤耗率。

2 計算模型的應用分析

2.1 機組概況

某600 MW超臨界汽輪機機組采用單軸、三缸四排汽的型式。汽輪機廠家給出的高中壓缸軸封漏汽份額及焓值如表1所示。

表1 軸封漏汽份額及焓值

序號漏出地點回收地點流量份額焓值/(kJ·kg-1)1高壓缸前軸封2號高壓加熱器0.002 83 319.72高壓缸前軸封中壓缸0.010 13 319.73高壓缸后軸封除氧器0.0052 966.24高壓缸后軸封軸封加熱器0.000 622 966.25高壓缸后軸封軸封加熱器0.000 0622 966.26中壓缸后軸封軸封加熱器0.000 563 187.67中壓缸后軸封軸封加熱器0.000 0563 187.6

為了減少軸封漏汽損失，利用機組大修期間，將高壓缸排汽端軸封、中壓缸排汽端軸封分別由梳齒式改造為接觸式蜂窩汽封。該汽封主要由接觸齒、鐵素體鑲齒、蜂窩帶組成。鐵素體鑲齒的汽封片采用低硬度鐵素體材質鑲片，蜂窩帶由內孔表面為蜂窩形狀的六邊形小蜂窩孔組成。經過改造，使得軸封間隙平均減少了0.13 mm，軸封更換后，機組能夠順利啟動，未發生碰磨現象。若軸封間隙平均減少了0.13 mm(平均下降了16%)，μ蜂取0.5，μ梳取0，z蜂≈z梳，ξ取2.6，根據式(5)可得：

由此可得，把梳齒式汽封更換為蜂窩式汽封及減少軸封間隙的情況下，軸封的漏汽量減少了63%。

2.2 計算結果分析

以該600 MW汽輪機組為例，計算高中壓缸軸封漏汽對機組熱經濟性的影響，軸封漏汽流出汽缸而損失的功量按式(6)、式(7)計算，軸封漏汽利用的回收功按式(9)-(11)計算。軸封系統改造前后機組的熱經濟性計算結果如表2所示。

表2 軸封系統改造前后機組的熱經濟性比較

序號改造前流量份額ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.002 82.270.5720.010 13.560.8930.0052.380.6040.000 620.580.1550.000 0620.060.0260.000 560.290.0770.000 0560.030.01合計2.31序號改造后流量份額ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.001 040.840.2120.003 71.320.3330.001 850.880.2240.000 230.220.0550.000 0230.020.0160.000 210.110.02770.000 0210.010.003合計0.85

從表2可以看出，軸封系統改造后，可降低標準煤耗率1.46 g/kWh。若年滿負荷發電小時數為5 000 h，標煤價格為800元/t，則年可節約標準煤4 380 t，年節約燃料費350萬元。

3 應用效果

利用新建立的數學模型對600 MW機組軸封系統改造效果進行計算，結果為可降低標準煤耗率1.46 g/kWh，計算結果低于以改造前后汽輪機熱耗率試驗結果為依據計算出的標準煤耗率，由于該數學模型所用參量減少，計算過程簡單，所以計算結果較準確，能夠客觀得出軸封系統的改造效果。

4 結束語

該模型具有一定通用性，適用于各類型機組軸封系統改造對熱經濟性影響的計算，并為小指標的定量計算、制定指標定額和管理措施以及改進運行操作提供了依據。但文中僅對比計算了疏齒式汽封和蜂窩式汽封的漏汽量及其對熱經濟性的影響，對其它形式汽封漏汽量的計算需要進一步進行研究和完善。

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