高爐煤氣透平膨脹機碳環密封的改進

高守龍

（本溪鋼鐵股份有限公司燃氣廠，遼寧本溪 117000）

1 前言

高爐煤氣余壓回收透平發電裝置是利用凈化后的煤氣壓力能，使煤氣通過透平膨脹機膨脹做功，驅動發電機發電,進行能量回收的一種裝置，該裝置簡稱 TRT（T o pG a sP r e s s u r eR e c o v e r yT u r b i n e）。透平膨脹機是TRT的主機，它由定子、轉子、軸承箱、靜葉可調機構、密封、聯軸器等組成（見圖1）。

圖1 透平機示意圖

其中透平進氣側密封和透平排氣側密封由拉別令密封和碳環密封組成，以防止煤氣泄漏對人員和設備造成危害。

本鋼6#、7#發電機組自2006年投產以來，透平膨脹機運行中經常發生碳環密封泄漏煤氣現象，給設備安全和人身安全帶來威脅，由此引起機組停運檢修，帶來很大的經濟損失。

2 存在的問題

2.1 拉別令密封

拉別令密封是節流膨脹方式的密封結構，存在以下四個問題：一是受密封齒數量限制，節流膨脹次數相對較少，泄漏嚴重。二是密封齒易磨損導致密封失效，機組過臨界轉速及發生異常振動時，振幅較大，轉子上的齒與套之間會發生接觸，由于密封齒較薄，當產生摩擦時，密封齒很快被磨損。三是在轉子和機體上鑲嵌、更換密封齒較困難，且更換后需做動平衡。四是易引起氣流激振，導致機組振動。拉別令密封的“J”形齒間存在環形腔室，機組運行時，腔室內有強旋氣流，再加上轉子的運行軌跡為橢圓形，那么轉子圓周各處受強旋氣流的切向力有很大差異，極易引起氣流激振，引起機組振動。

2.2 碳環密封

碳環密封對安裝要求嚴格，容易出現碳環碎裂及拉簧卡在碳環槽內的情況，易引起機組振動及密封失效。

因碳環后面拉簧的作用，碳環始終與轉子“零”接觸，受碳環材質影響，對軸套有一定磨損，新更換碳環時由于軸套磨損造成密封間隙調整困難而泄漏煤氣，必須更換磨損的軸套，增加檢修難度和檢修成本。

在運行中碳環密封泄漏煤氣，造成廠房內煤氣含量超標，為避免設備和人身安全事故，機組需被迫停機檢修，這首先既影響高爐生產,又影響發電量；其次由于設備經常檢修，造成檢修費用增加；再次為控制煤氣泄漏維持生產必須向碳環密封加入大量氮氣，這樣又造成運行成本升高。

3 密封原理

透平膨脹機軸端密封是采用拉別令密封（迷宮密封）和碳環密封組成的兩級密封。拉別令密封是在轉軸上鑲有多級錯列的環形不銹鋼密封條，依次形成多個節流環，與機體上密封槽相配合而成，被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產生節流效應而達到阻漏的目的。由于迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙，這種密封對煤氣泄漏有一定阻止作用，使煤氣泄漏量減小，但不能達到泄漏要求（小于50×10-6），這是第一級密封，屬于動密封的前置密封。

碳環密封屬于浮動密封的一種，因其材質為炭精而得名。碳環密封的結構包括環形密封腔體和環形軸套，密封腔體內有環形槽，槽內至少裝有二個截面為矩形的環形石墨密封環，石墨密封環的內徑與環形軸套之間有0.01～0.04m m的間隙碳環密封是由腔體和碳環組成,碳環采用三瓣環結構，用拉簧將三瓣環組成圓環一組，每個碳環密封由四組碳環組成，形成四個節流環，安裝在腔體環形槽內，與軸套一起組成密封組（見圖2）。

圖2 碳環密封結構圖

轉子在高速旋轉時呈旋浮狀態，對碳環連續撞擊，碳環沿徑向滑動，這時靠三瓣環拉簧的作用，使碳環內環面與軸套外圓面之間間隙保持最小有效間隙,實現碳環的有效密封。腔體與外供氮氣管道相連，氮氣壓力高于煤氣壓力，氮氣壓力一般調整比煤氣壓力高20k Pa～30k Pa，氮氣在碳環內環面與軸套外圓面之間形成密封氣膜，氣膜在碳環旋流槽形成環流,使密封效果達到最佳,這是透平膨脹機第二級密封。

4 泄漏煤氣原因分析

從密封原理看出，透平膨脹機的第一級密封，是間隙密封，由于透平機運轉時，轉子徑向跳動，而軸瓦與軸頸的間隙一般為0.20m m～0.25m m，所以第一級密封的間隙必須大于0.25m m，才能保證密封與轉子不刮。因為有間隙存在，泄漏煤氣不可避免。第二級密封，是有氮氣做介質的浮動式密封。密封效果主要取決于以下幾個方面：（1）透平膨脹機在運行中密封碳環由于存在磨損，使密封間隙逐漸增大。（2）碳環加工達不到技術要求，尺寸加工大了或加工小了，表面光潔度不好，都直接影響密封效果。（3）腔體內環形槽處理不干凈，影響碳環游動性，氣膜形成不好，使密封間隙增大。（4）碳環材質選擇過硬造成軸套劃傷，碳環嚴重損壞，同時機組振動超標，甚至發生透平膨脹機停機。綜上所述，即使有氮氣作為充填介質進行密封，但由于上述原因造成碳環失效煤氣仍要泄漏，所以密封間隙超標是煤氣泄漏的主要原因。隨著運行時間增加，導致煤氣泄漏逐漸增大,這時需要消耗大量氮氣來緩解煤氣泄漏，使運行成本隨之加大。

5 改進措施

5.1 間隙調整

三瓣環內環面(密封面)與軸套之間徑向間隙即密封間隙一般為0.15m m～0.35m m，三瓣環側面(密封面)與環形槽的軸向間隙屬密封間隙同樣一般為0.05m m～0.10m m碳環密封的密封面是碳環內環面和側面，密封間隙的大小直接影響煤氣泄漏量，在適當減小密封間隙的同時要考慮碳環在腔體內的游動性，經過多次試驗，得出經驗數據，見表1，因此對碳環加工技術要求做了調整，碳環內徑與軸套之間的間隙，碳環與腔體環形槽的軸向間隙均從原始設計值減小為0.03～0.05m m，調整后達到了預期效果。

5.2 碳環材質與加工精度的改進

經過檢修跟蹤，發現原M 106 K石墨材質的碳環密封，其硬度較高，脆性較大，易傷軸，壽命短，于是與供應商探討重新選擇了M 245 K石墨材質，該材質石墨優質，既有良好的自潤滑性，又有很好的韌性和耐磨性，將其作為加工碳環的原材料，延長了碳環的使用壽命，減少了對主軸的傷害。另外，通過運行實踐找到碳環易損需經常更換的另一主要原因,就是碳環加工精度必須保證，而且最后必須對碳環側面整體進行研磨，它是保證碳環形位公差的一個重要環節。

5.3 檢修工藝的改進

對腔體環槽檢修原來用砂紙改用煤油浸泡，酒精棉球清理的方法，保證了腔體加工精度不受影響。另外，腔體與機殼連接，采用了定位銷定位，解決了安裝精度問題。

6效果

經改進后，透平膨脹機運行穩定，從振動監測數據看出機組各部位振動指標均達到設計要求，檢驗煤氣泄漏量為零，運行成本大幅度下降。

（1）在一個檢修周期內，煤氣泄漏達到零泄漏。

（2）氮氣消耗量由260m3/h降到60m3/h，年降低成本43萬元。

（3）延長設備檢修周期，由原來3個月延長到6個月，降低了檢修成本。

7 結束語

通過對碳環密封存在問題的改進，消除了設備泄漏煤氣的隱患，同時降低了運行成本，提高了發電量，又保證了高爐的穩定運行，具有明顯的經濟效益和社會效益。