布萊登汽封實際應用分析

楊冬生

河南第二火電建設公司

1 概述

某電廠兩臺機組，是東方汽輪機廠生產的C200/140-12.75/0.245/535/535-1型，單軸、三缸雙排汽、中間再熱、抽汽凝汽式汽輪機。2011年2月7日7:30#1機組停機，#2機組的供熱量由原來的約200t/h增大到約300t/h。2011年2月8日23：00#1機組開機后帶熱負荷，#2機組減熱負荷，恢復原運行方式，但#2機組高壓缸內缸外壁、外缸內外壁溫自熱負荷轉移后均出現下降現象，5個小時降了17℃，外缸內壁溫比外壁溫下降幅度大2℃～3℃。到9日4：50#2機組高壓缸脹差由原來的2.9mm增大到3.66mm，投夾層加熱恢復原高缸脹差后，退出夾層加熱，加熱退出后夾層溫度仍然逐漸降低，最小達到408℃，高缸脹差增大到4.05mm，直接影響機組的安全運行。為此不得不再次投入夾層加熱運行，至使夾層加熱無法完全退出，這樣一旦出現機組甩負荷，無法快速切斷所有入缸汽源，易造成機組超速飛車事故。只有通過分析找出缸溫下降的真正原因，才能掌握機組運行狀況，保證機組安全運行。

圖1 高壓缸夾層加熱系統圖

圖2 高壓缸夾層加熱管系簡圖

圖3

2 原因分析

大機組的高壓缸一般都設計為雙層缸，并設計有汽缸夾層、法蘭加熱系統。200MW高壓缸夾層加熱系統見圖1,夾層加熱管系簡圖2。

機組在額定工況運行時，設計夾層溫度Ⅰ區470℃,Ⅱ區369℃，壓力Ⅰ區略高于Ⅱ區。

造成Ⅰ區外缸內壁溫度降低的原因并不多，主要是流經夾層Ⅰ區的高溫高壓汽體量少，二是外缸金屬層導熱量增大。因為外缸外壁溫度降的速度沒有內壁降的快，可排除第二個原因。夾層內蒸汽溫度降低的原因分析見圖3。

對以上分析出的末端原因進行逐一排除：①高壓除氧器壓力，雖然機組在供熱量變化的過程中出現大幅變化，但穩定后和以前壓力一樣，不是主要原因。②高缸前第二汽封套內有部分汽封弧段張開和③大套內有部分汽封弧段浮起原因不易排除。在后面分析。④調速級壓力降低，由表1可知調節級壓力較以前同等條件基本一樣，可排除。⑤外缸疏水閥門不嚴，經現場確認，此閥體溫度只有35℃，非要因。⑥圖2f閥門漏量大，經現場確認可排除。⑦⑧⑨可以通過一抽壓力變化進行排除，由表1可知一抽壓力較以前沒有提高。

圖4

為確認原因②和③，下面從汽封工作原理和現象上分析證明此處汽封弧段可能出現的情況。此處軸封采用的是可調式布萊登汽封，內缸大套內共有9道，高壓缸前第二汽封套內是5道。布萊登汽封結構圖見圖4。

工作原理及工作過程：自由狀態下，在彈簧力的作用下汽封弧塊是處于張開狀態而遠離轉子。機組啟動時，隨著蒸汽流量的增加在汽封弧塊進汽側和出汽側蒸汽壓力差的作用下，汽封出汽側的脖頸處與汽封槽道貼合，這樣在汽封弧塊進汽槽處形成半封閉腔室，此處的壓力等于進汽側壓力為P1，對汽封弧塊背部產生的作用力為F1，出汽側蒸汽壓力為P2，對汽封弧塊產生的作用力為F2，蒸汽流過汽封齒和通道時對汽封弧段產生的蒸汽壓力為P3，張開作用力為F3，汽封弧塊中間壓簧產生的張開作用力F4，汽封弧塊由閉合和張開之間移動時與汽封槽之間產生的摩擦力F5，當①F1+F2F3+F4+F5,汽封弧塊閉合。按照設計蒸汽量達到3%～28%時，布萊登汽封逐級關閉，當蒸汽流量減少到3%時全部關閉。

但在實際應用中，因為制造誤差和安裝工藝造成汽封不能正常閉合現象也有，如其它電廠125MW和200MW等，多因加工尺寸和安裝質量。本臺機組安裝的布萊登汽封較以前使用的汽封塊，厚度大約2mm，安裝后退讓間隙小只有約1mm。這也增加了此處汽封狀態的不確定性。

在運行工況下，根據布萊登汽封閉合條件，增大進汽壓力，增大出汽側蒸汽壓力或降低汽封齒和通道對汽封產生的作用力都能提高汽封弧段的閉合力，但是增大出汽側蒸汽壓力后，汽封弧段內側蒸氣壓力必然增加，參考梳齒式汽封的工作原理。

圖5

把軸封看成許多個狹小通道及相間的小室串聯而成的，蒸汽從高壓側流向低壓側，流經每個汽封齒尖的蒸汽流量相等公式G=uAxCxρ（G：質量流量、u：修正系數、Ax：通流面積、Cx：流速、ρ：密度），當蒸汽流經汽封齒對應的狹小通道時流速增加為t1，壓力由P1降低為P2，當蒸汽由汽封齒處狹小通道流到汽室，當汽室容積與狹小通道的比值足夠大時，汽室流速接近為零，動能又變成熱能，比焓值不變，比熵值增大，壓力P2不變，蒸汽密度變小，進入第二個汽封齒時流速增大為t2，壓力由P2降低為P3，蒸汽從第二個汽封齒流到汽室時，流速降低、密度再變小。這樣蒸汽流經各汽封齒時不斷膨脹、密度不斷減小，流速不斷增大，壓力不斷降低，齒數越多壓降越多。高壓缸前軸封一般設計一塊有高低十道齒，所以每塊汽封弧段后蒸汽壓力略小于汽封弧段內蒸汽的平均壓力。這是在圖五δ與汽封高度相比非常小的情況下，如果δ逐漸變大，汽封弧段內側壓力和弧段后的壓力均增大，但汽封弧段內側壓力比弧段后的壓力增大的快，及P3〉P2，另外，退讓間隙越大，弧段之間的間隙越大，弧段進汽側形成的汽室越不嚴，蒸汽在汽室內對汽封弧段向內推力越小，也就是說汽封塊的退讓間隙越大汽封弧段需要的閉合力越大（忽略彈簧張力的變化），相反間隙越小閉合力越小。查閱機組大修記錄此處汽封弧段的退讓間隙，上次大修只有約1.0mm，本次大修平均約2.0mm。

影響布萊登汽封閉合力的重要因素是質量和退讓間隙，質量偏重閉合力會小于設計值，而退讓間隙變大會增大閉合力。可以確定本次大修后較上次大修閉合力的初始值應增大了。

查閱機組運行歷史記錄2011年2月7日7：40，#1機組打閘停機，#2機組供熱量增加和8日19：00機組供熱量減小高壓缸夾層溫降低的過程詳見表1。

從圖2可知一段抽汽壓力的變化基本反映出夾層壓力的變化，從電腦歷史趨勢分析，高壓缸外缸內壁溫比外缸外壁溫降的早，這一現象發生在機組減少供熱量后。說明機組供熱量大幅變化后，高壓缸夾層從Ⅰ區流向Ⅱ區的蒸汽量減少，溫度降低。因Ⅱ區及一段抽汽壓力變化不大，溫度降低2℃～3℃，所以可以確定Ⅰ區壓力降低是造成汽缸夾層溫度降低的主要原因。造成Ⅰ區蒸汽壓力降低的原因由以上分析只能說明在機組熱負荷大幅變化過程中，不是高壓缸內缸大套內汽封弧段出現浮起就是第二個汽封套內汽封弧段出現張開。

表1

從脹差變化分析，按照表一高壓缸溫度變化情況，外缸內外壁溫I區平均降約15度，Ⅱ區溫度降低2度忽略不算，高壓缸夾層I區長約1米計算，脹差增大△L=L*△T*a=1*15*12.2%=1.63mm。假設是大套汽封弧段無變化，因汽封大套背壓降低，流經大套內側的汽封漏汽量應該增加，又因蒸汽在汽封弧段內是等焓膨脹的過程，在進汽同等參數下，高壓缸內缸內對應的轉子長度不會收縮，第二個汽封套出現張開，漏汽量增大，轉子應加熱變長，這樣高缸脹差應大于或等于1.63mm。而實際對應的高缸脹差只增加了0.5mm。所以高壓內缸大套汽封弧段浮起應是高壓缸夾層溫度降低的主要原因。

通過這次分析，我們發現#2機組采用的布萊登汽封在機組滿負荷情況下仍存在沒有浮起現象。這也迫使我們對布萊登汽封的安裝工藝應進行重新考慮，廠里沿用的布萊登汽封驗收標準和安裝工藝不能滿足現場實際需要。需要制定更加科學嚴格的布萊登汽封驗收標準和安裝工藝。

建議在汽封一漏抽汽口增加測點和閥門，進一步確認調整軸封漏汽量。考慮布萊登汽封啟閉條件，汽封弧段的退讓間隙、汽封塊重量、彈簧強度及汽封槽道的光潔度等都要認真核對。在低壓區或汽封大套后幾道布萊登汽封，可考慮將汽封弧段的退讓間隙變小，汽封塊重量減輕等措施，減小閉合力初始值。

[1]褚偉.重慶大學學士學位論文.傳統汽封和新型結構及工作原理