欽州電廠超臨界 600MW 機組汽封改造研究

高登攀，朱小令

(西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安， 710032)

欽州電廠超臨界 600MW 機組汽封改造研究

高登攀，朱小令

(西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安， 710032)

欽州電廠根據超臨界 600 MW 機組結構特點、 運行實際， 采用汽封蜂窩、 刷式等多種汽封形式對機組進行了改造。結果表明汽封改造是成功的，效果明顯，具有推廣價值。

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1 前言

隨著科學技術的發展，汽輪機采用現代化的設計技術和加工技術，通流葉柵的效率已達到日臻完善的程度。通過改進葉柵性能，進一步提高汽輪機缸效率的潛力已十分有限，設計者已十分重視改進完善汽輪機的汽封 （軸封）。 因此， 采用新型汽封減少漏汽損失，提高汽輪機的經濟性，是目前發電企業節能降耗改造常用的技術措施之一。

2 汽封影響因素

汽輪機組實際運行中廣泛存在的一個問題就是缸效率未能達到預期的設計效果，特別是高壓缸尤為突出。不同電廠同類型機組的試驗和改進經驗表明，缸效率太低的問題很多情況下不在于通流葉柵效率，而是受汽輪機結構特點所限制。完善改進傳統汽封 （軸封）的結構， 是彌補汽輪機結構設計不足、提高汽輪機性能的重要措施之一。

汽輪機本體性能是影響機組效率的重要因素。汽封作為汽輪機中限制蒸汽泄漏的必要部件，其性能的優劣對機組運行的經濟性有重要影響，對機組安全性也有一定影響。隨著技術的發展，出現了多種新型汽封，且由于汽封改造投資小、收益快，采用新型汽封進行技術改造已經成為發電企業提高機組性能的重要手段。深入、全面地掌握國內外各類汽封的技術特點、應用范圍及適用條件，是科學、有效地選擇和使用好各類新型汽封的重要環節，也是發電企業確定汽封改造方案的重要參考和依據。

當汽輪機一旦確定汽封段初壓與背壓，影響汽封密封效果的因素以影響程度大小為序，依次為:

（1）被密封處汽封的結構形式

取決于被密封處表面的結構，從而決定是平齒結構汽封，還是高、低齒結構汽封。

汽封密封效果，首先取決于被密封處汽封的結構形式。設計者依據汽輪機的特性進行設計，投產汽輪機已經確定。但是有的投產汽輪機在現場也是可以 改進的。 例如: 早期國產 的 200 MW汽輪機就將高、中壓缸的前、后軸封由原來在軸上鑲嵌汽封齒，改為在現場取掉鑲嵌汽封齒，車削為凹凸結構。近年已有多個電廠對國產引進型300 MW 汽輪機高壓轉子在現場軸表面實施車削，改平齒結構汽封為高、低齒結構汽封。

（2）被密封處汽封的有效長度及齒的數量多少

為降低制造加工成本，縮短汽輪機長度，取得市場競爭優勢，汽輪機設計、制造通常采用緊湊結構，因此產生許多負面影響，如:高中壓內缸上、下缸，內、外壁溫差大，通流蒸汽內漏大等。汽輪機結構設計所產生的負面影響，是機組投產后性能偏離設計值的根本原因。例如，高中壓平衡盤部位壓差達 8～15 MPa， 汽封有效長度不到 400 mm， 齒 數 少 ， 每 根 平 均 壓 差 達 0.28 ～0.8 MPa， 且無效齒數多， 造成汽封密封效果下降。

在高中壓缸軸端部、高中壓合缸兩缸分隔處、隔板處軸表面、葉頂圍帶處等，汽封段很短，特別是隔板、葉頂圍帶處。為提高密封效果，在很短軸和圍帶表面一般設計加工為凹、凸結構，與其對應配合汽封齒， “凹” 處為單根長齒， 也稱其為高齒， 而 “凸” 處為單根或多根短齒， 也稱其為低齒。當汽輪機受熱膨脹，轉子與汽缸出現膨脹差， 處在 “凹” 處的單根長齒不能在軸向與“凹” 處任意一側出現碰磨， 所以 “凹” 處底部設計得很寬， 而 “凸” 臺卻很窄。 一般 “凹” 處底部設 計的寬 度為 16～22 mm； 而 “ 凸” 臺寬 度為4～6 mm。 實際表明， 軸表面凹、 凸結構組合的汽封，低齒脫空，汽封有效齒的數量減少，是汽封效果下降的主要原因之一。

（3）汽輪機結構和做功形式

軸封、通流汽封漏汽，導致工質旁路應做功的動、靜葉片，相同初、終參數與蒸汽流量下機組出力下降，必然影響機組經濟性。設計相同初、終參數與蒸汽流量、 同容量 （功率）的兩臺汽輪機，而結構和做功形式不同，即使采用相同形式汽封和相同汽封徑向間隙，實際運行時汽封漏汽量也是不同的。

（4）工質進入與排出汽封段的初、 終參數

當汽封結構形式 （光軸、 平齒， 凹、 凸結構高、 低齒）， 汽封段長度， 汽封動、 靜徑向間隙已經確定，汽封漏汽量取決于高、中、低壓缸進、排汽和工質進入與排出汽封段設計的初、終參數。當實際運行這些參數偏離設計的初、終參數時，汽封漏汽量也將增加。

（5）被密封處的直徑大小及汽封齒的間隙大小

密封結構形式，工質初、終參數相同時，被密封處的直徑越大，汽封齒的間隙越大，對應的汽封漏汽量也將增加。

3 汽輪機的設計特性與汽封

3.1 設計特性

欽州電廠 1 號機組汽輪機為 N600-24.2/566/ 566 型超臨界、 一次中間再熱、 沖動式、 單軸、三缸四排汽、雙背壓純凝汽式汽輪機。額定出力600 MW， 設 計 熱 耗 率 7 564 kJ/（kW·h） 。 該 機 組為沖動式汽輪機，汽輪機通流設計采用當代最先進的全三元可控渦設計技術，高中壓靜葉型線采用高效的后加載層流葉型，動葉采用型損、攻角損失更小的高負荷葉型，低壓靜葉采用高負荷靜葉型線， 低壓動葉采用成熟的 40" 低壓積木塊。在采用以上通流核心技術的同時，對焓降、動靜葉匹配進行優化，在高壓缸部分級采用分流葉柵，葉頂采用多齒汽封，對連通管以及高中低排汽蝸殼根據實驗以及流體計算結果進行優化設計。

3.2 汽封結構

該機組的汽封結構特點如下:

（1）梳齒式汽封。 被密封處有 2 種結構形式。其一，被密封處為凹、凸結構與高、低齒組合構成迷宮式汽封。如高、中壓缸葉頂圍帶采用階梯式的沉頭鉚釘，采用2個高齒和2個低齒構成葉頂汽封， 見圖1； 通流部分隔板， 高、 中壓兩端與軸密封處，軸上采用凹、凸結構，所形成的迷宮式汽封， 見圖2。 其二， 被密封處為光軸， 與平齒組合構成了平齒汽封，如低壓缸兩端軸封、低壓缸葉頂圍帶處。

（2）橢圓汽封。 考慮到汽缸熱變形主要在垂直方向上，橢圓汽封間隙在上、下方向的間隙較大，而兩側間隙相對較小。

（3）汽封齒安裝形式有 2 種， 一種是鑲嵌于靜止部位，如高、中、低壓缸葉頂部位汽封齒，見圖1。 另一種是鑲嵌于分段、 可調整活動的汽封環上， 如通流部分的各級隔板和軸端汽封， 見圖2。

（4）靜止兩部件之間密封， 如中壓缸第一級隔板與中壓缸進汽平衡盤汽封套之間、低壓缸進汽分流環與缸體的密封等。

4 汽封改造

4.1 蜂窩帶與刷式汽封的特點

蜂窩與刷式汽封，早先用于航空領域的機械密封，后用于燃氣輪機機械密封，在火力發電的汽輪機制造領域，由于計算機與機械加工設備的技術進步與高速發展，提高汽輪機的經濟性，通過改變通流葉柵的結構，幾乎沒有空間。提高汽輪機的性能，主要取決于結構設計上，汽封是汽輪機主要結構之一，近十幾年以來，設計者又將這兩種形式的齒廣泛地用于汽輪機領域。如在西歐和韓國，對汽輪機的制造和改造有廣泛應用和良好的業績，國內、外各種相關雜志對其研究、實驗、應用均有不少論文報道，近幾年在國內汽輪機設計和在役汽輪機改造，也得到了推廣和應用，二者的加工制造要求比較高。

4.1.1 蜂窩帶特點

該結構具有以下特點:①凝聚滯留在蜂窩中的介質，形成特有的汽阻，相當又形成新的汽封齒 （也稱為 “汽齒”）； ②蜂窩帶兩側盡可能預留空間 （不布滿兩高齒之間的空間）， 形成很大的阻力宮；③蜂窩帶在汽輪機任何運行工況下，與凸臺不會出現懸空。汽封有效齒大大增多，密封效果增強， 見圖3。

圖3 蜂窩帶與梳齒組合式汽封

而針對迷宮式汽封，采用蜂窩帶替換原梳齒結構汽封的低齒，并對蜂窩帶寬度進行了具體要求。其目的是，根據該型汽輪機組滑銷系統設計和各廠大修汽輪機揭缸后，實地檢查發現的問題，為防止各種工況下汽封低齒脫空，提高汽封密封效果，而采取的重要措施之一。

4.1.2 刷式汽封特點

刷式汽封具有以柔韌性彌補部件變形的特點。

3.2.1 耦合。農業生產者一般只能將精力放在生產環節。農業產生是一個整體，環環相扣，但由于信息不對稱或者滯后，不能統籌規劃生產，造成了資源及產品不足或者浪費的問題。

（1）作為旋轉機械的動、 靜密封裝置， 經實地調查與應用， 刷封在航空渦輪發動機 （如: 國內航空 703 研究所）， 梳齒+刷封結構在國內、 外（如: 歐州、 韓國等）各種類型與參數汽輪機通流高、中、低壓缸部分，早已得到廣泛應用。在國內， 300MW、 600 MW 以上不同類型汽輪機分別在通流高、中、低壓缸使用揭缸后，均有實地檢查的實際結果記錄。

圖4 某電廠應用6年后梳齒+刷封結構汽封揭缸后情況

（2）梳齒+刷封結構汽封 （見圖 4）， 刷絲自由長度 12～25 mm， 刷絲焊接處和刷封固定端合為一體后，被深深鑲嵌于汽封環背板內，若汽輪機運行中產生碰摩，刷絲能脫落的話，那么，其他形式的任何汽封 （低 齒 5 mm、 高 齒 10 mm）早已 被磨平，并將磨損到汽封環本體的背板。

（3）刷封的刷絲材質為: 鎳基合金； 刷絲直徑: 0.08mm； 排列制成: 按轉子旋轉方向與表面切向成 40°～60°夾角， 厚度 1.0～1.2mm； 刷絲防倒伏設計: 汽流方向刷絲背面設計有護板 （背板）， 護板與刷絲高差僅 0.5～1.0 mm （可以根據要求設計調整高差）。 以此制成的刷封與其他形式汽封相比具有以下特點:①柔韌性，自由端長，發生碰摩吸收振動，而不易被磨損，且也不損傷被磨部件；②刷絲厚度薄，可以看似線性接觸，若發生碰摩，接觸面狹窄，且安裝部位在動葉頂部圍帶，碰摩與發生在軸上或面接觸的 （蜂窩） 汽封， 所產生的影響效果截然不同；③抗倒伏，護板設計強度與傳統梳齒設計強度相同，護板與刷絲高差僅0.5～1.0 mm， 壓差再大， 刷絲 不會發生倒伏， 除非護板發生倒伏 （同樣， 梳齒也倒伏）。

（4）基于上述分析與應用實踐， 針對汽輪機啟、停軸系啟、停振動特性；各種形式與結構汽封在不同結構部件表面應用及允許的徑向間隙大小與密封效果的關系等，梳齒+刷封結構汽封具有更好的適應性與效果，特別是實際應用于低壓缸所取得的良好效果。

4.2 高、 中壓缸迷宮式汽封

高中壓缸隔板、兩端軸封、進汽平衡盤汽封采用活動迷宮式梳齒，是在汽封環上車槽，將梳齒鑲嵌于汽封環上， 汽封齒的厚度 2.5 mm 左右。在汽封環上開槽時，為了保證相鄰的槽之間有足夠的強度，兩槽之間軸向間距較大。

由于被密封處隔板的寬度是有限的，在對應的軸上設計凹、凸結構時，首先要保證凹槽有足夠的寬度，以保證機組在任何工況下，安裝在凹槽內的長齒動、靜出現漲差時，軸向兩側決不能發生碰摩。

在有限的空間范圍內，既要盡可能多設計凹、凸結構，多布置齒，提高密封效果，又要防止凹槽內的長齒軸向發生碰摩，所以凸臺寬度設計很窄。根據汽輪機滑銷系統的設計，凹槽的寬度一般為 15～20mm， 凸臺的寬度為 3～5mm。

根據汽輪機揭缸檢查發現，長齒在凹槽內軸向摩擦的痕跡遠大于凸臺的寬度，這意味著在汽輪機運行狀態，原對應在凸臺上的短齒已懸空，失去了應有的作用， 變成了無效齒， 見圖 5 （a），這是造成汽封漏汽大、效果低的主要原因。相對一個凸臺，即使采用多根短齒，以接力方式，防止出現這種情況，但齒的加工、安裝工藝，導致兩短齒的間距大于凸臺的寬度，難免發生短齒相對凸臺懸空。若采用單根短齒結構，出現短齒相對凸臺懸空的可能性更大。應對齒的形式采取結構措施。

圖5 汽封齒在汽封環上的鑲嵌與懸空

4.3 低壓缸退讓式汽封

主要應用于隔板處與缸兩軸端，由于汽輪機滑銷系統設計有迷宮式和平齒汽封兩種形式，根據低壓缸設計特點，工作是高、中、低三缸中最為惡劣的。由于低壓缸采用鋼片焊接結構，缸本身自重、體積大、兩端軸承支撐結構、轉子直徑、自重等因素，相對高中壓缸容易發生變形，采用傳統梳齒，汽封徑向間隙不能設計與調整得太小。特別是兩軸端汽封，由于結構與系統影響因素，更是如此。低壓缸及各級性能設計功率份額與效率最高，汽封效果影響機組性能較大。

4.4 高、 中、 低壓缸鑲嵌式汽封

應用于高、中、低壓缸葉頂鑲嵌式汽封有迷宮式和平齒汽封兩種形式。從同類汽輪機大修解體檢查發現，原葉頂鑲嵌式汽封徑向間隙設計得太大。根據該汽輪機通流各級設計性能，尤其是低壓缸做功份額大，各級反動度設計較高的特點，對高、中、低三缸葉頂鑲嵌式汽封，實施重新鑲嵌和調整徑向間隙。

4.5 汽封改造方案

在通流部分旋轉部件被密封處結構已經確定，依據汽輪機設計思想，根據汽輪機結構與滑銷系統特點，充分研究與分析各種形式汽封齒的特點，以安全為基礎，增加有效齒數量，提高密封效果為原則，制定汽封改造方案。

（1）高、 中壓缸隔板退讓式汽封， 將原高、 低梳齒式汽封改為高、 低梳齒+蜂窩式汽封。

（2）高、 中壓缸葉頂汽封， 低壓缸 1～6 級葉頂汽封將原齒拆除，重新鑲嵌，按照新的尺寸，結合汽輪機安裝工藝，上立車一次車準。

（3）高、 中壓缸退讓式軸封， 將原高、 低梳齒式改為高、 低梳齒+蜂窩式汽封。

（4）高、 中壓平衡盤退讓式汽封， 將原高、 低梳齒式汽封改為高、 低梳齒+蜂窩式汽封。

（5）低壓缸軸端汽封， 由原平梳齒汽封改為蜂窩+梳齒式汽封。

（6）低壓缸隔板汽封， 將原梳齒式汽封改為梳齒+刷式汽封。

5 改造效果

機組經大修完善改造后，運行經濟性得到顯著提高， 達到并超出預期效果（見表 1）。

表1 1號機組改造前后經濟性變化表

機組改造前后同等條件下相比，中壓缸效率提高 1.96%， 低壓缸效率提高 3.67%。 高壓缸效率基本不變，其主要原因是調節級效率偏離設計值太大。而且調節級效率與大修前相比還有所下降，甚至出現調節汽門開啟數量越多，調節級效率反而越低。這與調節級結構設計、加工制造工藝、大修安裝工藝有關。扣除調節級效率降低的影響因素，高壓缸效率是得到了提高。

機組改造前 600MW 工況下熱耗率為 7 989.6 kJ/（kW·h）， 改造 后熱 耗率 為 7 751.5 kJ/（kW·h），熱 耗 率 降 低 238.1 kJ/（kW·h） ， 相 對 下 降 2.97%（包含大修收益）。

需要指出的是由于影響機組熱耗率的因素較多，通過改造前后試驗熱耗的簡單對比難以定量評估汽封改造對機組經濟性提高所做的貢獻。作為缸內汽封狀態的綜合評價方法，大修前后性能試驗采用一致的測試方法和測試儀表、在相同的工況下試驗得到的汽缸通流效率結果，可以定量評價汽缸體內的汽封狀況，但是，低壓缸通流效率的試驗由于是間接測量的結果，低壓缸效率的結果綜合反映了機組熱力系統的狀態變化、受試驗不確定度累計的影響，不能取得令人滿意的結果，實際應用可按照中壓缸效果進行估算。

6 結束語

欽州電廠根據機組結構特點，以實際運行情況制定汽封改造方案，并在大修中予以實施。實際運行及性能試驗結果表明汽封改造是成功的，經濟效益、社會效益明顯。

[1]蔡頤年.汽輪機原理[M]. 西安:西安交通大學出版社,1978

[2]周光炯, 等.流體力學[M]. 北京:高等教育出版社,2000

[3]林萬超.熱力發電廠[M]. 西安:西安交通大學出版社,1978

[4]東方汽 輪機廠.N 600-24.2/566/566 600 MW 中間再熱凝汽式汽輪機熱力特性說明書[S].2005

[5]東方汽輪機廠.N 600-24.2/566/566 型汽輪機運行說明書(編號 D 600E-600/06ASM)[S].2005

[6]東方汽輪機廠.東汽 600MW 超臨界汽輪機介紹[R].2005

[7]蘇州熱工研究院有限公司.國投欽州發電有限公司 1 號汽輪機組大修前性能試驗報告[R].2011

[8]蘇州熱工研究院有限公司.國投欽州發電有限公司 1 號汽輪機組大修后性能試驗報告[R].2012

[9]國投欽州發電有限公司 1 號汽輪機本體優化改造方案[R]. 2011

Research of Steam Seals Retrofit about 600 MW Supercritical Unit in Qinzhou Power Plant

Gao Dengpan， Zhu Xiaoling
(X i'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,X i'an Shaanxi,710032)

According to the structural characteristic and the operation characteristic of 600 MW supercritical unit,Qinzhou power plant used a variety of steam seals to retrofit the original steam seal.The result showed that the retrofit of steam sealwas successful, they had significant effect and promotional value.

supercritical,turbine,steam seals,retrofit

TK263

： B

： 1674-9987(2014)02-0023-06

高登攀 （1976-）， 男， 碩士研究生， 高級工程師， 2003 年畢業于西安熱工研究院熱能工程專業， 主要從事汽輪機診斷、 運行技術方面的研究工作。