汽輪機本體綜合升級改造及其節能效果研究

劉中祥

（江蘇淮陰發電有限責任公司，江蘇淮安 223001）

0 引言

自然界中能夠產生能量的資源稱為能源，電力工業是能源轉化的工業，在傳統電站中，汽輪機扮演了能源轉化的一個環節，將鍋爐產生的熱能轉化為機械能，輸送給發電機來產生電能。水蒸汽是鍋爐產生熱能的載體，也是汽輪機工作的工質。水蒸汽通過汽輪機調門的分配，進入汽輪機噴嘴、動（靜）葉中膨脹做功。就汽輪機本體而言，主要組成部分有汽缸、噴嘴、轉子和動（靜）葉（見圖1）。

圖1 汽輪機結構

目前國內火力發電廠中，汽輪機本體的升級改造主要是汽輪機高壓噴嘴的優化選型以及本體汽封的型式改變、徑向間隙調整。下面以淮陰電廠汽輪機本體升級改造為例來分析噴嘴、汽封改造的應用。

淮陰電廠#3、4 汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的高中壓合缸、單軸、中間一次再熱的抽汽凝汽型汽輪機，單機容量330MW。

1 噴嘴優化改造

淮陰電廠#3、4 機組由于制造、安裝、長期運行等方面原因，汽輪機存在調節級實際效率遠低于設計的問題。熱力性能試驗結果表明額定工況下實測效率僅有40%～50%，遠低于設計值64%～72%。調節級效率過低導致高壓缸效率顯著降低，影響機組出力。

1.1 現運行的汽輪機調節及存在的主要問題

（1）運行一段時間后，噴嘴汽道存在不同程度的磨損，出汽邊尤為嚴重。此外，在設計方面，調節級設計汽封齒數少，僅有2 道，間隙大，一方面增加了蒸汽的泄漏量，另一方面，泄漏的蒸汽以不正確的方向進入調節級動葉，對主要工作蒸汽的流向產生一定程度的干擾。

（2）汽輪機噴嘴組設計流通面積偏大，計算后其流通能力遠大于配套鍋爐的最大連續蒸發量。當汽輪機在高真空或低負荷工況下運行時，由于噴嘴組的流通面積過大，若提高主汽壓力則調門開度需要降低，增加了節流損失，若降低主汽壓力使得調門開度增大，則蒸汽參數降低，汽輪機循環效率下降。

因此汽輪機長期處于偏離設計效率最高點運行，汽輪機整體效率達不到理想點。這也是300MW 汽輪機普遍存在的現象，汽輪機通流部分節能仍有較大的空間。

1.2 應對措施

（1）優化噴嘴組葉片型及子午面收縮型線。汽輪機噴嘴組汽道型線設計制造相對粗糙，通過優化噴嘴組葉片型線，改善調節級動、靜葉片的汽動載荷分布，減少葉柵通道的二次流損失（見圖2）。通過優化子午面收縮型線及通道收縮比，降低靜葉通道前段的負荷，減少葉柵的二次流損失（見圖3）。

國內市場：據協會監測的24個省份數據顯示，中國磷酸二銨批發價格周環比總體穩定，局部漲跌互現。其中，河南、湖北、新疆3省價格分別上漲67.5元/噸、29.7元/噸、6.3元/噸；山西、甘肅兩省價格分別下跌78.7元/噸、50元/噸。中國磷酸二銨零售價格周環比持穩，局部價格上漲。其中，安徽、河南、湖北3省價格分別上漲50元/噸、10元/噸、25元/噸；山西、四川、甘肅3省價格分別下跌 98元/噸、16.7元/噸、50元/噸。

（2）減少級間的漏汽量。通過增加葉頂汽封齒的數量，由原先的2 道增加到4 道，同時減少徑向間隙，能夠降低漏入汽缸內的蒸汽量。在噴嘴組水平中分面上增加門型密封鍵，減少噴嘴組中分面處弧段間的漏汽損失。

圖2 噴嘴組葉片型線優化

圖3 噴嘴組葉片子午面型線優化

（3）適當縮小噴嘴組出口面積。適當縮小噴嘴組出口面積，減少調門的節流損失，能夠顯著提高機組效率。配備鍋爐最大連續蒸發量，設計合理的噴嘴組流通面積，即可確保機組出力，又可以提高機組的整體經濟性。

2 汽封改造

汽輪機是將蒸汽的熱能轉變為機械能的一種機械，蒸汽進入汽輪機噴嘴后，在隨后的葉片間做功，以噴射動力和膨脹做功推動汽輪機轉子旋轉，將熱能完全轉化為機械能。汽輪機內葉片有動葉和靜葉之分，無論是動葉還是靜葉，其旋轉與靜止部分都存在一定的間隙，汽封的作用就是安裝在這間隙內，用來減少未做功蒸汽漏入下一級腔室內。汽封根據安裝位置不同，可分為通流部分汽封、隔板汽封、軸端汽封。反動式汽輪機還裝有高、中壓平衡環汽封和低壓平衡環汽封。

傳統的汽封為傳統的迷宮式汽封、采用高低齒迷宮式結構，利用許多次依次排列的汽封齒與軸之間的間隙，形成蒸汽腔室，使高壓蒸汽在這些汽室中依次節流降低壓力，達到減少蒸泄漏的目的（見圖4）。傳統迷宮式汽封的優點是技術成熟、成本低廉，安裝方便、應用廣泛。其缺點是間隙運行中不可調，啟停期間易發生摩擦。

淮陰電廠#3、4 汽輪機原設計的汽封均為傳統迷宮式汽封，在多年使用后已老化，汽輪機多次啟停導致汽封的徑向間隙增大。在#3 汽輪機在大修時，還發現高壓進汽平衡環處2 道汽封傾倒，嚴重影響了機組的經濟性。

目前新型汽封有很多，應用也有很多。常用的新型汽封有：布萊登汽封；蜂窩汽封；刷式汽封；側齒汽封。其優劣性各有不同。

圖4 傳統汽封

2.1 布萊登汽封

布萊登汽封取消了傳統汽封背部的板彈簧，在汽封弧段端面間安裝四支螺旋彈簧，并且在每一個汽封弧段的背部進汽側中間位置銑出一個進汽槽，以讓上游來的蒸汽進入汽封弧段背面，為保證汽封在關閉、打開的過程中不出現卡塞現象，增大了汽封弧塊“脖頸”與汽封槽道處的間隙（見圖5）。

圖5 自由狀態下的布萊登汽封

布萊登汽封的設計理念以傳統梳齒型汽封為基礎，因此仍然保留了傳統汽封可靠性高的特點，主要是取消了傳統汽封背弧的板彈簧，而在原汽封塊與汽封塊之間增加了螺旋彈簧，汽封塊受到端面彈簧力作用，在機組啟動過臨界轉速時，由于蒸汽的壓力還不足以使汽封塊閉合，此時汽封塊的運行間隙較大，保證了汽封塊不會與轉子發生碰磨，而過臨界轉速后，隨著蒸汽參數和流量的逐步升高，設計計算約在3%流量時汽封塊將逐漸開始閉合，直至30%流量時才會完全閉合，從而保證了機組啟動過程中的安全性，大大減少了轉子與汽封發生碰磨后發生振動導致停機盤車的情況。

圖6 壓力分布圖

2.2 蜂窩汽封

WZFW-蜂窩式汽封是由哈斯特鎳基耐高溫合金防銹金屬薄板(Hastelloy-x)制成像蜜蜂巢一樣的正六邊形孔狀結構。采用真空釬焊技術將蜂窩孔帶焊接在汽封環母體上而形成FW-蜂窩式密封（見圖7）。

蜂窩汽封有以下幾個特點，（1）由于蜂窩式密封的特殊結構模式和質地軟的特性，蜂窩式密封不會傷及所接觸的軸徑表面，對軸起到良好的保護作用。（2）正是由于蜂窩帶的較軟特性，蜂窩式密封的安裝間隙可以取原標準間隙的下限，密封間隙小，密封效果佳。（3）蜂窩式密封的蜂窩帶對應的是軸上的凸臺，是轉子直徑較大處，即使碰擦也不會造成大軸彎曲變形，因而安全性能極佳。

圖7 WZFW-蜂窩式汽封

2.3 刷式汽封

刷式汽封脫胎于航空發動機技術，1955 年GE 公司在J-47航空發動機中進行了刷封試驗。刷式汽封由前面板、背板和夾在2 者之間的高密度高溫合金絲組成的刷絲組成，刷絲是特種高溫金屬，可承受的線速度超過305m/s，耐溫可達690℃以上。刷毛在汽流作用下產生各種流動（紊流）狀態消耗了汽（氣）體的能量，降低了汽（氣）體的溫度和壓力，從而減少了汽（氣）體的泄漏量。刷絲沿轉子的旋轉方向有一定傾角，能適應轉子的瞬間偏心而靈活快速地退讓。刷封基本是一種接觸式汽封，理論上可以做到零間隙甚至負間隙密封（見圖8）。

圖8 刷式密封的結構

在汽封使用方面，各已使用刷式汽封的電廠仍有一個顧慮，由于刷式汽封是接觸式汽封且刷絲較硬，可能會對汽輪機轉子帶來非正常磨損，而73C 型汽輪機轉子的表面卻并未噴涂硬質涂層，且硬質涂層工藝復雜，一旦脫落對機組的安全運行將會造成威脅，因此相對而言，目前刷式汽封在國內電廠300MW 汽輪機上使用相對較少。

2.4 側齒汽封

蒸汽汽流通過側齒汽封的密封齒進入腔室形成強烈的漩渦，大部分動能轉化為熱能，被腔室中的汽流吸收而升溫，焓值不變，只有小部分動能仍以余速進入下一間隙，腔室越大，密封效果越好。由于流體通過迷宮縫口，會因慣性的影響而產生收縮，流束截面變小，流束因此而產生能量消耗，同樣寬度的縫隙，縫口的形狀越尖，流過的流體越少。流體沿流道的沿程摩阻和局部摩阻構成摩阻效應，一般是：流道長、拐彎急、齒頂尖時，阻力大，壓差損失顯著，泄漏量減小，流道表面越粗糙，密封效果越好。

由于側齒汽封是在傳統梳齒汽封中演變過來，它只是在原梳齒汽封的軸向增加了長短不一的側齒，且這個側齒是與汽封一體加工，通過數控車床車出來，所以在機組正常運行中可不用擔心汽輪機側齒汽封損壞或脫落。

長期以來，各種不同型式的汽封在汽輪中的應用實踐表明：（1）如何用用好或改造好現有的汽封系統是一個系統工程；（2）合適的密封間隙是汽封系統安全、經濟運行的關鍵；（3）選擇適用的汽封型式必須綜合考慮機組運行的安全性和經濟性；（4）汽封系統應用效果的評價應綜合分析各種影響因素。

盡管對各種新型汽封的優點顯著，均取得了良好的改造業績，但仍需以汽輪機安全為主要方面，盡可能的發揮出新型汽封的長處。對于布萊登汽封，其優秀的隨機組轉速自動調整徑向間隙的性能是壓力較大處汽封的首選，但其彈簧長期在高溫下不可能一直保持穩定的工作性能，極有可能失效導致停機時彈簧未做調整導致汽封齒傾倒，因此不可完全改用此類汽封。而蜂窩汽封做為新型汽封中應用最為廣泛的汽封之一，其在較大間隙下也能保持良好的密封性能是汽輪機中低壓部分汽封的首選。

因此，淮陰電廠確定了#3、4 機組通流部分汽封改造以高中壓平衡環汽封改為布萊登汽封、低壓部分改為封窩汽封，以設計低限值為基準調整各汽封的間隙，3 方面相結合的汽封改造模式。

3 改造過程中的關注點

噴嘴優化改造，是以在制造單位裝配為主，改造現場安裝調整間隙為輔。大量工作集中在制造單位，噴嘴室的運輸、噴嘴的拆裝及安裝后處理均是較為耗時的工序，而在改造現場的工作是噴嘴室的吊裝和噴嘴葉頂、葉根阻汽片間隙的調整，工作量相對較少。因此，噴嘴優化改造的關注點集中在改造前期準備和組裝過程監督上。

汽封改造的實施過程全部在改造現場，因此改造過程監督、驗收均是值得關注的地方。在汽封改造的安裝過程中，驗收新配汽封的質量后，需先核對各汽封的位置及安裝標準，確認無誤后清理汽封體滑道，在安裝汽封前一定要把鐵銹清理干凈，可用鋼絲刷和砂紙把鐵銹清除，銹蝕嚴重的要用角磨機清理。

試裝汽封塊背弧頸寬：在不裝彈簧的情況下，將蜂窩汽封塊放于汽封體溝槽內，應能自由滑動。絕不允許將裝配過緊的汽封塊強行打入汽封體槽內。

試彈簧彈力：將彈簧與蜂窩汽封合裝在一起放入滑道，用手將汽封塊壓下，松手后又能很快復位，并能聽到清脆的“嗒”聲即好。彈簧彈力不足時，必須更換彈簧片。切不要采用將彈簧片用手彎曲以圖恢復其彈性的方法。試裝完畢后，檢查汽封梳齒有無輕微彎曲，如有則用平口鉗子扳直。

表1 #4 汽輪機改造前后通流各級監視段試驗值與設計值的對比

表2 #3 汽輪機改造前后汽缸效率與設計值的對比

汽封安裝后，用傳統貼膠布法和壓鉛絲法2 種方案來驗收徑向間隙。用貼膠布法時，需注意膠布不可超過3 層，否則檢測精度將降低。汽封安裝調整過程中，應遵循的一個準則是：各處間隙一定要符合間隙標準，并且一定要平滑過渡。

若無論怎樣增加墊片，徑向間隙沒有變化。產生這種現象的原因有可能是：（1）汽封套變形，汽封環上的背弧抵住了汽封套；（2）膨脹間隙是正值時上下半汽封環同時壓徑向間隙（這個方法是錯誤的），那么所得徑向間隙就大于實際值。

若膨脹間隙大于標準值。產生這種現象的原因有可能是：（1）每段汽封塊兩端間隙調整不均；（2）汽封塊徑向間隙大，可適當減小。

4 改造效果

汽輪機本體噴嘴、汽封改造后，現出的效果主要集中在各監視段的溫度、壓力等參數的變化上，具體衡量以供電煤耗的增減量為主（見表1）。

從改造后的運行參數來看，汽輪機本體升級改造效果明顯，在相近負荷下，改造后主汽流量降低、各抽汽級溫度均有下降。可見汽輪機的效率有較大提升。

從另一方面來看，淮陰電廠#3 汽輪機噴嘴、汽封改造后的機組性能試驗得到的參數均比改造前更貼近設計值。

熱耗情況：額定工況下，2 個試驗工況修正后的熱耗率平均值為8177.270 kJ/（kW·h），與綜合升級改造前試驗經修正后的熱耗率8246.853kJ/（kW·h）相比較，降低69.583 kJ/（kW·h），折算降低供電煤耗約2.9g/（kW·h）。

高、中壓缸缸效：在300MW 工況下，2 次試驗測得的高壓缸效率分別為81.003%和81.131%，平均值為81.067%，比改造前提高2.089%；實測中壓缸效率分別為89.751%和89.145%，平均值為89.045%，比改造前提高2.565%（見表2）。

經濟效益：本次#4A 級檢修中綜合升級改造項目完成，從機組啟動后的各項指標來看，取得了一定的經濟效益。就汽輪機側指標而言，改造后汽輪機熱耗為8177.27kj/（kW·h），比改造前下降69.583kj/（kW·h），約降低供電煤耗2.8g/（kW·h）。年降低生產成本約330.6 萬元，經濟效益可觀。

5 結語

汽輪機本體部分的噴嘴、汽封優化升級改造，在國內傳統電站中都取得了良好的經濟效益。300MW 暨汽輪機做為當前國內主力機型，在優化升級改造后得到經濟利益的同時，還降低了環境污染，是值得推廣的先進技術。在新一代汽輪機的研發中，新型噴嘴、汽封都有應用。合理使用新型技術將改變已服役機組的狀態，使其煥發出新的活力，更好地響應節能減排政策。