三十三萬千瓦機組刷式汽封技術應用研究

【摘 要】根據國家節能減排要求，部分電廠為降低汽輪機組發電煤耗對機組汽封系統進行改造，改造的形式有，梳齒汽封重新調整間隙；蜂窩汽封改造；增加J型密封齒圈數改造；布來登汽封改造；刷式汽封改造等，改造結果有的達到了預期效果，也有的沒達到預期效果，還有因碰磨嚴重需進行揭缸處理的。我廠三十三萬千瓦機組節能改造選用刷式汽封，節能效果比較理想，機組經過8小時的啟動磨合后順利運行，因汽封改造降低發電煤耗約5g/kwh左右。說明在改造過程中從選擇刷式汽封類型到汽封結構設計是正確合理的，這種分析方法也可對其它電廠同類型技術改造有一定借鑒作用。

【關鍵詞】刷式汽封；技術；應用

0.引言

達拉特發電廠330mw汽輪機是北京汽輪機廠與法國阿爾斯通公司合作生產的機組，型號：T2A-330-30-2F-1080。汽機高、中、低壓缸的工作效率設計值分別是84.65%、91.66%、86.13%。實際運行中各缸的效率比設計值低2-3%，我廠機組汽封改后，高、中缸的效率達到84.864%、92.328%[1]、低壓缸效率達到85.89%[2]，比修前分別提高2.354%、1.797%、1.42%，高、中壓缸改造后煤耗降低了約3g/kwh。低壓缸改造后煤耗降低了約2g/kwh，以上計算的節煤量是按西安熱工研究院有限公司提供試驗報告中的數據進行計算[3]，數據顯示，機組各缸效率變化1%對機組熱耗影響如下：高壓缸影響17.30kJ/（kW.h）；中壓缸影響20.02kJ/（kW.h）；低壓缸影響36.19kJ/（kW.h）。通過計算汽封改造使得機組發電煤耗低了5g/kwh左右。這種效果是比較理想的，說明我們選用刷式汽封進行提效改造是成功的，下面就改造過程中對汽封結構選擇和工藝設計進行分析。

1.汽輪機通流間隙對汽缸效率的影響因素

現在通過檢修來提高汽輪機汽缸效率的方法主要是減小汽輪機通流部分的動靜間隙，減小間隙就可減小間隙的漏汽量。

根據縫隙流量計算公式[4]，Qj=qj（ps-p）/η，qj=bjhj3/（12Lj）。Qj-縫隙流量；qj-流量因數；ps-汽封前壓力；p-汽封后壓力；η-流體粘度；bj-縫隙長度；hj-縫隙高度；12Lj -縫隙厚度。

經以上公式分析，我們減少汽輪機汽封漏汽量的主要方法就是減小汽封縫隙高度hj和增加縫隙厚度Lj，其中減小汽封縫隙高度hj效果更加顯著，但hj、Lj受設備結構和運行狀態的限制，不可能做到理想狀態。

2.汽輪機通流間隙的密封形式及特點

汽輪機通流間隙包括葉頂間隙和隔板間隙，一般間隙密封的方式有非接觸式剛性密封和柔性密封，剛性密封的結構形式有梳齒汽封；蜂窩汽封； J型齒密封；布來登汽封等。柔性密封的形式主要是刷式汽封。剛性密封的梳齒汽封如圖一，柔性密封刷式汽封如圖二。刷式汽封是一種柔性密封，結構由前面板、后面板和夾裝在兩者之間的高密度高溫合金細金屬刷絲構成，刷絲沿轉子旋轉方向有一定的傾角，以便更好吸收轉子在徑向移動的偏移量。

圖一 梳齒汽封結構

圖二 刷式汽封結構

剛性汽封要求在運行中，如汽封齒與轉子碰磨，汽封齒必須很快磨損，而且不能產生過多的熱量，否則因兩個剛體碰磨嚴重，轉子產生熱彎曲，發生異常振動現象、轉子永久變形等安全問題。柔性刷式汽封能適應轉子的瞬間徑向變形和偏心運動，甚至在零間隙接觸的情況下也不會產生過多熱量，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙。

3.影響汽輪機通流間隙的因素

汽輪機作為大型旋轉設備，影響通流間隙的因素比較多，如轉子的加工誤差；轉子運行中的振動和變形；轉子過臨界轉速的增幅振動；轉子軸承油膜變化；轉子彎曲度變化；汽缸各滑銷間隙熱位移[5]；汽封間隙的調整誤差；大部件冷熱態變形等，以上原因綜合導致運行中的轉子中心與汽缸中心并不在同一條中心線上，根據我們檢修時測量運行過后機組的通流間隙，間隙值基本都在制造廠家設計值的上限，即使安裝時我們把間隙值調整到下限，但運行后間隙也要增加到上限值范圍，特殊情況時，間隙值還要更大，一般廠家在小直徑旋轉部件上的單邊間隙設計值為0.4-0.7mm，大直徑旋轉部件的單邊間隙設計值為0.9-1.15mm。

為保證機組安全運行，剛性汽封不允許有嚴重碰磨，因此汽封齒的厚度不超0.5mm，汽封的間隙不小于下限值，實際運行時汽封經過磨損，間隙都已達到上限值。每次機組啟動都會使汽封齒造成永久性磨損，而且密封間隙也成倍增加。也就是說，我們精心調整好的汽封間隙很有可能在機組的第一次起動時就被磨大了，對老機組而言，這種情況更明顯。因此僅僅通過更換傳統的剛性汽封并不能提高機組效率。

柔性刷式汽封允許刷毛與轉子接觸，刷毛有較好的彈性退讓，短時的摩擦不會損傷刷毛，也不會使轉子產生嚴重的熱彎曲變形，刷式汽封間隙的最大值可調整到0.2mm，因刷毛有彈性，安裝測量不需很精密，所以大部分刷毛與轉軸已有接觸。當設備運轉到熱態，轉子移動穩定后，中心線發生了位移，刷毛會隨著轉軸偏移，因此汽封間隙也不會增加多少。刷毛厚度可做到1.0-1.5mm，摩擦時也不會產生較多熱量，運行時有較好的密封性。

4.刷式汽封的結構特點

為使刷封有較好的彈性退讓、耐磨性、密封性，刷式汽封設計時應有以下特點：

（1）刷絲采用直徑為0.05～0.07mm 的鈷基高溫金屬，刷絲角 45-60 度。保證刷毛具有低脆性、高韌性，運行過程中不折斷，有較好的彈性退讓能力。

（2）下游環保護高度為1.0～1.5㎜，每根刷絲就是一端為支點的懸臂梁，有著極好的彈性，它們和轉子相碰磨時，刷子可以彈性退讓，不易被磨掉，保證了機組在小間隙 甚至零間隙下的安全運行。下游環保護高度不宜過小，如過小，當刷毛退到下游環與轉子之間時，易形成剛性接觸，會導致轉子劇烈振動。上游環高度不宜過高，以免過度夾緊刷毛影響刷毛退讓。

（3）刷絲厚度1.0-1.5mm，刷絲密集度 90～180根/㎜（在圓周方向），刷封間隙可做到零間隙，刷毛間隙和厚度可保證高性能的密封功能。刷絲厚度不宜過大，以防影響轉子密封凸臺的軸向位移，另外，刷絲厚度過大也會產生過多的熱量，對轉子安全運行不利。

5.刷式汽封的使用優點

（1）柔性刷封比剛性汽封的安裝精度要求低，尤其運行時間比較長的機組，表面腐蝕、氧化嚴重，不宜控制尺寸精度，剛性汽封只能以放大間隙保證安全。而刷式汽封可以將間隙做的比較小，甚至是過盈接觸，工作難度低，適合現場施工。在小間隙汽封改造中，刷式汽封更容易安全啟動。

（2）刷式汽封效率高，刷封和轉子相碰磨時，刷毛可以彈性退讓，不易被磨掉，保證了機組在小間隙 甚至零間隙下運行，可見刷式汽封比常規汽封具有較好的可持續密封性。 因此，刷式汽封可以更好的提高汽輪機的效率。

（3）刷式汽封泄漏量小，其結構原理是密封使介質泄漏發生在密集排列的細金屬絲之間形成的微小縫隙中，這些縫隙所形成的曲折路徑保證了流體不均勻流動，使流體產生了自密封效應，從而保證汽封有較少的泄漏量。

當然，過度的接觸密封會產生過多的熱量。另外，普通單級刷式汽封的前后工作壓力不能過高，壓力過高會影響密封效果，一般低于0.5MPa。

6.刷式汽封改造方案

因原機組的隔板汽封是迷宮式梳齒汽封，改造工藝比較簡單，所以我們只對隔板汽封進行改造。原機組葉頂汽封是J型齒密封阻氣片式的，改造起來比較困難，因此只對其進行間隙調整。

刷式汽封改造范圍：高壓缸隔板10級；中壓缸隔板11級；低壓缸前后隔板4級和低壓軸封汽封。每一級汽封只安裝一道刷式汽封，示意圖如下圖三。

圖三 刷式汽封改造示意圖

7.機組啟動措施

因刷式汽封與轉軸有接觸部分，啟動中會對轉子一定熱影響，轉子振動值有升高現象，所以啟動中需要進行磨合運轉。磨合轉速分臨界轉速以下和臨界轉速以上兩個階段，以振動值不超機組規定值為易。根據我們啟動經驗，總磨合時間不超過8小時。

8.結束語

我廠三十三萬汽輪機組刷式汽封改造后，機組運行平穩，發電煤耗降低了5g/kwh左右，每年可節約燃煤費用250多萬元，經過1.2年時間就可收回投資。節約燃煤也可減少粉塵、SO2、NO化物的排放，對環境保護也起到積極作用。本次汽封改造后節能效果比較好，已達到甚至超過設計值。

刷式汽封的接觸部位可根據磨擦的受力做相應的彈性退讓，不易被磨損，達到了既保持汽封的小間隙，又避免了磨擦振動的發生，待機組穩定之后，刷封在彈性的作用下又恢復其良好的密封性能。刷式汽封通過減少密封間隙起到密封汽流作用，達到了長期節能的目的，也延長刷式汽封的壽命，從而持久獲益。本次刷式汽封技術成功應用，說明這種技術適應性比較廣，適合老舊機組節能改造，也增加了汽輪機節能改造的途徑。 [科]

【參考文獻】

[1]馬修光，韓建春，李燕平.達拉特發電廠#3汽輪機大修后熱力試驗報告[S].呼和浩特：內蒙古電力科學研究院，2014：6-7.

[2]都明亮，趙金峰，趙明亮.達拉特發電廠綜合升級改造實施后3號機組性能測試暨實施效果報告[S].長春：吉林省電力科學研究院有限公司，2014：24-26.

[3]王偉峰.達拉特發電廠7號汽輪機通流改造前性能試驗[S].西安：西安熱工研究院有限公司，2014：3-4.

[4]徐灝，邱宣懷，蔡春源.機械設計手冊[S].北京：機械工業出版社，2001：40-56.

[5]席洪藻，王培基，劉恕義.汽輪機設備及運行[M].北京：水利電力出版社出版，1988：268-275.