布萊登汽封技術在600WM汽輪機組上的應用

高　明（淮南洛河發電廠，安徽`淮南`232007）

布萊登汽封技術在600WM汽輪機組上的應用

高明
（淮南洛河發電廠，安徽`淮南`232007）

淮南洛河發電廠針對電廠在用600WM汽輪機缸內漏汽損失大、缸效低、經濟性不佳等運行現狀，利用布萊登汽封技術在機組大修時對其汽軸封加以改進，為布萊登汽封技術在同類型汽輪機組上的應用提供了寶貴的實踐經驗。

600WM汽輪機；汽軸封；布萊登汽封

一、設備概況

大唐淮南洛河發電廠#5汽輪機組是上海汽輪機有限公司引進美國西屋公司技術生產的N600-24.2/566 /566-600MW超臨界中間再熱凝汽式汽輪機，其高、中壓汽缸為沖動式調節級和反動式壓力級的混合型，具有雙流式、反動式兩個低壓缸。汽輪機汽封除高中壓缸平衡活塞汽封及噴嘴汽封采用布萊登汽封外，其余均采用傳統的梳齒式汽封。

自投產以來，汽輪機的熱耗率、高壓缸效率、中壓進汽平衡盤漏汽率均明顯偏離設計值，大大增加了機組的煤耗，修前機組熱力試驗，在3VWO和460MW負荷工況下，修正后熱耗計算結果分別為8123kJ/kW·h和8370kJ/kW·h，明顯超出設計值7597kJ/kW·h。460MW工況下，#5機高壓缸效率為81.58%；中壓缸效率為92.71%。其原因主要是由于采用傳統梳齒式汽封，經過長時間運行后徑向密封間隙過大。汽輪機內部的泄漏可影響到汽輪機熱效率損耗的80%，尤其是高中壓汽缸等敏感部分的間隙過大，其效率損失可超過其余各種效率損失的總和。同時，高壓軸端汽封的漏汽量偏大，將引起汽輪機油中含水量超標，嚴重影響汽輪機運行的安全性。

二、傳統梳齒式汽封

1.傳統梳齒式汽封的工作原理

迷宮式汽封中根據斷面的形狀不同常用的有樅樹型汽封和梳齒式汽封，由于后者成本更低、結構簡單，因此淮南洛河發電廠國產引進型600WM汽輪機上采用的是傳統梳齒式汽封。其密封形式為高低相間梳齒式，配合轉軸上對應的凸臺或凹槽，如圖1所示，當蒸汽流經汽軸封梳齒時，由小的間隙流入擴大的汽室，因阻力和渦流的作用，使汽壓不斷下降，流速減小，比容增大，利用多級節流膨脹的原理，其漏汽量的大小直接影響整機效率及機組出力。

圖1　傳統梳齒式汽封的結構

在亞音速下，即：P2/P1≥K=0.85×（Z+1.5）1/2，則：漏汽量Gf=ξF·［g（p12-p22）/Zp1V1］1/2。

在超音速下，即：P2/P1＜K=0.85×（Z+1.5）1/2，則：漏汽量Gf=ξF·［gp1/（Z+1.5）×V1］1/2。

由上式可知，汽軸封漏汽量與梳齒根數的平方根成反比，與梳齒的間隙成正比，因此，目前大功率汽輪機組為保證較高的效率，均設計具有多道的軸封和隔板汽封，同時盡可能調整梳齒徑向間隙，來達到一定的密封效果，通常其徑向間隙為0.60～0.80mm。

2.傳統梳齒式汽封的優缺點

梳齒式汽封密封結構是當前汽輪機使用最廣泛的一種傳統密封結構，該汽封成本低、結構簡單、易于安裝。但由于傳統梳齒式汽封是由汽封圈車削加工而成，因而汽封齒較厚，一般為0.4～1mm左右。如此厚的密封齒一旦與轉子發生摩擦，不但對轉子損害嚴重，而且還會引起機組更強烈地振動。因此，為確保安全，經常以犧牲經濟效益為代價，在現場檢修時將這些間隙進一步放大。運行中汽缸跑偏、受熱變形、碰磨或者在開機過程中汽封彈簧片卡澀，極易導致隔板汽封、葉頂汽封和軸封不同程度磨損，不僅汽封漏汽量增大，還會出現因沿圓周方向徑向間隙分布不均，而引起蒸汽作用力沿圓周方向分布不均衡，產生蒸汽激振。激振一旦發生，將很難消除，嚴重危及機組安全。同時，機組在啟停過程中，由于排汽、背壓等因素引起的脹差變化較大，因采用梳齒汽封結構軸封和隔板，其轉軸上部密封凸臺與汽封短齒會產生位移，容易造成短齒“掉臺”，而高齒則被拉彎“倒伏”的現象，進一步增加了泄漏量，使整機效率受到極大的影響。

三、布萊登汽封

1.布萊登汽封的工作原理

布萊登汽封取消了傳統汽封背部的板彈簧，取而代之的是在每圈汽封弧段端面處，加裝了4只螺旋彈簧，并且在每個汽封弧段的背部進汽側中間位置銑出1個進汽槽，使上游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。

（1）自由狀態

自由狀態時，詳見圖2、3。

圖2　汽封自由狀態下示意圖

在彈簧應力作用下汽封弧塊處于張開狀態而遠離轉子；機組啟機時，隨著蒸汽流量的增加，作用在每圈汽封弧塊背部的蒸汽壓力逐漸增大，當這一壓力足以克服彈簧應力和摩擦阻力時，汽封弧塊逐漸關閉，直至處于工作狀態，并始終保持與轉子的最小間隙值運行；停機時，隨蒸汽流量的減小，在彈簧應力作用下，推動汽封弧塊遠離轉子，使汽封與轉子的徑向間隙達到最大值。布萊登汽封圈上的受力情況如：①關閉力：進汽側蒸汽壓力p1作用于汽封弧段背部產生的作用力F1，出汽側蒸汽壓力p2作用于汽封弧段背部產生的作用力F2。②開啟力：蒸汽流過汽封齒與轉子軸向間的通道時，對汽封產生的作用力F3和汽封弧段端面間壓彈簧產生的作用力F4。③摩擦力：汽封弧塊閉合或張開時與汽封槽道間的摩擦力F5。

（2）工作狀態

在汽輪機啟動時，由于進入的蒸汽量少，相應進入汽封弧段背部的蒸汽量也少，作用于汽封弧段背部的關閉力就小，此時作用力關系為：F1+F2＜F3+F4-F5。

汽封塊在開啟力的作用下，各汽封處于張開狀態，遠離轉子，使汽封齒與轉子的徑向間隙保持在較大狀態（最大值為汽封退讓間隙與機組正常運行時的汽封徑向間隙之和。汽封退讓間隙1.8～2.5mm），從而避免了過臨界轉速時轉子與汽封齒的碰磨。

隨著汽輪機通流部分蒸汽進入量的增加，作用于汽封弧段背部的關閉力克服作用于汽封齒側的開啟力及摩擦力，此時作用力關系為：F1+F2＞F3+F4+F5。

汽封弧塊在關閉力的作用下逐級關閉，并最終實現汽封塊的關閉，使汽封齒與轉子的徑向間隙減到最小值，并予以保持，如圖4所示。

圖3　汽封壓力分布圖

圖4　汽封工作狀態下示意圖

布萊登汽封在機組啟動時，當蒸汽流量在3%～30%設計流量下汽封塊開始逐級關閉；在停機時，蒸汽流量減少到2%～3%，汽封全部張開。布萊登汽封通過汽封弧段的自動開啟和關閉，實現了機組啟、停機過程中汽封與轉子的徑向間隙可調，避免了由于振動產生的動靜碰磨，機組正常運行期間，汽封與轉子的徑向間隙始終保持在較小的范圍內，即設計值的下限。

2.布萊登汽封的優缺點

布萊登汽封是從美國引進的一種新型可調式汽封，減小了汽封環后背弧在槽道內的軸向寬度，減輕了汽封環的銹死危害，汽封環進汽側中心部分加工有進汽槽道，使蒸汽直達汽封塊后背弧。在汽封塊端部加工了彈簧孔，取消了傳統背撐彈簧片式汽封后背弧的彈簧壓片。布萊登可調汽封，可根據汽輪機啟停過程及調峰情況，設定汽封環閉合時間，或根據大修機組中汽封磨損情況，設定不同位置汽封環關閉時間。這樣可使汽輪機啟停過臨界轉速，啟動溫度梯度最大時，汽封環離開汽輪機軸打開，汽封間隙最大，避免汽封與軸動靜碰磨。當汽輪機運行工況穩定或帶一定負荷時，汽封環閉合，汽封間隙達較小值，由于汽封間隙在啟停過程中可調，汽封閉合時間隙可以在大修安裝中調整到制造廠家給定的最小值，降低了級間汽封和軸端汽封漏汽量。

由于汽輪機轉子存在質量偏心或動不平衡，運行中轉子均有不同程度的振幅擺動，其擺動幅值除與其自身質量偏心程度相關外，與汽封和軸承徑向間隙的阻尼作用大小（即阻尼系數）有關。

根據非線性系數振動模態分析可知，動靜間隙的等效阻尼系數與轉子擺動幅值的關系為：

其中，A為幅值；F為阻尼力；Ce為等效阻尼系數；ω為轉子振動角頻率。

其中，η為蒸汽動力粘度；n為汽封或軸封齒數；b為阻汽片寬度；D1為汽封或軸封外徑；D2為轉子外徑。

由上述公式可知，當汽封間隙減小時，阻尼系數增大，轉子擺動幅值減小。

因此，減小汽封徑向工作間隙對轉子運行擺幅值具有一定的抑制作用，從而提高機組運行的穩定性，而布萊登汽封運行間隙明顯要小于傳統梳齒式汽封，對抑制轉子擺動幅值，提高機組運行穩定性的效果更加明顯。

四、布萊登汽封安裝實施方案

淮南洛河發電廠通過對其他電廠的詳細調研，再結合本廠300WM汽輪機組汽封的改造經驗，確定了配合#5機組大修，采用布萊登汽封技術對高中壓缸進行改進，并將汽封間隙控制在廠家要求標準下限±0.05mm，具體改造范圍詳見表1。

表1　改造范圍及間隙標準（均按汽流方向排列）

大唐洛河發電廠#5機組大修中，根據完善后的汽封間隙控制標準，對#5機高中壓缸進行洼窩及汽軸封間隙調整后，具體間隙數據見表2～5（在轉子推向推力軸承電端的測量記錄）。

表2　調節級通流間隙記錄　mm

表3　高、中壓平衡活塞及高壓排汽側平衡活塞（標準值0.45±0.05）　mm　

表4　高壓軸封徑向間隙　mm

表5　中壓缸徑向通流間隙　mm

五、采用布萊登汽封技術的效果分析

大唐淮南洛河發電廠通過#5機組大修，分別對高壓噴嘴室汽封，中壓2～8級隔板汽封，高中壓缸軸端內汽封共11道汽封進行了布萊登汽封改進，并對高壓進汽平衡環汽封、中壓進汽平衡環汽封，高壓排汽平衡環汽封共10道汽封進行了徑向密封間隙調整工作。為了解改進后所達到的具體效果，由安徽電科院進行了大修前后熱力試驗，并進行了比較分析，試驗結果詳見表6、表7。

表6　布萊登汽封改進前、后高、中壓缸效試驗結果

表7　布萊登汽封改進前、后機組熱耗率試驗結果

同時由于高中壓缸漏汽損失的降低和作功能力的改善使各級抽汽分布更趨合理，高加設備的性能大大改善，高加端差均達到設計值，進一步提高了機組的經濟性指標，詳情見表8。

實施布萊登汽封改造前、后，對比460WM負荷工況下，高、中壓缸效率分別提高了3.41%和1.58%；機組熱耗率降低約0.9%；機組煤耗降低約2.65g/kW·h。

通過上述應用改進及分析，為今后布萊登汽封技術在600WM汽輪機組上的應用提供了一定的實踐經驗，可在同類型機組中進一步推廣。

表8　布萊登汽封改進前、后高加設備性能試驗結果

［1］王殿武.汽輪機設備檢修［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］朱新華.電廠汽輪機［M］.北京：中國電力出版社，2000.

［3］屈維德.機械振動手冊［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［4］張素心等.吳涇600MW機組軸系振動特性分析［C］.第六屆汽輪機學術年會論文集，2001.

TK263.2

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（2015-08-16）