刷式汽封在330MW機組上的應用

張建雙

(華能嘉祥發電有限公司，山東 濟寧 272400)

刷式汽封在330MW機組上的應用

張建雙

(華能嘉祥發電有限公司，山東 濟寧 272400)

分析了某發電廠1號汽輪機組自投產以來熱經濟性不高的原因，提出了采用刷式汽封及蜂窩汽封代替原來梳齒汽封的改造方案，并對刷式汽封及蜂窩汽封的技術特點進行了分析。經過技術改造提高了機組的熱經濟性，取得了良好的效果，為同類型機組的汽封改造提供了重要的參考依據。

汽輪機；刷式汽封；蜂窩汽封；梳齒汽封

0 設備概況

某發電廠1號機組采用N330-16.7-538/538型、亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、高中壓缸合缸、抽汽凝汽式汽輪機。自2006年投產后，熱經濟性不高，存在高中壓缸效率低的問題。

1 高中壓缸效率低的原因分析

1.1 修前試驗結果分析

2013年，該發電廠在1號機組C+修前，對1號機組進行熱力性能測試，涉及5種工況，機組設計熱耗率為7 892.3 kJ/kWh，主要試驗數據如表1所示。

由表1可知：在VWO工況下，額定參數下的機組熱耗率為8245.8 kJ/kWh，高出設計值353.5 kJ/kWh。計算5VWO工況下的2次試驗平均值，高壓缸效率為82.24 %，比設計值84.61 % 低2.37 %；中壓缸效率平均值為88.83 %，比設計值92.03 %低3.20 %。在300 MW工況下，額定參數下的熱耗率8 268.7 kJ/kWh，額定參數下的機組電功率為308.25 MW，高壓缸效率為81.57 %，中壓缸效率為88.86 %。

表1 汽輪機組修前主要試驗數據

1.2 檢修前高中壓缸漏汽量與中壓缸效率分析

檢修前，汽輪機高中壓缸漏氣量的試驗數據如表2所示。

表2 檢修前汽輪機高中壓缸漏汽量試驗數據

該發電公司1號機組引進330 MW機組，由于高中壓缸結構是合缸，汽封漏汽進入中壓缸，降低了中壓缸進汽溫度及排汽溫度，使中壓缸級的蒸汽溫度和比焓值降低。由于中壓缸內混合的蒸汽參數無法測定，因而將中主門前的進汽參數作為初始參數進行計算，所得中壓缸效率為中壓缸名義效率，比中壓缸實際效率偏高。

對表2中的試驗數據進行分析：機組高中壓缸間漏氣率為1.52 %，計算5VWO工況下的漏汽量為12.39 t/h；中壓缸實際效率為88.52 %，比設計值92.03 %低3.51 %，通過計算使熱耗值升高85.2 kJ/kWh，比5VWO工況下中壓缸平均名義效率89.05 %低0.43 %。

1.3 檢修前汽輪機各汽缸效率分析

檢修前，汽輪機缸效率的實驗數據如表3所示。

表3 檢修前汽輪機缸效率試驗數據

對表3試驗數據分析如下：5VWO工況下的平均高壓缸效率為82.24 %，比設計值84.61 %低2.37 %，通過計算使熱耗率升高39.0 kJ/kWh；中壓缸名義效率88.83 %，VWO工況下的高壓缸效率為83.55 %，比設計VWO工況下的86.57 %低3.02 %。

1.4 汽缸效率低原因分析

通過數據分析可知，造成汽輪機缸效率低的主要因素有：汽封漏氣嚴重、端部軸封密封效果差、通流部件節流損失增加等。這些因素將導致熱能損失過大，嚴重影響機組熱經濟性。

該機組的3缸汽封采用老式梳齒汽封。由于是反動式機組，隔板相對來說較薄，所以高壓缸的葉頂和隔板采用阻汽片，其密封原理同梳齒汽封。現代科學研究成果表明，若想梳齒密封達到良好的密封效果，必須做到以下3點：

(1) 把齒做得很尖；

(2) 有足夠長的密封距離；

(3) 安裝間隙越小越好。

前2點因現有汽封材料、加工工藝和汽輪機結構的限制，很難再有突破；而減小間隙會引起機組汽流振動，特別是機組過臨界轉速時，常導致汽封片磨損，嚴重時會導致轉子彎曲變形，給機組運行帶來很大的安全隱患。為了機組的安全，許多機組在檢修時常將間隙人為擴大，導致經常發生梳齒汽封泄漏嚴重，造成經濟效益差。

為提高1號汽輪機組的缸效率，降低汽輪機的熱耗率，減少高、中、低壓缸的汽封漏汽量，提高低壓缸的真空度，達到降低成本和節能環保的要求，現對1號汽輪機汽封進行改造。

傳統的梳齒密封結構易導致機組汽封漏汽增大和經濟性能下降，必須改善汽封密封結構，以提高機組的經濟性。

2 新型汽封特點介紹

2.1 刷式汽封的特點

刷式汽封是一種柔性密封，能適應轉子的瞬間徑向變形或偏心運動，因此能做到在保證安全的前提下盡量減小密封間隙。同時，由于增加了轉子的振動阻力，有利于改善轉子的穩定性。刷式汽封的結構如圖1所示。

圖1 刷式汽封結構示意

刷式汽封的刷環是由緊密排列的特種細金屬絲組成的，每根刷絲就是一個以一端為支點的梁，具有極好的彈性；在刷絲和轉子相碰磨時，可以彈性退讓，不易被磨掉，從而保證了機組在小間隙甚至零間隙下的安全運行。即便在機組過臨界轉速和變工況時，刷絲也會跟隨軸退讓而不會被磨損。待機組穩定之后，刷環又恢復良好的密封性能。而傳統剛性汽封齒只要和轉子碰擦就會很快被磨損，形成永久性的泄漏通道，從而增大了蒸汽的泄漏量。大量實驗證明：刷式汽封的漏汽量只有梳齒式汽封的10 %-20 %。

刷絲是直徑為0.05-0.07 mm的高溫鈷基合金絲，硬度為85 HB，其抗拉強度為850 MPa。刷毛束厚度為2 mm，刷毛密集度90-180根/mm(在圓周方向)，刷毛角為45°-60°。安裝間隙為0.05 mm(單邊間隙)。采用電子束焊接與刷環制成一體，焊接部位強度比金屬絲本身強度還要高，不會發生掉絲現象，可承受的速度超過305 m/s，耐溫可達1 200 ℃。汽封退讓間隙在2.5 mm以上，膨脹間隙在0.2-0.5 mm。

2.2 蜂窩汽封的特點

當蒸汽通過汽封時，蒸汽將沿著轉子與汽封環梳齒、蜂窩之間的間隙向外流動。由于蒸汽本身帶有一定的壓力，當它通過上述間隙時，就會強力擠入蜂窩巢穴內，使每個蜂窩巢穴都成為氣室，蒸汽會在這些氣室的阻擋下改變方向并降低壓力。

3 改造方案

針對汽輪機高、中、低壓缸的不同位置，分別采用刷式汽封及蜂窩汽封的組合改造型式，對高、中、低壓汽封進行改造，具體方案如下。

3.1 高壓缸汽封改造

(1) 高壓端部汽封部分：外側兩道改成刷式汽封、內側兩道改成蜂窩汽封，共改造4圈。(2) 高壓進汽平衡活塞部分：5圈刷式汽封。(3) 高壓排汽平衡活塞部分：3圈刷式汽封。

3.2 中壓缸汽封改造

本部分全部改造為刷式汽封，包括中壓軸端4圈、隔板9圈(因隔板第1級沒有直接接觸轉子，所以不改造)、葉頂9圈和中壓進汽平衡盤汽封2圈，改造數量共24圈刷式汽封。中壓缸隔板和葉頂汽封如圖2所示。

3.3 低壓缸汽封改造

低壓轉子直徑大，蒸汽的溫度和壓力比較低，蒸汽焓降小。低壓缸部分具有如下特點：做功份額大；每級做功能力大；壓差小，溫度低；設計徑向間隙大，且因低壓缸采用鋼結構焊接，變形大，間隙不易調整；低壓轉子動葉長，在離心力的作用下，動葉會變長，無法正確估計正常運行時的間隙；動、靜葉頂部均為平齒。

綜上所述，低壓缸汽封間隙大，不易調整，是導致低壓缸熱效率低的原因。因而減小低壓缸汽封間隙，可以降低低壓缸的排汽溫度，提高低壓缸的熱效率。利用刷式汽封的特性，可以將汽封間隙調小至原設計值的1/3左右。

3.3.1 低壓缸葉頂和隔板汽封

隔板共7級，除第1級隔板因固定不方便改成刷封外，其余6級隔板汽封均改為刷封，電端和調端共12圈。第1到第5級葉頂汽封改造為刷封，電端和調端共10圈；第6級葉頂汽封改為蜂窩汽封，電端和調端共2圈。全部加起來是24圈汽封，如圖3所示。

改造型式：用1道刷毛代替原來汽封上的1個齒。改造成刷式汽封后，因刷絲優異的彈性，在機組啟動時能躲避機組的振動，即使和轉子相碰，其接觸產生的力量也會很小，不會對機組的運行構成安全隱患。機組穩定運行后，因刷絲優異的回彈性能，可快速跟上轉子，恢復到原來的間隙，避免蒸汽大量泄漏。

3.3.2 低壓缸端部軸封

低壓缸端部軸封左右對稱,共8圈刷式汽封，能有效阻止外面的空氣進入，提高了凝汽器真空度。

4 改造效果

本次機組改造主要對高、中、低壓缸的汽封，汽封間隙調整靠下限。改造后進行了熱力性能試驗測試，試驗結果表明：330 MW額定工況下汽輪機熱耗較改造前下降了240 kJ/kWh，折合煤耗約下降9.1 g/kWh；汽輪機的高壓缸效率由修前的82.24 %提高到83 %，提高了近1 %；中壓缸效率由改造前的88.83 %提高到91.48 %，提高了2.6 %，汽封改造取得了良好的效果。

圖2 中壓缸隔板和葉頂汽封

圖3 低壓缸隔板和葉頂汽封

5 結束語

該發電公司針對1號汽輪機高、中、低壓缸效率低、汽封漏氣量大的問題進行了技術改造，使汽輪機缸效率得到明顯提升，機組的汽封泄漏量減少，軸封供汽壓力降低，凝汽器真空提高,排汽溫度降低，增加了機組的出力。

從改造的經濟效果看，汽輪機熱耗較改造前下降240 kJ/kWh，節煤9.1 g/kWh。機組年發電量按照16億度計算，每年可節約標準煤14 560 t;按照標煤價格500元/t計算，每年可節發電成本約728萬元。實踐證明：汽輪發電機組的汽封改造具有可觀的經濟效益，符合國家節能減排的政策，此次汽封改造為同類型機組的汽封改造提供了重要的參考依據。

1 王廣闊．汽輪機汽封徑向間隙的調整[J].電力安全技術，2013，15(7)：54-56．

2 張立宏．200 MW機組汽封改造后的啟動磨合探討[J].電力安全技術，2011，13(11)：40-42．

2016-07-06；

2016-09-08。

張建雙(1976-)，男，工程師，主要從事火電廠汽輪機檢修技術管理工作，email:zjshuang@sohu.com。