汽輪機鑲嵌式阻汽片結構優化改造研究

摘" 要：截至2024年，大唐濱州發電有限公司2號機組已連續運行7年，機組運行指標熱耗值大，高、中壓缸缸效降低，且汽輪機內部原鑲嵌式阻汽片沖刷磨損較為嚴重，已影響機組運行經濟性。結合2024年2號機組A修機會，進行揭缸完成缸內通流部分鑲嵌式阻汽片優化改造，獲得比較滿意的效果。

關鍵詞：節能減排；技術改造；效率低；鑲嵌式阻汽片優化改造；熱耗值

中圖分類號：TM311" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0047-04

在我國，目前整個電力裝機中占比例最大的仍然是火電，占到70%～80%，水電占到20%。風電發展最快，總裝機翻了一番；其次是核電，增長了近30%，但風電、核電、光伏等清潔能源加起來所占的比例較少。火力發電是現在電力發展的主力軍，在現在提出和諧社會、循環經濟的環境中，在提高火電技術的方向上要著重考慮電力對環境的影響，對不可再生能源的影響，雖然現在在中國已有部分核電機組，但火電仍占領電力的大部分市場，近年電力發展滯后經濟發展，全國范圍內新建了許多火電廠，但火電技術必須不斷提高發展，才能適應和諧社會的要求。

火力發電廠簡稱火電廠，是利用煤、石油、天然氣作為燃料生產電能的工廠，它的基本生產過程是：燃料在鍋爐中燃燒使水加熱，最終轉化成蒸汽，將燃料的化學能轉變成熱能，蒸汽壓力推動汽輪機旋轉，熱能轉換成機械能，然后汽輪機帶動發電機旋轉，將機械能轉變成電能。汽輪機主要由汽缸和內部隔板套組成，汽缸是汽輪機的外殼，其作用是將汽輪機的通流部分與大氣隔開，形成封閉的汽室，保證蒸汽在汽輪機內部完成能量的轉換過程，汽缸內安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外連接著進汽、排汽、抽汽等管道。然而隨著機組不間斷的運行，汽缸有些內部構件會消耗掉，造成內外壓力的變化，從而影響機組的安全運行，間接地使發電企業產出同樣多的電能而消耗更多的能源。所以，針對汽輪機內漏的變化對汽輪機運行的影響加以研究，為以后汽機檢修提供技術參考。

針對汽輪機節能改造行之有效的方法就是減少級間內漏，對于可拆卸汽封來說，汽封自身可以拆卸更換，并且汽封塊本身空間較大，可改造性較好，現主要技術手段是汽封結構型式的改造，利用不同結構型式的汽封解決不同位置的漏汽串汽問題，對于鑲嵌式阻汽片結構而言，由于鑲嵌式阻汽片是鑲裝在隔板套或內缸的母體槽道內，鑲嵌式阻汽片自身很薄，由于結構自身原因，型式改造比較困難，就以上阻汽片改造困難的問題，結合現場汽輪機內缸或隔板的時間尺寸情況，考慮內缸及隔板套的自身強度，及鑲嵌阻汽片對汽輪機組軸向通流的軸向位置的影響，對鑲嵌式阻汽片進行加齒改造，一方面增加密封齒數增強密封性能；另一方面增加密封齒數保證低齒始終能夠與轉子上的高臺形成有效密封，以增加鑲嵌式阻汽片的密封性能，有效提高機組效率。

1" 針對350 MW級汽輪機高壓持環鑲嵌式阻汽片的改造方案

1.1" 350 MW汽輪機基本情況

大唐濱州發電有限公司（以下簡稱“濱州公司”）2號機為C350/280-24.2/0.4/566/566型汽輪機，由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司設計制造的超臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機，汽輪機主蒸汽額定參數為：壓力24.2 MPa，溫度566 ℃，額定功率350 MW。機組運行指標熱耗值大，高、中壓缸缸效降低，且汽輪機內部原汽封沖刷磨損較為嚴重，已影響機組運行經濟性。結合2024年2號機組A修機會，進行揭缸完成缸內通流部分設備優化更換。針對該機組高壓持環阻汽片現有結構，有足夠的空間進行阻汽片加齒改造。

1.2" 阻汽片加齒改造基本方案及原理

汽封的密封效果主要取決于2個因素，即密封的徑向間隙大小和汽封齒數量及結構形式。梳齒汽封密封結構及原理簡單，運行安全可靠，安裝維護簡單，并且制造和維護成本較低，對機組不會造成任何損害，被廣泛應用于各汽輪機廠各種型號汽輪機的各個部位。梳齒汽封的密封原理為“多齒節流膨脹”。傳統梳齒汽封是迫使流體通過曲折的的途徑，遞減其壓力，以減少漏汽，汽流在流經每道齒齒隙和齒軸組成的腔體時不斷地受到間隙的節流和腔體的膨脹而使漏汽能量逐漸衰減，達到密封的作用。

密封齒和軸配合的理論間隙一般取（0.2～0.6）d/1 000 mm（d為軸徑），一般取0.25 mm以上，0.25 mm被視為從安全運行角度考慮的最小許可值。裝配時，汽封通過背部的彈簧支撐，壓緊在槽道內，當運行時，轉子與汽封齒有碰磨時，汽封環有一定的退讓余地，不至于嚴重損傷軸和汽封體，但不能防止摩擦。

加密齒技術優勢如下。

1）低齒增加密封齒數。在原梳齒式汽封相鄰高齒中間部位，尺寸較寬，軸上凸臺始終對著增加的密封齒，不會出現“掉臺”的現象。始終保持良好的密封間隙。

2）當量齒數大大增強。在原基礎上增加低齒數量，在有效的空腔內大大增加了密封齒數，密封效果增強。

3）密封面加寬，密封齒絕對數量增加。

4）封嚴效果好。汽封密封泄漏量的計算公式為

式中：ΔG1為汽封蒸汽泄漏量；A為汽封間隙面積，Z為汽封環齒數；P0為進入軸封前蒸汽壓力，V0為進入軸封前蒸汽壓力比容；g為重力加速度， P1為軸封蒸汽壓力。μ為蒸汽周向運動阻力系數，ξ為阻尼系數（實驗值為3～5）。

在其他參數不變的情況下，齒數Z增加使泄漏量大大減少。

另外，在汽輪機的機組設計和運行過程中，有一個非常重要的監測指標叫做脹差。簡單來說，脹差就是指汽輪機本體轉動部件和靜止部件的膨脹量之差。

汽輪機的脹差是轉子與汽缸的相對膨脹。一般情況下，由于蒸汽是通過轉子葉片做功，轉子受熱是高于汽缸的，所以脹差本身是實時存在的，當汽缸膨脹大于轉子膨脹時，轉子的脹差為正；當轉子膨脹大于汽缸膨脹時，汽缸的脹差為負。由于脹差的存在，就會使鑲嵌式阻汽片與轉子上的軸套有相對位移，當相對的位移達到一定值時，鑲嵌在高壓持環上的低齒就與轉子上的軸臺錯位形成“掉臺”，掉臺后的鑲嵌密封齒就產生密封失效，使大量的蒸汽從失效的密封處漏向下一級，造成蒸汽內漏，大大降低蒸汽的做功，使機組效率低。

1.3" 原結構鑲嵌式阻汽片存在的缺陷

1）原結構阻汽片為高低齒式迷宮結構，改造前，低齒位置是單齒與轉子上高臺形成一道密封結構（圖1）。

2）原結構阻汽片低齒位置密封結構在汽輪機運行過程中，可能出現由于脹差的存在低齒密封結構出現“掉臺”現象，使密封失效（圖2）。

針對以上梳齒密封基本原理及高壓持環阻汽片存在的缺陷對汽輪機高壓持環葉頂鑲嵌式阻汽片改造為低密齒結構，即將低齒原來的1道齒結構，改成2道齒結構。

本次改造阻汽片需要將高壓持環葉頂低齒部分改造成雙齒結構，將原來所有阻汽片換成雙齒片汽封片，將原來的齒片由1道齒改為2道齒，如圖3所示；改造需要對葉頂阻汽片鑲裝的槽道進行擴槽道加工，或者不對槽道加工，直接更改阻汽片鑲條的設計尺寸，在2道齒中間鑲裝鑲條，優化后葉頂阻汽片及隔板阻汽片的間隙比改造前的間隙標準縮小0.1～0.2 mm，最大限度減小阻汽片間隙，同時將原來的密封阻汽片由1道增加為2道，增加了密封齒數，以提高機組效率。

改造前每道槽內只鑲1道齒，改造后在低齒位置有兩道密封齒與轉子軸臺形成有效密封，即使在特殊情況下，脹差較大時，也能夠保證有1道低齒與轉子軸臺形成有效密封（圖4），另外改造后，為了不影響軸向通流，高齒不變，低齒由原來的1道齒改為2道齒。高齒部分相對軸臺有軸向通流要求，因此高齒還延用原結構，以保證機組軸向通流不變。

1.4" 高壓持環鑲嵌式阻汽片改造過程

改造過程需要將整個持環運輸到加工廠，在立式車床上對持環對應需要改造的阻汽片槽道進行加工，按照現場測量的具體加工尺寸及方向，對高壓持環進行加工擴槽，擴槽方向需要在現場機組解體后，根據現場軸向通流的實際位置及汽輪機運行時脹差值，兩者結合后確定低齒鑲裝阻汽片的槽道的擴槽方向及具體尺寸。然后在加工廠直接鑲裝阻汽片后對阻汽片進行加工至比標準間隙值小0.1～0.2 mm，到現場根據實際用真轉子壓出的間隙值及洼窩偏心值，進行修正，用專用刮齒機現場精修刮阻汽片間隙至合格。

2" 高壓持環鑲嵌式阻汽片間隙精修刮調整方法

2.1" 大修時，在機組解體后，進行高壓持環的懸垂測量

具體方法如下。

1）高壓持環解體后，將轉子吊出。

2）清理假軸后，把假軸吊入。

3）回裝高壓內上缸，緊1/3螺栓，檢查內缸中分面的密封情況，記錄存在間隙的數值。

4）把百分表安裝在高壓內缸的進汽側和出汽側，具體的位置如圖5中（百分表表針指在內缸內表面，表座固定在假軸上）a點和b點，分別記錄其自由狀態時的讀數a1、b1，并測量L1、L2……Ln的數值，分別記錄在調整專用表格中。

5）回裝高壓外缸，緊1/3螺栓，分別記錄其實缸狀態時的讀數a2、b2。在緊螺栓的過程中千萬注意不要碰到百分表及表架。

6）記好讀數后，將螺栓松開吊走高壓缸外上缸，再檢驗a點和b點的數值是否與高壓外缸吊入前一樣。

7）第n級阻汽片的狀態差（實缸相對于自由狀態的偏差值）計算公式為：[（b1-b2）-（a1-a2）]×Ln÷L+（a1-a2）。

2.2" 在機組解體后，進行高壓持環的洼窩測量

測量洼窩可以和第1項懸垂的測量放在一起測量，即在吊入假軸后，把百分表安裝好，見第1項，在緊好高壓內缸1/3螺栓后進行測量，表針指在a點和b點的位置，盤動假軸即可得出a點和b點所在位置的上下缸的洼窩，在測量點做好標記，（標記一定要標識清楚，并且不能破壞），如圖6所示。

記錄在自由態時的下列數值：a點下缸的洼窩a1左、a1下、a1右；上缸洼窩a1左上、a1上、a1右上；b點下缸的洼窩b1左、b1下、b1右；上缸洼窩b1左上、b1上、b1右上。

記錄完畢后，回裝高壓外缸，緊1/3螺栓，再次進行實缸狀態時的洼窩的測量，分別記錄為：a點下缸的洼窩a2左、a2下、a2右；上缸洼窩a2左上、a2上、a2右上；b點下缸的洼窩b2左、b2下、b2右；上缸洼窩b2左上、b2上、b2右上。

2.3" 阻汽片更換前的間隙測量及洼窩的測量

本項工作在機組軸系中心調整完畢后進行。

1）在軸系中心調整完畢后，進行洼窩的測量，測量方法同第2項的步驟。本次的洼窩測量值將作為專用刮齒機的精確定位數值，修前的洼窩是刮齒機初步定位的數值，本次按測量的數據進行微調。

2）高壓持環改造完成后，返回現場，用真轉子壓鑲嵌式阻汽片間隙，跟標準間隙進行對比，然后根據實際測量的數值，進行刮齒機安裝洼窩的修正，進行阻汽片間隙的精修。

3）專用刮齒機工作原理是類似鏜床原理，將專用刮齒機中心軸調整至與轉子中心重合，利用固定在中心軸上的可以調整長度的刀桿對每一道阻汽片進行精修刮。對下半持環阻汽片間隙修刮完畢后，將高壓持環上半回裝在下半缸上，并緊螺栓至中分面間隙合格。根據高壓下半持環阻汽片修刮好的間隙對上半阻汽片進行精修刮至合格。

4）最后全實缸進行阻汽片間隙驗收。

3" 通過鑲嵌式阻汽片改造后達到的效果

改造后機組一次啟機成功，通過運行參數與修前對比，高壓缸效率有大幅提高，高中壓缸漏汽情況有較大改善。

改造后額定工況下，高缸效率比修前提高了2.1%，依據國內同類型機組汽缸效率的影響系數，可估算出大修后因高壓缸效率提高引起熱耗下降約35 kJ/（kW·h）左右。

4" 結論和建議

1）鑲嵌式阻汽片改造后，機組啟、停過程中機組脹差應與改造前脹差基本持平，不會因鑲嵌式阻汽片改造導致機組脹差超限，整機效率比改造前有明顯提高，機組沒有發生因鑲嵌式阻汽片改造所造成的軸系不穩、動靜碰磨、振動現象。

2）鑲嵌式阻汽片改造后，對機組運行的汽水品質和運行參數控制無特殊要求，可按原機組規定的汽水品質標準和運行參數進行控制。

3）鑲嵌式阻汽片改造后，對機組啟、停及正常運行操作方式能滿足機組啟停及負荷變化要求，不影響機組的啟停速率，不致損傷轉子或導致大軸彎曲及其他損壞。

4）通過鑲嵌式阻汽片改造可以實現在小空間、小結構尺寸內最大限度提高機組密封性能，也是行之有效的，既節省了改造投入及檢修工期，又給企業降低的生產成本，又降低汽輪機運行熱耗的汽輪機檢修中的優秀改造技術之一。

參考文獻：

[1] 吳秀蘭.汽輪機設備及系統（第二分冊）[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2] 郭艷秋.大型火電機組檢修實用技術叢書（汽輪機分冊）[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3] 朱小令.火電廠汽輪機組提高性能技術[R].西安：西安熱工研究院有限公司，2014.

Abstract： Unit 2 of Datang Binzhou Power Generation Co.， Ltd. has been in continuous operation for 7 years up to 2024. The unit's operating indicators have a high heat consumption value， a reduced cylinder efficiency of high and intermediate pressure cylinders， and the original inlaid steam traps inside the steam turbine have been seriously eroded and worn， which has affected the operating economy of the unit. Taking into account the opportunity of A-repair of Unit 2 in 2024， the cylinder was removed to complete the optimization and transformation of the inlaid steam traps in the flow passage part of the cylinder， and satisfactory results were achieved.

第一作者簡介：郭琳琳（1992-），男，工程師，汽機高級點檢員。研究方向為汽輪機。