吳劍恒,蘇志祥
(福建省石獅熱電有限責(zé)任公司,福建 石獅 362700)
汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)可在轉(zhuǎn)子軸端形成蒸汽密封,防止高壓部分汽缸內(nèi)的蒸汽外漏,可造成軸承油內(nèi)進(jìn)水和蒸汽能量損失,同時防止外界空氣順軸封漏進(jìn)真空部分汽缸,影響機(jī)組的真空以及運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
軸封漏汽造成的損失是汽輪機(jī)效率較低的第二大因素。蒸汽的泄漏不僅損失熱能和介質(zhì),還會大大降低凝汽器真空,使汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性下降。
1.梳齒式迷宮汽封的工作原理
某熱電廠兩臺C6-35/8型抽凝式汽輪機(jī)軸端汽封設(shè)計采用非接觸式的梳齒式迷宮汽封,其工作原理為:一定壓力的蒸汽流經(jīng)梳齒式迷宮汽封時,必須依次經(jīng)過汽封蓖齒尖與軸凸肩所形成的狹小間隙,如圖1所示。當(dāng)經(jīng)過第一個間隙時,蒸汽產(chǎn)生節(jié)流作用,壓力由p1降到p2,汽流加速,隨后高速進(jìn)入小室,發(fā)生撞擊和渦流等現(xiàn)象使速度消失,動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?dāng)蒸汽過第二個間隙時,又重復(fù)上述過程,壓力由p2降到p3。就這樣,蒸汽流經(jīng)過最后一個汽封蓖齒時,壓力降至p,已與大氣壓力相差很小。所以,在一定的壓差下,汽封齒越多,每個蓖齒前后的壓差就越小,漏汽量也越少,當(dāng)汽封蓖齒數(shù)量足夠多時,漏汽量為零。但是,由于齒間為環(huán)形腔室,環(huán)向流動大大減少了渦流降速的效果,因而泄漏量大,而且此結(jié)構(gòu)不具有可磨性,蓖齒磨損后,間隙變大,漏汽損失增加,機(jī)組效率降低。
2.梳齒式迷宮汽封存在問題
由于汽輪機(jī)在啟動過程中動靜部分中心的相對位置發(fā)生變化,以及汽流進(jìn)入蓖齒密封的密封腔室時發(fā)生軸的自激振動,軸封蓖齒磨損非常嚴(yán)重。在1號機(jī)組大修期間進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前軸封處的蓖齒高度已經(jīng)磨短了0.55~0.85mm,后軸封處的蓖齒高度已磨短了0.65~0.75mm(蓖齒高度設(shè)計值為4.85mm)。軸封蓖齒的磨損導(dǎo)致高壓側(cè)軸端汽封處的高壓高溫蒸汽漏入到前軸承,惡化了軸承工作條件,并且造成潤滑油乳化變質(zhì),危及機(jī)組安全運(yùn)行;軸封蓖齒的磨損還導(dǎo)致低壓側(cè)軸端汽封嚴(yán)密性下降,大量氣體漏入排汽缸,嚴(yán)重影響汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性,使機(jī)組啟動抽真空時間延長、凝汽器實際運(yùn)行平均真空度偏低,降低了機(jī)組出力和熱經(jīng)濟(jì)性。
圖1 迷宮式汽封原理圖
為徹底解決梳齒迷宮密封漏汽,消除機(jī)組的安全隱患,提高機(jī)組的效率,決定在保留原有的梳齒結(jié)構(gòu)和汽密性基礎(chǔ)上,采用目前比較先進(jìn)的蜂窩汽封進(jìn)行技術(shù)改造。這樣不僅可保留梳齒密封節(jié)流降壓的特點(diǎn),還可以充分發(fā)揮蜂窩帶多級密封和寬面密封的結(jié)構(gòu)特性,提高密封性能,加強(qiáng)汽輪機(jī)軸端的阻漏效果。
1.蜂窩汽封的原理
蜂窩密封原理主要是利用熱力學(xué)磨阻效應(yīng)。當(dāng)汽流進(jìn)入蜂窩帶,由于蜂窩網(wǎng)格的作用,氣體在每個蜂窩網(wǎng)格內(nèi)形成渦流,產(chǎn)生渦流阻尼,對轉(zhuǎn)子和靜子之間的汽流產(chǎn)生阻礙,使汽流方向發(fā)生改變,汽流的動能降低并因磨阻而轉(zhuǎn)換為熱能,氣體在蜂窩內(nèi)壓力劇降到很小值,泄漏量減小,從而達(dá)到密封效果。
2.蜂窩汽封的優(yōu)點(diǎn)
與梳齒式迷宮密封比較,蜂窩汽封具有以下優(yōu)點(diǎn):①蜂窩封嚴(yán)面是材質(zhì)柔軟的正六角形蜂窩網(wǎng)格,具有可磨耗的特點(diǎn),如發(fā)生動靜碰撞也不會損傷葉片或轉(zhuǎn)子軸,因而安全性好。②蜂窩的特性決定其耐磨,使用壽命長。③蜂窩封嚴(yán)的阻尼特性決定其封嚴(yán)效果好,在相同的汽封間隙下,泄漏量比傳統(tǒng)的梳齒迷宮密封降低30%~70%。④產(chǎn)生的蒸汽阻尼相當(dāng)于一層汽墊,可避免氣流激振和其他引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的振動。⑤具有除濕等特殊功能。
1.軸端汽封改造的原則和方案
軸端汽封的改造原則:不拆除軸上的蓖齒,在保留原有梳齒結(jié)構(gòu)和汽密性的基礎(chǔ)上,在汽封環(huán)上配以蜂窩汽封。汽封環(huán)座與齒為同體加工,蜂窩與篦齒的間隙為0.20~0.25mm。
軸端汽封的改造方案:①高壓端軸封采用高低蜂窩與梳齒迷宮封嚴(yán)相結(jié)合的方法,保留原軸端汽封環(huán)兩端上插入齒與蓖齒,汽封環(huán)用高低蜂窩相結(jié)合,3.2mm高的低蜂窩鑲?cè)肫猸h(huán)座部分,原汽封環(huán)上的齒用寬1.6mm的高蜂窩代替,見圖2。這種復(fù)式結(jié)構(gòu)保留汽封環(huán)的兩端插入齒與蓖齒,使汽封具有梳齒迷宮封嚴(yán)結(jié)構(gòu),而且加入蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu),使得汽封效果優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)。②低壓端軸封采用高蓖齒低蜂窩汽封,見圖3。保留原有的梳齒結(jié)構(gòu),在汽封環(huán)上配以低蜂窩。這樣,不拆除軸和汽封環(huán)上的蓖齒,在保留原有氣密性的條件下,增加了蜂窩汽封,使得氣密性在原有基礎(chǔ)上提高。汽封環(huán)座與蓖齒為同體加工,蓖齒的根部寬度為1.0mm,頂部寬度不小于0.60mm,最頂端寬度為0.3mm。
2.蜂窩汽封的設(shè)計和制造
(1)圖紙尺寸。依據(jù)原汽輪機(jī)的軸端汽封圖紙尺寸以及所確定的技術(shù)方案,設(shè)計蜂窩汽封環(huán)圖紙,并根據(jù)圖紙加工制造蜂窩汽封代替原有的梳齒式汽封。
(2)材料。蜂窩汽封環(huán)分為汽封環(huán)座及蜂窩帶兩部分,環(huán)座材料選用15CrMo,蜂窩帶材料選用進(jìn)口的鎳基高溫合金海斯特 (HASTELLOYX,δ=0.076mm)箔材,蓖齒則選用硬度低、耐磨損的鐵素體。
(3)蜂窩芯格形狀及規(guī)格:蜂窩的形狀為正六角形。蜂窩的名義尺寸為內(nèi)切圓直徑1.6mm,蜂窩帶高度為3.2mm左右。
(4)環(huán)座加工。根據(jù)原汽封環(huán)圖紙設(shè)計蜂窩汽封環(huán),環(huán)座的相關(guān)尺寸應(yīng)與原汽封環(huán)尺寸完全一致 (如外徑、環(huán)座寬度、調(diào)整塊安裝位置等)。
(5) 蜂窩帶的釬焊。蜂窩帶與環(huán)座之間運(yùn)用專用焊接設(shè)備,采用特殊焊接工藝進(jìn)行釬焊,焊合率應(yīng)在85%以上。
(6) 焊后加工:蜂窩釬焊后,按要求利用線切割將汽封環(huán)進(jìn)行分?jǐn)唷?/p>
由于改造重點(diǎn)是根據(jù)轉(zhuǎn)子上篦齒的磨損情況配做蜂窩汽封,并且不清楚篦齒的磨損情況,廠家先對汽封環(huán)座進(jìn)行粗加工,待利用機(jī)組大修期間技術(shù)人員現(xiàn)場測得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后,再進(jìn)行精加工,根據(jù)篦齒磨損量配車蜂窩釬焊面,見圖4。
為方便蜂窩與篦齒間隙過大時的間隙調(diào)整,在汽封環(huán)座的定位面根部加工一個R0.3mm的圓弧槽,見圖5。
3.蜂窩汽封的安裝
改造時,高壓端軸封安裝六圈高低蜂窩汽封 (見圖6),其中外側(cè)兩圈汽封與內(nèi)側(cè)汽封之間形成充汽和抽汽密封兩個腔室,目的是防止蒸汽外漏、保護(hù)油質(zhì)以及阻止封汽氣體進(jìn)入抽汽側(cè);其余四圈發(fā)揮節(jié)流降壓作用和保證抽汽壓力,達(dá)到更好的密封效果。低壓端軸封安裝三圈高篦齒低蜂窩汽封,目的是有效地阻止軸封供汽漏入汽缸,維持軸封供汽腔的汽壓平穩(wěn),防止外界空氣進(jìn)入抽汽腔和軸封供汽進(jìn)入抽汽腔,并避免軸向位移所造成的摩擦。
由于蜂窩芯易變形,在安裝時應(yīng)特別注意防止磕碰。間隙調(diào)整的方法與普通疏齒形汽封相同,并將蜂窩與蓖齒間隙由原來的0.4mm調(diào)整到不大于0.2mm。
改造后1號汽輪機(jī)軸封漏汽明顯減少,按減少漏汽0.6t/h計算(軸封漏汽量設(shè)計值為1.6t/h),機(jī)組的發(fā)電能力可以增加125kW,每年可多發(fā)電975MW·h,提高了機(jī)組的真空度1.0kPa,機(jī)組因此每年可節(jié)約標(biāo)煤77.5t,該改造項目還減小了維修費(fèi)用和工作量。
根據(jù)1號機(jī)組的經(jīng)驗,對2號汽輪機(jī)軸封進(jìn)行同樣的改造,2號汽輪機(jī)軸封改造后可減少漏汽0.9t/h以上,每年可多發(fā)電1 463MW·h,同時節(jié)約標(biāo)煤116t。
綜上所述,改造后兩臺6MW抽凝式汽輪機(jī)每年可節(jié)約標(biāo)煤1 047t,減少SO2排放121.1t,減少NOX排放76.1t,減少粉塵排放773.2t,減少CO2排放14 516.6t。
[1]魏玉劍.提高國產(chǎn)中小汽輪機(jī)通流部分效率的措施 [J].上海汽輪機(jī),1999,28(3).
[2]鄭李坤,顧昌,閆貴煥.運(yùn)行參數(shù)變化對凝汽器真空影響的探討 [J].汽輪機(jī)技術(shù),2002,44(6).
[3]何立東,袁新,尹新.蜂窩密封減振機(jī)理的實驗研究 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2001,21(10).
[4]何立東,葉小強(qiáng),劉錦南.蜂窩汽封及其應(yīng)用的研究 [J].中國機(jī)械工程,2005,16(20).
[5]李軍,鄧清華,豐鎮(zhèn)平.蜂窩汽封和迷宮式汽封流動性能比較的數(shù)值研究 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(16).
[6]趙健民.蜂窩式汽封在110MW汽輪機(jī)通流部分改造中的應(yīng)用 [J].發(fā)電設(shè)備,2006,20(6).
[7]蔡國梁.國產(chǎn)50MW汽輪機(jī)軸端汽封的改造 [J].熱能動力工程,2001,16(1).