高　明（淮南洛河發(fā)電廠，安徽`淮南`232007）

布萊登汽封技術(shù)在600WM汽輪機(jī)組上的應(yīng)用

高明
（淮南洛河發(fā)電廠，安徽`淮南`232007）

淮南洛河發(fā)電廠針對(duì)電廠在用600WM汽輪機(jī)缸內(nèi)漏汽損失大、缸效低、經(jīng)濟(jì)性不佳等運(yùn)行現(xiàn)狀，利用布萊登汽封技術(shù)在機(jī)組大修時(shí)對(duì)其汽軸封加以改進(jìn)，為布萊登汽封技術(shù)在同類型汽輪機(jī)組上的應(yīng)用提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

600WM汽輪機(jī)；汽軸封；布萊登汽封

一、設(shè)備概況

大唐淮南洛河發(fā)電廠#5汽輪機(jī)組是上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的N600-24.2/566 /566-600MW超臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，其高、中壓汽缸為沖動(dòng)式調(diào)節(jié)級(jí)和反動(dòng)式壓力級(jí)的混合型，具有雙流式、反動(dòng)式兩個(gè)低壓缸。汽輪機(jī)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(tǒng)的梳齒式汽封。

自投產(chǎn)以來(lái)，汽輪機(jī)的熱耗率、高壓缸效率、中壓進(jìn)汽平衡盤漏汽率均明顯偏離設(shè)計(jì)值，大大增加了機(jī)組的煤耗，修前機(jī)組熱力試驗(yàn)，在3VWO和460MW負(fù)荷工況下，修正后熱耗計(jì)算結(jié)果分別為8123kJ/kW·h和8370kJ/kW·h，明顯超出設(shè)計(jì)值7597kJ/kW·h。460MW工況下，#5機(jī)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(tǒng)梳齒式汽封，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后徑向密封間隙過(guò)大。汽輪機(jī)內(nèi)部的泄漏可影響到汽輪機(jī)熱效率損耗的80%，尤其是高中壓汽缸等敏感部分的間隙過(guò)大，其效率損失可超過(guò)其余各種效率損失的總和。同時(shí)，高壓軸端汽封的漏汽量偏大，將引起汽輪機(jī)油中含水量超標(biāo)，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性。

二、傳統(tǒng)梳齒式汽封

1.傳統(tǒng)梳齒式汽封的工作原理

迷宮式汽封中根據(jù)斷面的形狀不同常用的有樅樹(shù)型汽封和梳齒式汽封，由于后者成本更低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此淮南洛河發(fā)電廠國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型600WM汽輪機(jī)上采用的是傳統(tǒng)梳齒式汽封。其密封形式為高低相間梳齒式，配合轉(zhuǎn)軸上對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)或凹槽，如圖1所示，當(dāng)蒸汽流經(jīng)汽軸封梳齒時(shí)，由小的間隙流入擴(kuò)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(jí)節(jié)流膨脹的原理，其漏汽量的大小直接影響整機(jī)效率及機(jī)組出力。

圖1　傳統(tǒng)梳齒式汽封的結(jié)構(gòu)

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(shù)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(jī)組為保證較高的效率，均設(shè)計(jì)具有多道的軸封和隔板汽封，同時(shí)盡可能調(diào)整梳齒徑向間隙，來(lái)達(dá)到一定的密封效果，通常其徑向間隙為0.60～0.80mm。

2.傳統(tǒng)梳齒式汽封的優(yōu)缺點(diǎn)

梳齒式汽封密封結(jié)構(gòu)是當(dāng)前汽輪機(jī)使用最廣泛的一種傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)，該汽封成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝。但由于傳統(tǒng)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(zhuǎn)子發(fā)生摩擦，不但對(duì)轉(zhuǎn)子損害嚴(yán)重，而且還會(huì)引起機(jī)組更強(qiáng)烈地振動(dòng)。因此，為確保安全，經(jīng)常以犧牲經(jīng)濟(jì)效益為代價(jià)，在現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)將這些間隙進(jìn)一步放大。運(yùn)行中汽缸跑偏、受熱變形、碰磨或者在開(kāi)機(jī)過(guò)程中汽封彈簧片卡澀，極易導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)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(chǎn)生蒸汽激振。激振一旦發(fā)生，將很難消除，嚴(yán)重危及機(jī)組安全。同時(shí)，機(jī)組在啟停過(guò)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(jié)構(gòu)軸封和隔板，其轉(zhuǎn)軸上部密封凸臺(tái)與汽封短齒會(huì)產(chǎn)生位移，容易造成短齒“掉臺(tái)”，而高齒則被拉彎“倒伏”的現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了泄漏量，使整機(jī)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(tǒng)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(gè)汽封弧段的背部進(jìn)汽側(cè)中間位置銑出1個(gè)進(jìn)汽槽，使上游蒸汽進(jìn)入汽封弧段背面，為保證汽封在關(guān)閉、打開(kāi)的過(guò)程中不出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，增大了汽封弧塊“脖頸”與汽封槽道處的間隙。

（1）自由狀態(tài)

自由狀態(tài)時(shí)，詳見(jiàn)圖2、3。

圖2　汽封自由狀態(tài)下示意圖

在彈簧應(yīng)力作用下汽封弧塊處于張開(kāi)狀態(tài)而遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子；機(jī)組啟機(jī)時(shí)，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(dāng)這一壓力足以克服彈簧應(yīng)力和摩擦阻力時(shí)，汽封弧塊逐漸關(guān)閉，直至處于工作狀態(tài)，并始終保持與轉(zhuǎn)子的最小間隙值運(yùn)行；停機(jī)時(shí)，隨蒸汽流量的減小，在彈簧應(yīng)力作用下，推動(dòng)汽封弧塊遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子，使汽封與轉(zhuǎn)子的徑向間隙達(dá)到最大值。布萊登汽封圈上的受力情況如：①關(guān)閉力：進(jìn)汽側(cè)蒸汽壓力p1作用于汽封弧段背部產(chǎn)生的作用力F1，出汽側(cè)蒸汽壓力p2作用于汽封弧段背部產(chǎn)生的作用力F2。②開(kāi)啟力：蒸汽流過(guò)汽封齒與轉(zhuǎn)子軸向間的通道時(shí)，對(duì)汽封產(chǎn)生的作用力F3和汽封弧段端面間壓彈簧產(chǎn)生的作用力F4。③摩擦力：汽封弧塊閉合或張開(kāi)時(shí)與汽封槽道間的摩擦力F5。

（2）工作狀態(tài)

在汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于進(jìn)入的蒸汽量少，相應(yīng)進(jìn)入汽封弧段背部的蒸汽量也少，作用于汽封弧段背部的關(guān)閉力就小，此時(shí)作用力關(guān)系為：F1+F2＜F3+F4-F5。

汽封塊在開(kāi)啟力的作用下，各汽封處于張開(kāi)狀態(tài)，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子，使汽封齒與轉(zhuǎn)子的徑向間隙保持在較大狀態(tài)（最大值為汽封退讓間隙與機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)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(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子與汽封齒的碰磨。

隨著汽輪機(jī)通流部分蒸汽進(jìn)入量的增加，作用于汽封弧段背部的關(guān)閉力克服作用于汽封齒側(cè)的開(kāi)啟力及摩擦力，此時(shí)作用力關(guān)系為：F1+F2＞F3+F4+F5。

汽封弧塊在關(guān)閉力的作用下逐級(jí)關(guān)閉，并最終實(shí)現(xiàn)汽封塊的關(guān)閉，使汽封齒與轉(zhuǎn)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(tài)下示意圖

布萊登汽封在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)蒸汽流量在3%～30%設(shè)計(jì)流量下汽封塊開(kāi)始逐級(jí)關(guān)閉；在停機(jī)時(shí)，蒸汽流量減少到2%～3%，汽封全部張開(kāi)。布萊登汽封通過(guò)汽封弧段的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組啟、停機(jī)過(guò)程中汽封與轉(zhuǎn)子的徑向間隙可調(diào)，避免了由于振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)靜碰磨，機(jī)組正常運(yùn)行期間，汽封與轉(zhuǎn)子的徑向間隙始終保持在較小的范圍內(nèi)，即設(shè)計(jì)值的下限。

2.布萊登汽封的優(yōu)缺點(diǎn)

布萊登汽封是從美國(guó)引進(jìn)的一種新型可調(diào)式汽封，減小了汽封環(huán)后背弧在槽道內(nèi)的軸向?qū)挾?，減輕了汽封環(huán)的銹死危害，汽封環(huán)進(jìn)汽側(cè)中心部分加工有進(jìn)汽槽道，使蒸汽直達(dá)汽封塊后背弧。在汽封塊端部加工了彈簧孔，取消了傳統(tǒng)背撐彈簧片式汽封后背弧的彈簧壓片。布萊登可調(diào)汽封，可根據(jù)汽輪機(jī)啟停過(guò)程及調(diào)峰情況，設(shè)定汽封環(huán)閉合時(shí)間，或根據(jù)大修機(jī)組中汽封磨損情況，設(shè)定不同位置汽封環(huán)關(guān)閉時(shí)間。這樣可使汽輪機(jī)啟停過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)溫度梯度最大時(shí)，汽封環(huán)離開(kāi)汽輪機(jī)軸打開(kāi)，汽封間隙最大，避免汽封與軸動(dòng)靜碰磨。當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定或帶一定負(fù)荷時(shí)，汽封環(huán)閉合，汽封間隙達(dá)較小值，由于汽封間隙在啟停過(guò)程中可調(diào)，汽封閉合時(shí)間隙可以在大修安裝中調(diào)整到制造廠家給定的最小值，降低了級(jí)間汽封和軸端汽封漏汽量。

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量偏心或動(dòng)不平衡，運(yùn)行中轉(zhuǎn)子均有不同程度的振幅擺動(dòng)，其擺動(dòng)幅值除與其自身質(zhì)量偏心程度相關(guān)外，與汽封和軸承徑向間隙的阻尼作用大?。醋枘嵯禂?shù)）有關(guān)。

根據(jù)非線性系數(shù)振動(dòng)模態(tài)分析可知，動(dòng)靜間隙的等效阻尼系數(shù)與轉(zhuǎn)子擺動(dòng)幅值的關(guān)系為：

其中，A為幅值；F為阻尼力；Ce為等效阻尼系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子振動(dòng)角頻率。

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

由上述公式可知，當(dāng)汽封間隙減小時(shí)，阻尼系數(shù)增大，轉(zhuǎn)子擺動(dòng)幅值減小。

因此，減小汽封徑向工作間隙對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)行擺幅值具有一定的抑制作用，從而提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，而布萊登汽封運(yùn)行間隙明顯要小于傳統(tǒng)梳齒式汽封，對(duì)抑制轉(zhuǎn)子擺動(dòng)幅值，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的效果更加明顯。

四、布萊登汽封安裝實(shí)施方案

淮南洛河發(fā)電廠通過(guò)對(duì)其他電廠的詳細(xì)調(diào)研，再結(jié)合本廠300WM汽輪機(jī)組汽封的改造經(jīng)驗(yàn)，確定了配合#5機(jī)組大修，采用布萊登汽封技術(shù)對(duì)高中壓缸進(jìn)行改進(jìn)，并將汽封間隙控制在廠家要求標(biāo)準(zhǔn)下限±0.05mm，具體改造范圍詳見(jiàn)表1。

表1　改造范圍及間隙標(biāo)準(zhǔn)（均按汽流方向排列）

大唐洛河發(fā)電廠#5機(jī)組大修中，根據(jù)完善后的汽封間隙控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)#5機(jī)高中壓缸進(jìn)行洼窩及汽軸封間隙調(diào)整后，具體間隙數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～5（在轉(zhuǎn)子推向推力軸承電端的測(cè)量記錄）。

表2　調(diào)節(jié)級(jí)通流間隙記錄　mm

表3　高、中壓平衡活塞及高壓排汽側(cè)平衡活塞（標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的效果分析

大唐淮南洛河發(fā)電廠通過(guò)#5機(jī)組大修，分別對(duì)高壓噴嘴室汽封，中壓2～8級(jí)隔板汽封，高中壓缸軸端內(nèi)汽封共11道汽封進(jìn)行了布萊登汽封改進(jìn)，并對(duì)高壓進(jìn)汽平衡環(huán)汽封、中壓進(jìn)汽平衡環(huán)汽封，高壓排汽平衡環(huán)汽封共10道汽封進(jìn)行了徑向密封間隙調(diào)整工作。為了解改進(jìn)后所達(dá)到的具體效果，由安徽電科院進(jìn)行了大修前后熱力試驗(yàn)，并進(jìn)行了比較分析，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表6、表7。

表6　布萊登汽封改進(jìn)前、后高、中壓缸效試驗(yàn)結(jié)果

表7　布萊登汽封改進(jìn)前、后機(jī)組熱耗率試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)由于高中壓缸漏汽損失的降低和作功能力的改善使各級(jí)抽汽分布更趨合理，高加設(shè)備的性能大大改善，高加端差均達(dá)到設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，詳情見(jiàn)表8。

實(shí)施布萊登汽封改造前、后，對(duì)比460WM負(fù)荷工況下，高、中壓缸效率分別提高了3.41%和1.58%；機(jī)組熱耗率降低約0.9%；機(jī)組煤耗降低約2.65g/kW·h。

通過(guò)上述應(yīng)用改進(jìn)及分析，為今后布萊登汽封技術(shù)在600WM汽輪機(jī)組上的應(yīng)用提供了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可在同類型機(jī)組中進(jìn)一步推廣。

表8　布萊登汽封改進(jìn)前、后高加設(shè)備性能試驗(yàn)結(jié)果

［1］王殿武.汽輪機(jī)設(shè)備檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］朱新華.電廠汽輪機(jī)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［3］屈維德.機(jī)械振動(dòng)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［4］張素心等.吳涇600MW機(jī)組軸系振動(dòng)特性分析［C］.第六屆汽輪機(jī)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2001.

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