汽輪機高中壓缸平衡盤漏汽試驗研究

李強,張明河,苑廣存,李弘

(神華國能山東建設(shè)集團有限公司,山東濟南250101)

摘要：對高中壓合缸汽輪機組，平衡盤漏汽是影響機組經(jīng)濟性的原因之一。通過對不同容量及類型機組開展平衡盤漏汽試驗，得出高中壓合缸機組中軸封漏汽率高于設(shè)計值情況較為普遍，變汽溫法也是測量平衡盤漏汽率的簡單有效方法。結(jié)合不同機組檢修及改造經(jīng)驗，指出影響平衡盤漏汽的原因，并提出整改建議，達到節(jié)能降耗目的。

關(guān)鍵詞：高中壓合缸;變汽溫法;平衡盤漏汽;布萊登汽封;高壓插管;疊片式密封

中圖分類號：TK263.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0467-04

Abstract：For HP&IP cylinder combination units, gland steam leakage is one of the reasons which have negative effects on unit economy. Through series of gland steam leakage tests on units of different types and capacities, we find it common that the real gland steam leakage rate is higher than the design rate. Change of steam temperature test is a simple effective way to measure gland steam leakage. With rich experience of units maintenance and technical modification, we will point out reasons that influence the gland steam leakage and give suggestions addordingly to achieve the goal of energy conservation and consumption cut.

收稿日期2014-07-02修訂稿日期2014-10-15

作者簡介：李強(1977~)，男，工程師,從事火力發(fā)電廠節(jié)能診斷及熱力性能試驗工作。

The Research of the Gland Steam Leakage between Turbine HP&IP Cylinders

LI Qiang,ZHANG Ming-he,YUAN Guang-cun,LI Hong

(Shenhua Guoneng Shandong Construction Group CO., LTD.,Jinan 250101,China)

Key words：HP&IP cylinder combination;change the steam temperature method;the gland steam leakage;brandon gland sealing;HP inlet steam pipe sealing;laminated gland sealing

0引言

由于高中壓合缸汽輪機具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本較低、熱膨脹特性好等優(yōu)點，目前從125 MW至600 MW級大容量汽輪發(fā)電機組普遍采用高中壓缸合缸結(jié)構(gòu)[1]。

汽輪機為高、中壓缸合缸結(jié)構(gòu)時，高、中壓缸之間由中壓缸進汽平衡盤汽封分隔。由于來自調(diào)節(jié)級后軸封和主蒸汽導(dǎo)汽管漏入高壓缸夾層的混合蒸汽，有一部分通過中壓缸進汽平衡盤汽封漏至中壓缸第一級靜葉后，這股蒸汽與再熱蒸汽混合，使進入中壓級組蒸汽溫度和焓值降低[2]。由于混合后的蒸汽溫度無法測量，以中壓主汽門前參數(shù)為初參數(shù)計算得到的中壓缸效率比實際值偏高。

圖1　汽輪機高中壓缸熱力膨脹線

蒸汽在汽輪機高中壓缸膨脹時熱力過程線如圖1所示[3]。當不考慮高中壓缸間汽封漏汽對中壓缸的影響時，其膨脹熱力過程線為：0-1-2-3-4-5-6，當考慮高中壓缸間汽封漏汽對中壓缸的影響時，其熱力膨脹線為：0-1-2-3-4′-5′-6′[2]。

高中壓合缸和通流部分反向布置的結(jié)構(gòu)可以大幅度平衡轉(zhuǎn)子的推力，但難以避免高中壓缸間漏汽。盡管一般中軸封的汽封片數(shù)較多,但由于漏汽點和匯入點之間的蒸汽壓差較大,中軸封處的軸徑也較大,因此這部分漏汽量通常較大。新投運機組的設(shè)計值一般在10~20 t/h,約占再熱蒸汽流量的2%[4]。

中軸封處轉(zhuǎn)子的撓度最大,一般機組在經(jīng)過多次起停后,特別是出現(xiàn)過振動故障后,中軸封的汽封片均會受到較大的磨損,因此在實際運行中中軸封漏汽量一般遠遠高于設(shè)計值。

目前，國內(nèi)外學者對許多類型汽封內(nèi)工質(zhì)的三維流動及傳熱特性進行了研究，并建立了數(shù)學模型，但對中間分隔軸封的研究相對較少[5]。為了解各容量、類型機組中軸封平衡盤漏汽情況，山東建設(shè)集團技術(shù)中心組織人員開展相關(guān)機組平衡盤漏汽率試驗的研究工作。

1測試方法

由于結(jié)構(gòu)原因，這部分漏汽量無法直接測量，通過變汽溫法可以間接測得這部分蒸汽流量。在主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)基本接近情況下，可以認為高中壓缸間軸封漏汽量和中壓缸實際內(nèi)效率是不變的[6]。通過改變主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度，中壓缸第一級前混合后蒸汽溫度會發(fā)生變化，中壓缸排汽溫度也隨之改變，中壓缸效率計算值也會發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)高中壓缸間軸封漏汽量和中壓缸效率計算值的關(guān)系，利用軸封漏汽點流量和熱量平衡方法，可通過計算得到高中壓缸軸封漏汽量。

在額定工況下，分別降低主蒸汽和再熱蒸汽溫度，保持其他條件和參數(shù)不變，通過簡化熱力試驗的方法測得主蒸汽、調(diào)節(jié)級后、高壓缸排汽、再熱蒸汽、中壓缸排汽等參數(shù)。假定高中壓缸間軸封漏汽量與再熱蒸汽流量之比為某一值，計算出中壓缸入口混合蒸汽焓及實際中壓缸效率。取不同的比率可以得到不同的實際中壓缸效率，從而在兩個變汽溫工況分別得到一條漏汽率-效率曲線，且兩條曲線必有一交點，分別對應(yīng)實際高中壓缸間軸封漏汽率和實際中壓缸效率。同時本方法試驗和計算比較簡單、通用, 也可以作為電廠監(jiān)視高壓缸前軸封間隙變化及其完好程度的措施。

2試驗實例

某廠汽輪機為東汽660 MW超臨界空冷機組，高中壓合缸結(jié)構(gòu)。在4 VWO閥位工況下進行變汽溫法平衡盤漏汽試驗，結(jié)果見表1。

表1平衡盤汽封漏汽率試驗結(jié)果

項目名稱試驗值工況4VWO降主汽溫降再熱汽溫試驗日期2014/4/122014/4/122014/4/12試驗開始時間2:004:306:30試驗結(jié)束時間3:104:507:00主蒸汽壓力/MPa23.9223.8223.79主蒸汽溫度/℃566.44546.29564.90調(diào)節(jié)級壓力/MPa19.1419.0619.05調(diào)節(jié)級溫度/℃500.00478.00500.00高壓缸排汽壓力/MPa5.025.015.10高壓缸排汽溫度/℃334.27317.81335.90再熱蒸汽壓力/MPa4.624.614.70再熱蒸汽溫度/℃565.39560.36544.41中壓缸排汽壓力/MPa1.261.261.28中壓缸排汽溫度/℃374.18369.30357.03低壓缸排汽壓力/kPa16.0715.6516.07實際中壓缸效率/[%]87.47漏汽率/[%]4.26

4 VWO工況通過分別改變主、再熱蒸汽溫度，得到兩條曲線交點為4.73%；額定參數(shù)得到的曲線在降主汽溫和降再熱汽溫兩條曲線之間，先與降再熱汽溫曲線相交，然后又與降主汽溫曲線相交，兩點分別為3.71%和4.73%。最終結(jié)果得到高、中壓缸平衡盤汽封漏汽率為4.26%,見圖2。

根據(jù)變汽溫工況繪制曲線，計算得出中壓缸實際效率為87.47%，偏離名義效率2.47%。

3不同機組試驗結(jié)果對比分析

結(jié)合對部分電廠開展的檢修前、后熱力性能試驗，山東建設(shè)集團技術(shù)中心對高中壓合缸機組同步開展了中軸封平衡盤漏汽率試驗，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況如表2。

表2部分機組高中壓缸平衡盤漏汽率試驗數(shù)據(jù)對比

機組生產(chǎn)廠家機組容量/MW機組型號平衡盤漏汽率/[%]中壓缸名義效率/[%]中壓缸實際效率/[%]A廠#2機東汽150N150-13.2/535/53516.4084.3981.10B廠#1機上汽330N330-16.7/538/5381.4389.889.19B廠#4機上汽330N330-16.7/538/5389.3285.6781.91C廠#1機哈汽600CLNZK600-24.2/566/5662.2490.0789.34D廠#1機上汽135N135-13.24/535/5354.7494.8793.47D廠#2機上汽135N135-13.24/535/5355.9795.0192.16E廠#6機上汽135NZK135-13.2/535/53515.5491.9789.38G廠#1機哈汽300CC250/N300-16.67/537/5377.87--H廠#1機東汽660NZK660-24.2/566/5664.5790.0287.24H廠#2機東汽660NZK660-24.2/566/5664.2689.9487.47

圖2　高中壓缸平衡盤汽封漏汽率與中壓缸效率關(guān)系曲線

從表2可知，由于高中壓合缸機組中軸封平衡盤漏汽影響，由此計算得出的中壓缸實際效率普遍低于中壓缸名義效率約0.5%~3.5%，對缸效率及熱耗的影響較為明顯。經(jīng)統(tǒng)計，中軸封平衡盤漏汽率每增加1.0%，影響汽輪機熱耗率增加約0.22%~0.26%[4]。

4原因分析

(1)汽封磨損。平衡盤汽封位高中壓轉(zhuǎn)子中間，此處轉(zhuǎn)子撓度較大，機組經(jīng)頻繁啟停及長期運行，平衡盤汽封會受到較大磨損，造成平衡盤汽封間隙變大，漏汽量增大(見圖3)。

圖3　汽封磨損圖片

(2)高壓進汽插管泄露。機組經(jīng)過長期運行，高壓缸會產(chǎn)生一定的變形，受高壓缸變形影響，高壓進汽插管密封可能會產(chǎn)生泄漏，泄漏的蒸汽會匯入平衡盤汽封使平衡盤汽封漏汽量增大。隨著機組日常運行負荷的調(diào)整，進汽插管長期承受較大的交變應(yīng)力作用，不僅對密封會造成一定程度損傷，某廠還曾出現(xiàn)過高壓插管斷裂事故。目前高壓插管密封較多采用活塞環(huán)密封、鐘罩密封、疊片式密封等形式(見圖4)，其中疊片式密封效果較好。

圖4　不同類型高壓進汽插管密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　高壓進汽插管密封型式改造示意圖

5措施建議

(1)對平衡盤汽封進行檢查更換、間隙調(diào)整。

(2)對高壓插管密封進行檢查、調(diào)整、更換。

6試驗評價

(1)A廠#2機組利用檢修機會對中軸封汽封、高壓進汽插管密封進行了檢查修復(fù)工作，修后平衡盤漏汽率下降明顯，由16.4%下降至5.43%。

(2)F廠#3機組于2001年投產(chǎn)，投產(chǎn)后滿負荷高排溫度始終維持在328~334℃，高于設(shè)計值15~20℃，對經(jīng)濟性影響明顯。后利用檢修機會將高壓插管活塞環(huán)式密封改造為疊片式密封，改造后相同負荷及進汽參數(shù)下，高排溫度下降到315.5℃，比改造前降低12.5℃，基本達到設(shè)計值水平，插管泄露得到很好控制，節(jié)能效果顯著。密封改造示意圖如圖5。

(3)G廠#1機組高中壓缸過橋汽封進行布萊登汽封部分改造，改造后平衡盤漏汽率由7.87%下降至5.86%，機組熱耗率同比下降23.03 kJ/kW·h[7]。

7結(jié)論

(1)高中壓合缸機組中軸封漏汽率高于設(shè)計值情況較為普遍。

(2)變汽溫法是間接測取汽輪機平衡盤漏汽率較為簡單實用的方法，可為高中壓前軸峰運行狀況監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。但試驗時應(yīng)嚴格滿足各項試驗要求，以獲得相對準確的結(jié)果。同時本方法試驗和計算比較簡單、通用, 也可以作為電廠監(jiān)視高壓缸前軸封間隙變化及其完好程度的措施[6]。

(3)汽封磨損及高壓進汽插管密封泄露是造成中軸封平衡盤漏汽率超標的主要原因，通過加強對上述部位的檢查、修復(fù)及改造，可以達到降低漏汽率及節(jié)能降耗的目的。

參考文獻

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