傅曉峰

(浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000)

1 背景介紹

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求，到2020年，現役燃煤抽凝發(fā)電機組平均供電煤耗必須低于305 g/(kW·h)。浙江巨化熱電有限公司(以下簡稱“巨化熱電”)9#汽輪機組供電煤耗均高于同類型機組平均水平5 g/(kW·h)，應加快實施節(jié)能改造。探索新型節(jié)能汽封技術在汽輪機組的研究和應用，對降低燃煤機組供電煤耗具有重要意義。

2 能耗狀況

2.1 現行國家能耗標準

現役抽凝機組：供電煤耗 305 g/(kW·h), 綜合供熱煤耗 42.5 kg/GJ。

2.2 巨化熱電9#機組能耗狀況

巨化熱電2005年投產的9#機組，是由上海汽輪機廠生產的亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式、中間再熱135 MW汽輪機組，型號N135-13.24/535/535，額定主蒸汽壓力13.24 MPa，額定主蒸汽溫度535 ℃。

根據該機組2006年竣工測試報告，高壓缸缸效較設計值低3%(見表1)。

表1 9#機組發(fā)電熱耗測試數據Table 1 Measurement data of heat consumption in power generation of 9# unit

該機組運行至今已經接近13年，并且在歷年大修中沒有對高中壓缸缸內通流間隙與密封件進行較為徹底的改造，加之機組還是使用較為傳統(tǒng)的梳齒式密封器件，根據國內機組汽封連續(xù)運行損耗曲線平均值估計，真實高壓缸缸效較設計值低5%，真實中壓缸缸效較設計值低3%。

2.3 9#機缸效降低的主要原因

根據機組運行參數進行分析，9#機缸效降低的主要原因如下:①高中壓缸內通流間隙較大，導致高壓缸缸效降低;②高中壓過橋(持環(huán))部位汽封密封效果嚴重降低，導致高壓缸缸效嚴重下降，中壓缸缸效虛高，經測算，高中壓過橋部位泄漏率在11%左右;③高中壓缸轉子葉片、隔板噴嘴可能積垢嚴重，導致通流阻力增大。

3 改造方案及實施情況

3.1 改造方案

3.1.1 原汽封的工作原理

現代汽輪機最常見的汽封是高低齒型梳齒式汽封，是非接觸動靜密封件的典型。它由許多高低齒尖和兩齒間的環(huán)形汽室組成。汽封的腔室越大，密封效果越好(熱力學效應)；流道表面越粗糙，密封效果越好(摩阻效應)。但一般設備現場汽封安裝的空間狹小，且這種簡單的齒形結構雖然方便機加工，可表面過于光滑，透氣效應較強。在一般直通迷宮中，由于通過縫口后的氣流只能向一側擴散，在膨脹腔室內不能充分進行動能向熱能的轉換，而靠光滑壁一側的汽流速度不減小或略微減小，就直接越過各齒頂流向低壓側，存在負效應。

3.1.2 腔體擴容

為了使氣體更好的擴容耗散，在結構強度允許的情況下增加汽封腔體的容積(見圖1[1]、圖2)。

由于受到渦流腔室出口低壓的影響， 汽流被強制牽引入渦流腔室入口。圖1 常規(guī)梳齒式汽封結構示意圖Fig.1 Structure of common comb-shaped steam seal

渦流腔室汽流出口, 由于低壓區(qū)作用,汽流被強制牽引出。圖2 擴容后的梳齒式汽封汽流矢量圖Fig.2 Steam flow vector of expanded comb-shaped steam seal

擴容擾流式汽封與常規(guī)梳齒汽封蒸汽接觸面積比較：按汽封360 mm長度計算，擴容擾流式汽封高低齒單個渦流槽流體接觸面積為2.2萬mm2，而梳齒汽封高低齒單個槽流體接觸面積為0.75萬mm2。擴容擾流式汽封流體接觸面積接近梳齒汽封的3倍，因此，當蒸汽流經汽封體時，擴容擾流式汽封比梳齒汽封給予蒸汽更大的剪切應力。

3.1.3 增加熱耗散

為了降低汽流流速，增加汽流阻力，在腔體內增加了較多擾流小齒(見圖3)，消耗高速汽流由于慣性沖入腔體內的汽流動能，使汽流在渦流腔體內進行充分熱耗散。在腔體中的小齒形成30°的傾斜角，增加阻汽率。

圖3 腔體內增加了較多擾流小齒的示意圖Fig.3 Diagram of a lot of disturbing teeth added in cavity

3.1.4 降低透氣效應

增加小齒后，渦腔阻力增大，又會使透氣效應增強，因此利用進氣口流速高、壓力低的伯努力效應，迫使腔體內的氣體加速流動，形成渦腔的降壓效果(見圖4)，促使渦腔內已經熱耗散的汽流流出擾流腔體。

圖4 形成渦腔的降壓效果示意圖Fig.4 Effect diagram of pressure drop due to vortex chamber formation

3.1.5 利用汽流對流產生抵消效果

由于流出渦流腔室內的汽流，通過了渦腔的熱耗散，使汽流密度增加，溫度降低。噴流出的汽流與高齒的進汽流形成90°夾角對沖(見圖5),進一步增加了進汽的阻力(見圖6)。

圖5 噴流出的汽流與高齒的進汽流形成90°夾角示意圖Fig.5 Diagram of 90°angle between the steam sprayed out and the steam feeding into high teeth

圖6 動能等值線示意圖Fig.6 Kinetic energy contours

3.1.6 改為傾斜齒，使阻汽最大化

直齒α=0°對應的泄漏系數明顯大于梳齒傾斜角度為α=30°和 45°對應值。這是因為梳齒面的傾斜使得處于擴散狀態(tài)的射流在撞擊到下游的齒面時，會順勢沿著傾斜齒面流進齒腔，相較于直齒，有更多的流體進入齒腔，齒腔內的旋渦擾流得到充分發(fā)展，擾流強度有所增加、流度增大，與射流區(qū)流體相互作用，使得射流與齒腔中的擾流質量、能量交換增大，消耗流體動能，增大了流動阻力。另外，當梳齒傾斜時，齒腔中流體與壁面的接觸面積增大，因此摩擦消耗的能量更多。說明增大梳齒傾斜角度有利于減小泄漏系數，提高汽封嚴密性。

3.2 新汽封工作原理

(1)利用汽封腔體內各位置的不同壓差，引導蒸汽流動。

(2)利用擾流腔室與渦流內的小齒的分割作用，渦流區(qū)耗散強度增加，汽封腔室中的湍流特性變得更加復雜，使蒸汽在渦流腔體內消耗動能。

(3)擾流腔體的出口與進汽高齒成 90°夾角，使噴出氣體與從高齒進入的蒸汽相互作用，達到增加流入蒸汽的阻力、減少進汽量的目的。

綜上所述：擴容擾流式汽封是利用其較為復雜的流體構造來減緩蒸汽的流動速度，又能達到降低汽封的透氣效應的目的。

3.3 實施情況

(1)根據現場測量的尺寸，重新加工擴容熱耗散擾流減壓汽封(10圈)，包括高中壓持環(huán)軸封7圈，壓隔板軸封3圈。

(2)在現場進行鑲嵌式汽封(阻汽片)的更換和調整，不用返廠就能進行改造，保質量，保工期。

(3)在軸系中心調整完畢后，進行洼窩的測量，按測量數據進行微調。

(4)在解體前，先用塞尺測量下缸左右側各級阻汽片的大致間隙值。

(5)用π尺測量各級阻汽片對應的軸徑的精確尺寸，并逐級作好記錄。

(6)用卡尺測量修前各級阻汽片的直徑尺寸，記錄間隙的超標值。

(7)調整修復。將上下內缸調平，使結合面盡量保持水平；按軸系中心調整好后的洼窩數據安裝刮尺機，對機組轉子的漂移同時進行修正。完成第一次修刮，將內下缸回裝，吊入轉子，進行第一次間隙測量；測量后根據現場數據再進行修刮中心的微調，按給定的標準值進行第二次修刮。第二次修刮后，再次吊入測量，按標準要求進行自行檢驗，對不符合要求的個別點進行微調。最后根據下缸的數值進行上缸間隙的調整。

4 效果對比

4.1 改造前后數據對比

(1)高、中壓缸效率對比見表2。

表2 高、中壓缸效率對比Table 2 Comparison between efficiency of high pressure cylinder and that of intermediate pressure cylinder

(2)熱耗率試驗數據見表3。

表3 熱耗率試驗數據對比Table 3 Comparison between test data of heat consumption rate

(3)主參數修正量見表4。

表4 主參數修正量對比Table 4 Comparison between correction values of main parameters

(4)凝汽器性能分析見表5。

表5 凝汽器性能對比Table 5 Comparison between performances of condensers

4.2 經濟性分析

汽封改造前，110 MW工況的試驗熱耗9 228.7 kJ/(kW·h)，修正后為8 683.29 kJ /(kW·h)。節(jié)能汽封改造后，100 MW工況(因生產需要僅能近似達到同等負荷條件)的試驗熱耗9 151.36 kJ/(kW·h)，修正后為8 613.26 kJ/(kW·h)。

改造后，一次開機成功。改造后漏汽率保證值為7.4%，預期值為6.5%。經對照試驗測算，實際降低熱耗 70 kJ/(kW·h)，相當于降低2.28 g發(fā)電標準煤耗/(kW·h)。

4.3 其他效益分析

改造后9#機第3、第4道軸瓦各方向振動幅值均下降20～30 μm。原因可能是通流部分級間漏汽量減少，使得轉子膨脹更接近理論計算值，使運行更平穩(wěn)，從而可以延長機組的使用壽命。

改造不需要對原汽缸汽封槽進行加工，安裝方便，且改造后的汽封對安裝間隙的要求更低，阻汽效率保持更長久，可節(jié)省后期的檢修費用。

5 結語

傳統(tǒng)汽輪機在安裝或檢修時，技術人員為了避免汽封結構上的缺陷，汽封的徑向間隙往往會被調整得大一些，以減少動靜部件間的碰磨。但調大汽封徑向間隙會增加正常運行機組的蒸汽漏汽量。雖減少了做工，但會降低機組的熱效率[2]。通過改造，在保持原有外形配合尺寸不變的情況下，利用現代加工技術增加側齒，并將部分直齒改造為傾斜齒，制造出兼容傳統(tǒng)高低齒的汽封，具有安裝方便、安全、高效的特點。而且因為不是完全依靠動靜部分間隙來達到密封效果，對密封間隙要求不高，密封效果更持久。

改造后的汽封既保持傳統(tǒng)梳齒式汽封的安全與通用性，又具有較其他形式汽封更大的內腔體積、更高的阻汽率的特點。此次汽封改造帶來了明顯的經濟效益，并保證了機組的安全穩(wěn)定運行。該汽封技術在熱電汽輪機組節(jié)能改造中可復制，可推廣。