(神华亿利能源有限责任公司电厂 内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗 014300)
摘要：为提高国产首台200MW高中压合缸直接空冷机组缸效率，降低机组整体热耗率，提高机组运行经济性，通过对汽封进行改造提出了三种解决方法，并详细阐述了解决原理，剖析了方案的优点和不足，同时也提出了需要解决的问题。为国产首台200MW高中压合缸直接空冷机组提高缸效率、降低机组整体热耗率，提出了新的思路和方向。
关键词：高中压合缸；缸效率；热耗率；汽封
0 引言
汽轮机是火力发电设备三大主机之一，其通流部分效率对供电煤耗等运行指标影响很大[1-2]。随着国产首台200MW高中压合缸直接空冷机组的投产，机组缸效率低、热耗率高问题逐渐体现。目前，针对此问题，对机组高中低压缸汽封进行改造，可有效提高缸效率，降低机组热耗率，提升机组运行经济性。但同时也存在一些有待于解决的问题，即：机组汽封改造后，由于径向间隙缩小，导致机组启动后，发生个别振动偏大现象。需要把改造后的汽封间隙调整到合适的尺寸，确保机组启动后振动不超标，以满足机组安全运行和使用寿命的要求。
目前对于汽轮机汽封的改造已经有一定的经验可供参考，例如文献[3]通过将传统高低齿结构汽封改造为蜂窝汽封，减小了汽轮机漏汽量，实现了密封效果的提升；文献[4]通过将轴封、隔板汽封更换为TK节点侧齿汽封，叶顶汽封更换为蜂窝汽封，使轴封漏汽量减小，缸效率得到提高，热耗下降，节能效果显著；文献[5]对某600MW机组的汽封改造后经济性评价方法进行了较为详细的说明[3-5]。通过大量的可行性研究及深入的讨论和学习，针对类似机组的改造，目前已经形成三种解决方法，包括叶顶汽封改进、通流部分隔板汽封间隙调整和高中低压缸轴端汽封改造。本文首先对目前常见汽轮机汽封系统的结构形式进行了对比，然后对改造项目中原机组缸效率低、热耗率偏大原因进行了理论分析，并对其节能改造潜力进行分析，对三种解决方法进行了详细说明，最后对比分析了改造前后效果，并提出了需要进一步探索的问题。
1 汽轮机汽封系统及结构形式对比
汽封系统对于汽轮机来说是极其重要的一部分，汽封密封性能的好坏直接影响机组的效率及热耗。
现代汽轮机汽封均采用迷宫密封原理，该原理从热力学效应看，腔室越大，密封效果越好。从摩阻效应看，流道表面越粗糙，密封效果很好。从流束收缩效应看，同样宽度缝隙，缝口的形状越尖，流过的流体越少。在一般直通迷宫中，由于通过缝口后的气流在膨胀室内不能进行动能向热能转换，直接越过各齿顶流向低压侧，密封效果一般，这就是通常所说的梳齿汽封。在传统汽封中梳齿汽封由于具有汽封成本低、结构简单、安全可靠且易于安装而被广泛应用。但该汽封的一个显著缺点是汽轮机在启停机过程中过临界转速时，转子振幅较大，若汽封径向安装间隙较小，汽封齿很容易磨损。
目前应用较多的新型迷宫汽封均是在原迷宫汽封基础上演变而成的，包括常用的侧齿汽封、蜂窝汽封、布莱凳汽封、接触式汽封、刷式汽封等[6-8]。
对上述几种汽封进行对比：侧齿汽封、蜂窝汽峰是通过改变腔室结构，提高热力学效应来进行密封，其优点是安全高效，节能效果显著。例如TK侧齿迷宫汽封是在现有汽封齿上加工出2～3个侧齿和底齿，相当于在很有限的空间内部分增加了迷宫腔的摩阻效应，具有安全高效节能的特性。而蜂窝式汽封，是将传统汽封低齿车削，由蜂窝状汽封取代，由于其具较宽的密封带，改变了传统直形汽封低齿齿数由于受结构限制，只能布置很少（一般1～2齿）的缺点，仍保留汽封高齿。相当于增加了汽封齿数量，加大了汽流阻力，提高了密封效果。布莱登汽封、接触式汽封、刷式汽封是依靠减少安装/运行间隙进行密封，是以牺牲安全为代价换取短期效果，效能相对较差。
2 国产首台200MW高中压合缸直接空冷机组汽封结构形式
国产首台200MW高中压合缸机组汽封结构形式为疏齿形汽封，汽封是与汽缸分离的独立部套。依靠水平中分面外支撑搭在汽缸下半水平中分面上，并在底部靠定位键定位，兼保证内汽封相对与汽缸横向位置固定。但在轴向位置内汽封可以随着温度的变化自由地膨胀和收缩。每个汽封圈由六段带有“Ｔ”形根部的弧段组成，装入汽封体相应的槽中，在上半弧段的水平中分面附近有两个穿过槽子的止动销，以防止汽封圈转动，这些销子也用来防止吊起汽封上半时汽封圈落下。
高中压间汽封共13个汽封圈，每个汽封圈背部有六个弹簧片，装配时弹簧片保持着汽封的位置，保证汽封片与转子径向隙，一旦与转子相碰，汽封可回弹保证机组安全运行。由于本身结构设计的局限性及安装问题，机组投运以后，汽封漏汽量较大。如图1为汽封结构形式。
图1 汽封结构
3 现阶段存在的问题与节能改造潜力分析
神华亿利能源有限责任公司电厂#1机组于2008年4月份投产，机组投入运行以后，由于设计、安装等问题，各项指标一直偏离设计值较大，导致机组经济性降低。
由于机组安装时高中低压缸叶顶、隔板及轴端汽封径向间隙偏大，且轴端汽封为传统的疏齿式汽封，导致机组运行当中，各级漏汽量大，增加了泄漏损失，且未做功的蒸汽泄漏到下一级后，与做完功的蒸汽产生汽扰，降低了下一级蒸汽的做功能力。该机组设计额定工况下热耗率为8541 kJ/(kW.h),而四台机组实际热耗率都已超过设计值。
为了解机组运行经济性现状及节能改造的潜力，改造前对机组进行了热力性能试验，计算了200MW典型工况下汽轮机的缸效率、热耗率，见表1。
表1 机组改造前试验结果
由表1可以看出，机组在200MW负荷时，四台机组高压缸缸效率比设计值分别低4.76%、4.38%、3.39%、1.5%，中压缸缸效率比设计值分别低1.05%、2.2%、1.13%、1.39%，机组热耗率比设计值分别高239.5、225.9、198.8、123.7 kJ/kW•h，折合成标煤耗为8、7.5、6.6、4.1g/kW•h左右。高中压缸缸效率低是机组热耗率高的主要原因，机组节能潜力很大。
4 改造方案与目标
参考国内同类型机组改造经验，并结合厂家意见，同时，针对机组的实际情况及存在的问题，以及节能减排的需求，决定在机组A级检修时对汽封进行改造。
4.1 机组缸效率低、热耗率偏大原因理论分析
国产首台200MW高中压合缸汽轮机高中压缸动叶叶顶和叶根共有4道镶嵌式单齿径向汽封，低压缸动叶叶顶和叶根共有3到镶嵌式单齿径向汽封。高中压缸设计径向间隙值为1.0-1.5mm。低压缸正1、2级、反1、2级设计径向间隙值为1.5-2.0mm,正3、4级、反3、4级设计径向间隙值为2.0-2.5mm，正5、反5设计径向间隙值2.5-3.0mm。但在机组A级检修解体测量时，所有叶顶及隔板汽封径向间隙全部超标，高中压缸叶顶汽封径向间隙普遍在2.5-3mm之间，低压缸叶顶汽封径向间隙普遍在3.5-4.5之间，所有隔板汽封径向间隙普遍在0.95mm左右，部分已达到1mm以上，所以级间的漏汽损失很大。根据级间、高压缸结构尺寸和运行参数的变化，经计算，对机组叶顶及隔板汽封径向间隙调整至设计值，汽封漏汽面积相对减少60％左右。
汽封漏汽面积与被密封处旋转体动、静部件直径的平方差成正比，间隙稍增大一点，漏汽面积增大较多，使漏汽量增大。这部分蒸汽既不能作功，而且由于不是以正确的方向和速度进入下一级，故不但不能对下一级作功，又扰乱下一级人口蒸汽流场，造成该级效率降低。所以，对于汽轮机通流部分不论在设计时，还是在检修中，都应十分重视调整通流部分的汽封间隙，使其有一个正确的径向和轴向间隙。在机组安装时对通流径向间隙调整工艺要求十分严格。由于不能正确掌握通流汽封径向闻隙调整工艺及方法，且主观上担心径向间隙过小导致机组启动发生动静碰磨、产生振动而影响机组运行安全，因此在机组安装中，通流径向间隙普遍调整得偏大。通过试验结果表明1号机经采用与以往不同的通流径向间隙调整工艺和控制标准，高压缸效率提高了2-5个百分点。可见通流部分汽封间隙和通流径向间隙调整是否合理，是影响高压缸效率的主要原因之一。
4.2 改进措施探讨
4.2.1 叶顶汽封改进
对叶顶汽封的改进可以大幅度降低调节级漏汽损失，提高级效率。采取的措施是将高中低压缸27级叶顶旧阻汽片拆除，然后镶嵌新阻汽片，将镶嵌好阻汽片的隔板上下半组合好用立车加工，加工后余量为0.20mm，然后将隔板吊入汽缸，放入转子精调间隙至设计值下限且小于0.10mm，最后按图纸要求修尖。加工好后的叶顶汽封齿尖厚度和强度满足使用要求，间隙调整到出厂证明书技术要求。由于叶顶汽封采用固定镶片式结构，无任何退让余量，易于损坏或磨损，且不易检修，故调整间隙时要严格按制造厂要求。 如图2为叶顶汽封改造部位。
图2 叶顶汽封改造部位（图中圈中部分需更换阻汽片）
4.2.2 通流部分隔板汽封间隙调整
检修中严格按照制造厂给出的汽封间隙整定值调整汽封间隙，同时应考虑到静态下转子与汽缸变形的影响。由于机组采用高中压缸台缸结构，汽缸重量和跨度较大，汽缸薄，法兰窄，外下缸承受抽汽管的重量和拉力，当汽缸法兰螺栓拆除后，下半缸呈立椭圆变形。而转子采用鼓形，直径大，在半实缸情况下，两者的变形量不同。制造厂给出了汽轮机在全实缸、紧固全部法兰螺栓条件下，通流上、下、左、右4个方向的径向间隙值为0.45-0.95nm。但在大修调整高中压缸径向间隙时，又不可能在全实缸并紧固全部螺栓的要求下进行。所以，根据制造厂所要求的径向间隙调整值进行汽封调整，一般规律是：当左、右间隙调整在设计值之内时，上、下间隙值就远大于设计值。在l-4号机大修过程中，根据在半实缸情况下出现的上述情况，制定汽封间隙调整工艺和控制量，可对汽封径向间隙进行合理调整。其控制量说明如下：通流径向左、右间隙调整控制在0.45-0.50mm，按设计值下限调整。下部间隙控制在0.95±0.05mm，上部间隙控制在0.85±0.05mm,按设计上限调整。 如图3为通流部分隔板汽封改造为带侧齿的汽封结构。
图3带侧齿的汽封结构图
4.2.3高中低压缸轴端汽封改造
高中低压缸轴端汽封原型式与隔板汽封一样，为梳齿式式汽封，此汽封属于老式汽封，密封效果差，同时，由于安装时安装公司为确保机组安全启动成功，故该汽封径向间隙调整过大，导致机组在运行当中，高压轴封部分向外漏汽，低压部分掉真空，严重影响机组安全、经济运行。
为解决此问题，经调研、论证，铁素体蜂窝接触式汽封完全能解决此问题。将高中低压缸前后轴封最外两圈梳齿式汽封更换为铁素体、蜂窝、接触式汽封，并将其径向间隙调整为0.15mm。对高中压缸及低压缸两端轴封改造，原轴封形式及改造部位如图4，蜂窝接触式汽封如图5 。
图4 轴端汽封改造部位
图5 蜂窝接触式汽封图
5 改造后的效果评价
目前汽封改造后效果评价主要有以下三种方法：理论分析计算、间接判断状态和性能试验测试，三种评价方法的技术特点如表2。
表2 汽轮机汽封改造效果各评价方法技术特点对比
可见性能试验测试是汽封改造后整体、定量、工程认可的最佳方法。该厂四台机组大修都进行了汽封改造，机组改造完工投入运行后，由内蒙古电科院对四台机组分别做热力性能考核试验，试验依照《电站汽轮机热力性能验收试验规程（GB8117.1-2008）》、《电站汽轮机热力性能验收试验规程（GB8117.2-2008）》的有关规定执行。试验结果见表3，并与修前各项指标对比。
表3机组改造前后各项指标值对比
比较四台机组汽封改造前后的机组经济性，在200MW工况下，高压缸缸效率分别提高4.04%、2.19%、2.99%、2.71%；中压缸缸效率分别提高0.75%、1.37%、1.02%、0.55%；热耗率分别降低266.8、154.4、85.2、215.3kJ/kW•h，相当于降低了供电煤耗9.11、5.27、4.6、7.35g/kW•h。由此证明四台机组汽封改造后，经济性得到了较大的提高。
6 结论及建议
200MW高中压合缸机组高中压缸效率偏低，是机组经济性较低的主要问题之一。由改造效果可知，通过减小级间间隙，可使汽封漏汽量大大降低，降低机组热耗。另外在机组改造后，轴封漏汽量减小，解决油中进行水的问题，使设备运行的安全性、可靠性也得到了提高。此次改造成功说明，可以通过设计、安装、检修、运行等方面的改进，提高高中压缸效率，有效降低机组热耗率、降低煤耗，从而提高机组运行的安全性和经济性。
改造总体上是成功的，但改造后机组在投入运行过程中，部分瓦振较停运前会发生变化。这也给我们提出了新课题，就是改造后各级叶顶间隙调整至设计值下限的数值还需进一步论证；铁素体、蜂窝、接触式汽封对国产首台200MW高中压合缸机组轴系振动是否有影响，也值得我们进一步探索。
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作者简介:
薄利明（1983-），男，汉，工程师，生产技术部副经理，主要从事火力发电厂生产技术管理工作。
论文作者:薄利明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/19
标签：机组论文; 间隙论文; 汽轮机论文; 通流论文; 效率论文; 中压论文; 隔板论文; 《电力设备》2018年第28期论文;