不同类型汽封对汽轮机安全、经济运行的影响

章声杰，刘岗

(国电铜陵发电有限公司，安徽省 铜陵市，244153)

1 引言

国电铜陵发电有限公司2号机组汽轮机是上海汽轮机有限公司与西屋公司联合制造的超临界压力、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压、纯凝汽式汽轮机，型号为N600-24.2/566/566，最大连续出力为647.324 MW，额定出力为600.323 MW。高压缸共有1+11级，中压缸共有8级，低压缸共有2×2×7级，全机热力级共27级，结构级共48级。机组改造前高压和中压缸过桥、排气端汽封、平衡鼓汽封采用布莱登汽封，高、中、低压隔板及叶顶汽封采用传统梳齿式汽封。2011年年初，在2号汽轮机大修中有选择地使用了侧齿式汽封及蜂窝式汽封，本文对改造后的汽封的实际运行状况进行分析，阐述了不同类型汽封的密封机理及使用后的节能效果。

2 不同类型汽封的结构及密封原理

2.1 梳齿式汽封

梳齿式汽封结构是当前汽轮机使用最广泛的一种传统密封结构(发明50多年来改变甚少)。其密封原理为通过齿的多级节流膨胀作用，减少汽(气)体沿轴向泄漏，通过设计合理的密封间隙，能够达到一定的密封效果。

2.2 蜂窝式汽封

蜂窝式密封由规整的正六面体小蜂窝孔状的密封带构成，置于静子密封环的内表面上，如图1所示。此蜂窝带是由厚度仅为0.05～0.10 mm的海斯特镍基耐温薄板在特殊成型设备上制成的正六面体网格型材，再经过特殊焊接设备焊接而成。根据密封环尺寸制成的蜂窝带在真空钎炉中通过真空钎焊技术焊接在母体密封上，形成了蜂窝式密封。其密封机理［1-3］是:在密封腔室内，汽流的压力能转变成动能，由于形成漩涡，动能又转变为热能而被消耗。无数个蜂巢状的正六边形小孔(芯格)的综合阻滞作用，致使进入密封腔室内的压力汽流能量迅速耗散，并在蜂窝孔端部与轴径表面的缝隙间由轴高速旋转而产生一层汽膜直接阻止汽流的轴向流动。以上2种阻尼相叠加产生了较强的阻尼，使湍流阻尼作用更强，汽流速度降低更大，从而达到良好的密封效果。

图1 蜂窝式密封结构Fig.1 Structure of cellular steam seal

2.3 侧齿式汽封

侧齿式汽封(见图2)是在采用迷宫汽封节流过程以外，再加上涡街阻汽过程。涡街阻汽过程是在汽室内部人为增加沟槽及障碍物，使蒸汽产生小涡流形成涡街。该场中涡街不能自行产生，也不能自行消灭。蒸汽进入汽封齿后面的汽室，产生具有动能的涡街并相互碰撞摩擦，使动能全部消耗转化为热能，蒸汽流速转化为涡街流速，一方面使流出汽室的汽流速度最低，另一方面使外部高压蒸汽进入汽室能力降低。这是侧齿式汽封的主要工作原理，也是侧齿式汽封性能优于梳齿式汽封的原因。

图2 侧齿式汽封结构Fig.2 Structure of lateral teeth steam seal

2.4 布莱登汽封

布莱登可调式汽封弧段结构与传统汽封弧段基本相同，只是进汽面上铣出1道引汽槽，其目的是使汽封弧段背面压力等于进汽侧压力。而在必要汽封弧段的端面上钻孔装入螺旋圆柱弹簧，其上、下汽封环中间各有2只螺旋圆柱弹簧。弹簧的推力使得汽封弧段在没有蒸汽压力时呈开启状;汽封弧段与汽封体之间一般设计有3 mm的退让距离，故汽封齿与轴就有3 mm以上的间隙。工作原理如图3所示。

图3 布莱登汽封结构Fig.3 Structure of Brighton steam seal

3 蜂窝式、侧齿式、布莱登汽封与梳齿式汽封比较

3.1 蜂窝式汽封与梳齿式汽封比较

(1)蜂窝式汽封的结构特点是将传统汽封的低齿车削去，由蜂窝状汽封取代，蜂窝由六边形孔连接片组成，六边形单边尺寸为1.6～5 mm。蜂窝汽封由于具有较宽的密封带，改变了传统汽封低齿齿数受结构限制只能布置很少(一般1～2齿)的缺点。在保留原汽封高齿情况下，相当于增加了汽封齿的数量，加大了汽流阻力，提高了密封效果。

(2)蜂窝汽封仍采用传统汽封退让背板弹簧的设计。蜂窝汽封带的材质为0.05～0.10 mm厚的镍基耐高温合金，质地柔软，具有可磨性。由于仍采用传统汽封退让结构，在启动过程中产生的碰磨不会产生大的影响，所以安装间隙一般取传统汽封径向间隙设计值的下限［4-7］。

(3)蜂窝汽封能够高效密封，具有显著的节能效果。在同样的径向间隙情况下，蜂窝密封的泄漏量比梳齿密封少50%～70%。对于轴端汽封，可以保证安装时较小的密封间隙(见图4)，从根本上解决轴端漏汽严重导致油中进水而引起透平油乳化的问题。对低压缸轴端密封，从结构上解决了因胀差引起的“低齿掉台高齿倒伏”的问题，对确保凝汽器真空度，提高机组效率具有重要意义。

3.2 布莱登可调式汽封与梳齿式汽封比较

(1)布莱登可调式汽封的设计不同于传统汽封，主要区别在于用4只螺旋圆柱弹簧取代了12片平板弹簧片。

图4 蜂窝式汽封安装示意图Fig.4 Installation schemes for cellular steam seal

(2)当汽轮机尚未运行时，传统汽封环处于闭合状态，而布莱登可调式汽封是处于张开状态。汽轮机启动后，蒸汽流量逐渐增加，作用于可调式汽封弧段背面的压力会逐渐大于作用在正面的压力，产生一个压差。当这个压差达到能克服螺旋弹簧的推力时，汽封环就闭合，使汽封齿与轴的间隙变小，达到按设计值调整的数值。停机时，进汽量逐渐减少，当流量减至一定值时，即3%时，螺旋弹簧的推力大于压差、摩擦力、弧段重力等，使汽封环张开。因此，经过精密计算而设计的各级汽封螺旋弹簧可以使各级可调式汽封按照需要，在不同的蒸汽流量下，逐一关闭，使整个过程平稳有序地进行［8-10］。

3.3 侧齿式汽封与梳齿式汽封比较

梳齿式汽封通过缝口后的汽流只能向1侧扩散，在膨胀腔室内不能充分进行动能向热能的转换，而靠光滑壁侧的汽流速度不减小或只略微减小，就直接越过齿顶流向低压侧，导致梳齿式密封效果不理想(见图5)。侧齿式汽封增加了侧齿和底齿使漏汽量大大减少。

图5 梳齿式密封示意图Fig.5 Serrate type steam seal

4 新型汽封在2号机组改造中的使用

根据不同汽封的结构特点及密封性能，在2011年1月30日～3月22日2号汽轮机改造中有选择地使用了侧齿式汽封及蜂窝式汽封，并按上海汽轮机厂的间隙标准趋于下限进行了调整。

4.1 高、中压缸汽封改造

对高、中压缸实施侧齿汽封改造(32圈)，详见表1。

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4.2 低压缸汽封改造

对低压缸通流部分进行汽封改造。低压端部汽封共计16圈，低压末三级叶顶围带、隔板汽封各12圈更换为蜂窝汽封，共更换汽封52道，详见表2。

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5 汽封改造后汽轮机安全及经济性分析

5.1 安全性

本次2号机汽封改造后于3月24日20:37首次将汽轮机冲转到3 000 r/min，在此过程中除经过600、1 000 r/min各停留20～30 min进行摩擦检查及暖机外，在整个冲转过程中最大振动为160 μm。3月25日17:14，2号机负荷为70 MW时，3号轴承轴向振动达到219 μm，且有继续上升趋势，立即打闸。打闸后低压差胀达到21 mm，此时2号低压缸轴封处有明显异声。3月25日18:54，2号汽轮机转速至0，盘车电流19.3 A，惰走时间为100 min。汽轮机惰走后停轴封汽检查时发现低压缸轴封异常声音消失，再重投轴封汽时发现转子的偏心异常增大到200 μm左右。由于首次使用蜂窝式汽封，对其阻汽作用特强的性能了解不够，后通过改变轴封汽阀门的流量分配以及减少轴封汽流量等措施后发现3、4、5、6号轴承的振动明显下降，轴封汽流量减少后，在机组冲转及带负荷整个过程中各轴承最大振动均控制在76 μm以下。

5.2 经济性

2号机大修后经西安热工研究院现场测试，汽封改造后高压缸效率大大增加，但中压缸效率增加不明显。究其原因可能是在安装过程中把关不严所致，这是今后在大修中应注意的问题。汽轮机汽封改造后，汽轮机总体热耗比大修前下降了171.8 kJ/(kW·h)，汽封改造后节能效果明显。具体数据如表3所示。

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5.3 密封效果

由于蜂窝式汽封的阻汽作用特别强，蜂窝式汽封改造后在原有的轴封汽压力35 kPa、温度130℃情况下，3、4、5、6号轴端汽封进汽门在原来全开位置均关到阀门全行程的1/5左右，在真空未受影响的情况下，一定程度解决了因轴端漏汽导致油中严重进水而引起透平油乳化的问题。

6 结语

随着煤炭市场价格的逐步走高，电厂经营的压力越来越大，如何挖潜增效将是电厂面临的新课题。在此背景下，根据不同类型汽封的特点对电厂汽轮机的现有汽封进行合理改造将给电厂节能降耗带来深远的影响。

［1］钟平，施延州，王祝成.大型汽轮机高中压缸中间轴封漏气量测试研究［J］.热力发电，2006(1):22-25.

［2］郭永杰，郭建林.高中压合缸汽轮机汽封漏汽量的现场实测与分析［J］.动力工程，1991(2):33-37.

［3］曾宪平，任建兴.大型汽轮机汽封技术及其经济性分析［J］.上海电力学院学报;2011(2):25-27.

［4］沈发荣，周留坤，王俊，等.新型汽封在国产机组的应用及经济性分析［J］.南方电网技术，2009，4(S1):33-37.

［5］赵玉柱，常浩.不同汽封结构在汽轮机上应用效果的评价方法［J］.华电技术，2010(11):19-23.

［6］魏琳健，李春清，高雷，等.汽轮机密封技术的应用和发展［J］.热能动力工程，2005，19(5):43-49.

［7］何立东.蜂窝密封研究及其在现代叶轮机械中的应用［J］.通用机械，2003(4):39-41.

［8］王旭，张文平，马胜远，等.转子蜂窝密封封严特性的试验研究［J］.热能动力工程.2004，18(5):26-31.

［9］李敬，孟召军，张延峰.对汽封改革趋势的综合分析［J］.东北电力技术，2004，25(12):19-23.

［10］宁哲，赵毅，王生鹏.采用先进汽封技术提高汽轮机效率［J］.热力透平，2009(1):23-27.