高炉煤气透平膨胀机碳环密封的改进

高守龙

（本溪钢铁股份有限公司燃气厂，辽宁本溪 117000）

1 前言

高炉煤气余压回收透平发电装置是利用净化后的煤气压力能，使煤气通过透平膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电,进行能量回收的一种装置，该装置简称 TRT（T o pG a sP r e s s u r eR e c o v e r yT u r b i n e）。透平膨胀机是TRT的主机，它由定子、转子、轴承箱、静叶可调机构、密封、联轴器等组成（见图1）。

图1 透平机示意图

其中透平进气侧密封和透平排气侧密封由拉别令密封和碳环密封组成，以防止煤气泄漏对人员和设备造成危害。

本钢6#、7#发电机组自2006年投产以来，透平膨胀机运行中经常发生碳环密封泄漏煤气现象，给设备安全和人身安全带来威胁，由此引起机组停运检修，带来很大的经济损失。

2 存在的问题

2.1 拉别令密封

拉别令密封是节流膨胀方式的密封结构，存在以下四个问题：一是受密封齿数量限制，节流膨胀次数相对较少，泄漏严重。二是密封齿易磨损导致密封失效，机组过临界转速及发生异常振动时，振幅较大，转子上的齿与套之间会发生接触，由于密封齿较薄，当产生摩擦时，密封齿很快被磨损。三是在转子和机体上镶嵌、更换密封齿较困难，且更换后需做动平衡。四是易引起气流激振，导致机组振动。拉别令密封的“J”形齿间存在环形腔室，机组运行时，腔室内有强旋气流，再加上转子的运行轨迹为椭圆形，那么转子圆周各处受强旋气流的切向力有很大差异，极易引起气流激振，引起机组振动。

2.2 碳环密封

碳环密封对安装要求严格，容易出现碳环碎裂及拉簧卡在碳环槽内的情况，易引起机组振动及密封失效。

因碳环后面拉簧的作用，碳环始终与转子“零”接触，受碳环材质影响，对轴套有一定磨损，新更换碳环时由于轴套磨损造成密封间隙调整困难而泄漏煤气，必须更换磨损的轴套，增加检修难度和检修成本。

在运行中碳环密封泄漏煤气，造成厂房内煤气含量超标，为避免设备和人身安全事故，机组需被迫停机检修，这首先既影响高炉生产,又影响发电量；其次由于设备经常检修，造成检修费用增加；再次为控制煤气泄漏维持生产必须向碳环密封加入大量氮气，这样又造成运行成本升高。

3 密封原理

透平膨胀机轴端密封是采用拉别令密封（迷宫密封）和碳环密封组成的两级密封。拉别令密封是在转轴上镶有多级错列的环形不锈钢密封条，依次形成多个节流环，与机体上密封槽相配合而成，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙，这种密封对煤气泄漏有一定阻止作用，使煤气泄漏量减小，但不能达到泄漏要求（小于50×10-6），这是第一级密封，属于动密封的前置密封。

碳环密封属于浮动密封的一种，因其材质为炭精而得名。碳环密封的结构包括环形密封腔体和环形轴套，密封腔体内有环形槽，槽内至少装有二个截面为矩形的环形石墨密封环，石墨密封环的内径与环形轴套之间有0.01～0.04m m的间隙碳环密封是由腔体和碳环组成,碳环采用三瓣环结构，用拉簧将三瓣环组成圆环一组，每个碳环密封由四组碳环组成，形成四个节流环，安装在腔体环形槽内，与轴套一起组成密封组（见图2）。

图2 碳环密封结构图

转子在高速旋转时呈旋浮状态，对碳环连续撞击，碳环沿径向滑动，这时靠三瓣环拉簧的作用，使碳环内环面与轴套外圆面之间间隙保持最小有效间隙,实现碳环的有效密封。腔体与外供氮气管道相连，氮气压力高于煤气压力，氮气压力一般调整比煤气压力高20k Pa～30k Pa，氮气在碳环内环面与轴套外圆面之间形成密封气膜，气膜在碳环旋流槽形成环流,使密封效果达到最佳,这是透平膨胀机第二级密封。

4 泄漏煤气原因分析

从密封原理看出，透平膨胀机的第一级密封，是间隙密封，由于透平机运转时，转子径向跳动，而轴瓦与轴颈的间隙一般为0.20m m～0.25m m，所以第一级密封的间隙必须大于0.25m m，才能保证密封与转子不刮。因为有间隙存在，泄漏煤气不可避免。第二级密封，是有氮气做介质的浮动式密封。密封效果主要取决于以下几个方面：（1）透平膨胀机在运行中密封碳环由于存在磨损，使密封间隙逐渐增大。（2）碳环加工达不到技术要求，尺寸加工大了或加工小了，表面光洁度不好，都直接影响密封效果。（3）腔体内环形槽处理不干净，影响碳环游动性，气膜形成不好，使密封间隙增大。（4）碳环材质选择过硬造成轴套划伤，碳环严重损坏，同时机组振动超标，甚至发生透平膨胀机停机。综上所述，即使有氮气作为充填介质进行密封，但由于上述原因造成碳环失效煤气仍要泄漏，所以密封间隙超标是煤气泄漏的主要原因。随着运行时间增加，导致煤气泄漏逐渐增大,这时需要消耗大量氮气来缓解煤气泄漏，使运行成本随之加大。

5 改进措施

5.1 间隙调整

三瓣环内环面(密封面)与轴套之间径向间隙即密封间隙一般为0.15m m～0.35m m，三瓣环侧面(密封面)与环形槽的轴向间隙属密封间隙同样一般为0.05m m～0.10m m碳环密封的密封面是碳环内环面和侧面，密封间隙的大小直接影响煤气泄漏量，在适当减小密封间隙的同时要考虑碳环在腔体内的游动性，经过多次试验，得出经验数据，见表1，因此对碳环加工技术要求做了调整，碳环内径与轴套之间的间隙，碳环与腔体环形槽的轴向间隙均从原始设计值减小为0.03～0.05m m，调整后达到了预期效果。

5.2 碳环材质与加工精度的改进

经过检修跟踪，发现原M 106 K石墨材质的碳环密封，其硬度较高，脆性较大，易伤轴，寿命短，于是与供应商探讨重新选择了M 245 K石墨材质，该材质石墨优质，既有良好的自润滑性，又有很好的韧性和耐磨性，将其作为加工碳环的原材料，延长了碳环的使用寿命，减少了对主轴的伤害。另外，通过运行实践找到碳环易损需经常更换的另一主要原因,就是碳环加工精度必须保证，而且最后必须对碳环侧面整体进行研磨，它是保证碳环形位公差的一个重要环节。

5.3 检修工艺的改进

对腔体环槽检修原来用砂纸改用煤油浸泡，酒精棉球清理的方法，保证了腔体加工精度不受影响。另外，腔体与机壳连接，采用了定位销定位，解决了安装精度问题。

6效果

经改进后，透平膨胀机运行稳定，从振动监测数据看出机组各部位振动指标均达到设计要求，检验煤气泄漏量为零，运行成本大幅度下降。

（1）在一个检修周期内，煤气泄漏达到零泄漏。

（2）氮气消耗量由260m3/h降到60m3/h，年降低成本43万元。

（3）延长设备检修周期，由原来3个月延长到6个月，降低了检修成本。

7 结束语

通过对碳环密封存在问题的改进，消除了设备泄漏煤气的隐患，同时降低了运行成本，提高了发电量，又保证了高炉的稳定运行，具有明显的经济效益和社会效益。