刷式汽封在330MW机组上的应用

张建双

(华能嘉祥发电有限公司，山东 济宁 272400)

刷式汽封在330MW机组上的应用

张建双

(华能嘉祥发电有限公司，山东 济宁 272400)

分析了某发电厂1号汽轮机组自投产以来热经济性不高的原因，提出了采用刷式汽封及蜂窝汽封代替原来梳齿汽封的改造方案，并对刷式汽封及蜂窝汽封的技术特点进行了分析。经过技术改造提高了机组的热经济性，取得了良好的效果，为同类型机组的汽封改造提供了重要的参考依据。

汽轮机；刷式汽封；蜂窝汽封；梳齿汽封

0 设备概况

某发电厂1号机组采用N330-16.7-538/538型、亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、高中压缸合缸、抽汽凝汽式汽轮机。自2006年投产后，热经济性不高，存在高中压缸效率低的问题。

1 高中压缸效率低的原因分析

1.1 修前试验结果分析

2013年，该发电厂在1号机组C+修前，对1号机组进行热力性能测试，涉及5种工况，机组设计热耗率为7 892.3 kJ/kWh，主要试验数据如表1所示。

由表1可知：在VWO工况下，额定参数下的机组热耗率为8245.8 kJ/kWh，高出设计值353.5 kJ/kWh。计算5VWO工况下的2次试验平均值，高压缸效率为82.24 %，比设计值84.61 % 低2.37 %；中压缸效率平均值为88.83 %，比设计值92.03 %低3.20 %。在300 MW工况下，额定参数下的热耗率8 268.7 kJ/kWh，额定参数下的机组电功率为308.25 MW，高压缸效率为81.57 %，中压缸效率为88.86 %。

表1 汽轮机组修前主要试验数据

1.2 检修前高中压缸漏汽量与中压缸效率分析

检修前，汽轮机高中压缸漏气量的试验数据如表2所示。

表2 检修前汽轮机高中压缸漏汽量试验数据

该发电公司1号机组引进330 MW机组，由于高中压缸结构是合缸，汽封漏汽进入中压缸，降低了中压缸进汽温度及排汽温度，使中压缸级的蒸汽温度和比焓值降低。由于中压缸内混合的蒸汽参数无法测定，因而将中主门前的进汽参数作为初始参数进行计算，所得中压缸效率为中压缸名义效率，比中压缸实际效率偏高。

对表2中的试验数据进行分析：机组高中压缸间漏气率为1.52 %，计算5VWO工况下的漏汽量为12.39 t/h；中压缸实际效率为88.52 %，比设计值92.03 %低3.51 %，通过计算使热耗值升高85.2 kJ/kWh，比5VWO工况下中压缸平均名义效率89.05 %低0.43 %。

1.3 检修前汽轮机各汽缸效率分析

检修前，汽轮机缸效率的实验数据如表3所示。

表3 检修前汽轮机缸效率试验数据

对表3试验数据分析如下：5VWO工况下的平均高压缸效率为82.24 %，比设计值84.61 %低2.37 %，通过计算使热耗率升高39.0 kJ/kWh；中压缸名义效率88.83 %，VWO工况下的高压缸效率为83.55 %，比设计VWO工况下的86.57 %低3.02 %。

1.4 汽缸效率低原因分析

通过数据分析可知，造成汽轮机缸效率低的主要因素有：汽封漏气严重、端部轴封密封效果差、通流部件节流损失增加等。这些因素将导致热能损失过大，严重影响机组热经济性。

该机组的3缸汽封采用老式梳齿汽封。由于是反动式机组，隔板相对来说较薄，所以高压缸的叶顶和隔板采用阻汽片，其密封原理同梳齿汽封。现代科学研究成果表明，若想梳齿密封达到良好的密封效果，必须做到以下3点：

(1) 把齿做得很尖；

(2) 有足够长的密封距离；

(3) 安装间隙越小越好。

前2点因现有汽封材料、加工工艺和汽轮机结构的限制，很难再有突破；而减小间隙会引起机组汽流振动，特别是机组过临界转速时，常导致汽封片磨损，严重时会导致转子弯曲变形，给机组运行带来很大的安全隐患。为了机组的安全，许多机组在检修时常将间隙人为扩大，导致经常发生梳齿汽封泄漏严重，造成经济效益差。

为提高1号汽轮机组的缸效率，降低汽轮机的热耗率，减少高、中、低压缸的汽封漏汽量，提高低压缸的真空度，达到降低成本和节能环保的要求，现对1号汽轮机汽封进行改造。

传统的梳齿密封结构易导致机组汽封漏汽增大和经济性能下降，必须改善汽封密封结构，以提高机组的经济性。

2 新型汽封特点介绍

2.1 刷式汽封的特点

刷式汽封是一种柔性密封，能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，因此能做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙。同时，由于增加了转子的振动阻力，有利于改善转子的稳定性。刷式汽封的结构如图1所示。

图1 刷式汽封结构示意

刷式汽封的刷环是由紧密排列的特种细金属丝组成的，每根刷丝就是一个以一端为支点的梁，具有极好的弹性；在刷丝和转子相碰磨时，可以弹性退让，不易被磨掉，从而保证了机组在小间隙甚至零间隙下的安全运行。即便在机组过临界转速和变工况时，刷丝也会跟随轴退让而不会被磨损。待机组稳定之后，刷环又恢复良好的密封性能。而传统刚性汽封齿只要和转子碰擦就会很快被磨损，形成永久性的泄漏通道，从而增大了蒸汽的泄漏量。大量实验证明：刷式汽封的漏汽量只有梳齿式汽封的10 %-20 %。

刷丝是直径为0.05-0.07 mm的高温钴基合金丝，硬度为85 HB，其抗拉强度为850 MPa。刷毛束厚度为2 mm，刷毛密集度90-180根/mm(在圆周方向)，刷毛角为45°-60°。安装间隙为0.05 mm(单边间隙)。采用电子束焊接与刷环制成一体，焊接部位强度比金属丝本身强度还要高，不会发生掉丝现象，可承受的速度超过305 m/s，耐温可达1 200 ℃。汽封退让间隙在2.5 mm以上，膨胀间隙在0.2-0.5 mm。

2.2 蜂窝汽封的特点

当蒸汽通过汽封时，蒸汽将沿着转子与汽封环梳齿、蜂窝之间的间隙向外流动。由于蒸汽本身带有一定的压力，当它通过上述间隙时，就会强力挤入蜂窝巢穴内，使每个蜂窝巢穴都成为气室，蒸汽会在这些气室的阻挡下改变方向并降低压力。

3 改造方案

针对汽轮机高、中、低压缸的不同位置，分别采用刷式汽封及蜂窝汽封的组合改造型式，对高、中、低压汽封进行改造，具体方案如下。

3.1 高压缸汽封改造

(1) 高压端部汽封部分：外侧两道改成刷式汽封、内侧两道改成蜂窝汽封，共改造4圈。(2) 高压进汽平衡活塞部分：5圈刷式汽封。(3) 高压排汽平衡活塞部分：3圈刷式汽封。

3.2 中压缸汽封改造

本部分全部改造为刷式汽封，包括中压轴端4圈、隔板9圈(因隔板第1级没有直接接触转子，所以不改造)、叶顶9圈和中压进汽平衡盘汽封2圈，改造数量共24圈刷式汽封。中压缸隔板和叶顶汽封如图2所示。

3.3 低压缸汽封改造

低压转子直径大，蒸汽的温度和压力比较低，蒸汽焓降小。低压缸部分具有如下特点：做功份额大；每级做功能力大；压差小，温度低；设计径向间隙大，且因低压缸采用钢结构焊接，变形大，间隙不易调整；低压转子动叶长，在离心力的作用下，动叶会变长，无法正确估计正常运行时的间隙；动、静叶顶部均为平齿。

综上所述，低压缸汽封间隙大，不易调整，是导致低压缸热效率低的原因。因而减小低压缸汽封间隙，可以降低低压缸的排汽温度，提高低压缸的热效率。利用刷式汽封的特性，可以将汽封间隙调小至原设计值的1/3左右。

3.3.1 低压缸叶顶和隔板汽封

隔板共7级，除第1级隔板因固定不方便改成刷封外，其余6级隔板汽封均改为刷封，电端和调端共12圈。第1到第5级叶顶汽封改造为刷封，电端和调端共10圈；第6级叶顶汽封改为蜂窝汽封，电端和调端共2圈。全部加起来是24圈汽封，如图3所示。

改造型式：用1道刷毛代替原来汽封上的1个齿。改造成刷式汽封后，因刷丝优异的弹性，在机组启动时能躲避机组的振动，即使和转子相碰，其接触产生的力量也会很小，不会对机组的运行构成安全隐患。机组稳定运行后，因刷丝优异的回弹性能，可快速跟上转子，恢复到原来的间隙，避免蒸汽大量泄漏。

3.3.2 低压缸端部轴封

低压缸端部轴封左右对称,共8圈刷式汽封，能有效阻止外面的空气进入，提高了凝汽器真空度。

4 改造效果

本次机组改造主要对高、中、低压缸的汽封，汽封间隙调整靠下限。改造后进行了热力性能试验测试，试验结果表明：330 MW额定工况下汽轮机热耗较改造前下降了240 kJ/kWh，折合煤耗约下降9.1 g/kWh；汽轮机的高压缸效率由修前的82.24 %提高到83 %，提高了近1 %；中压缸效率由改造前的88.83 %提高到91.48 %，提高了2.6 %，汽封改造取得了良好的效果。

图2 中压缸隔板和叶顶汽封

图3 低压缸隔板和叶顶汽封

5 结束语

该发电公司针对1号汽轮机高、中、低压缸效率低、汽封漏气量大的问题进行了技术改造，使汽轮机缸效率得到明显提升，机组的汽封泄漏量减少，轴封供汽压力降低，凝汽器真空提高,排汽温度降低，增加了机组的出力。

从改造的经济效果看，汽轮机热耗较改造前下降240 kJ/kWh，节煤9.1 g/kWh。机组年发电量按照16亿度计算，每年可节约标准煤14 560 t;按照标煤价格500元/t计算，每年可节发电成本约728万元。实践证明：汽轮发电机组的汽封改造具有可观的经济效益，符合国家节能减排的政策，此次汽封改造为同类型机组的汽封改造提供了重要的参考依据。

1 王广阔．汽轮机汽封径向间隙的调整[J].电力安全技术，2013，15(7)：54-56．

2 张立宏．200 MW机组汽封改造后的启动磨合探讨[J].电力安全技术，2011，13(11)：40-42．

2016-07-06；

2016-09-08。

张建双(1976-)，男，工程师，主要从事火电厂汽轮机检修技术管理工作，email:zjshuang@sohu.com。