北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂330MW汽轮机组是由北京北重汽轮电机有限责任公司与法国阿尔斯通公司合作生产的亚临界参数机组,型号为T2A-330-30-2F-1080。经过多年运行,机组运行效率明显下降。汽轮机通流间隙的大小对汽缸效率有明显影响,合理的密封型式会带来优良的密封效果^[1],为了降低机组通流部分漏汽损失,提高机组经济性,达拉特发电厂在330MW机组上进行了刷式汽封的应用改造工作。 1 汽轮机通流间隙对机组的影响

汽轮机为大型旋转设备,影响通流间隙的因素较多,如转子的加工误差,转子运行中的振动和变形,转子弯曲度和轴承油膜的变化,汽缸各滑销间隙的热位移,汽封间隙的调整误差,以及大部件冷热态变形等,这些因素综合作用可导致运行中的转子中心与汽缸中心不在同一条线上^{[1, 2]}。根据经验,机组运行时汽封间隙值基本都在制造厂设计值的上限,即使安装时将间隙值调整至下限,但运行后间隙也会增大到上限值附近,特殊情况下,可能更大。

目前,通过检修手段来提高汽轮机汽缸效率的主要办法是减小汽轮机通流部分的动静间隙,通过减小汽封间隙来减少漏汽量损失。缝隙流量的计算方法为^[3]:

式中Q_j-缝隙流量,kg/s;

q_j-流量系数,q_j=b_jh_j³/(12L_j),其中b_j为缝隙长度,mm,h_j为缝隙高度,mm,L_j为缝隙宽度,mm;

p_s-汽封前压力,Pa;

p-汽封后压力,Pa;

η-流体动力黏度,Pa·s。

从上述公式可知,减小汽封缝隙高度h_j、增加缝隙宽度L_j均可减少汽轮机汽封漏汽量,其中减小汽封缝隙高度h_j的效果更加显著。但由于受设备结构和机组运行状态的限制,一般情况下h_j、L_j不可能被调整为最佳值。 2 汽轮机汽封型式及特点

汽轮机通流间隙包括叶顶间隙和隔板间隙,间隙的密封方式一般分为非接触式刚性密封和柔性密封。 2.1 刚性密封 2.1.1 汽封结构

刚性密封的型式有梳齿汽封、蜂窝汽封、J形齿密封、布来登汽封等。梳齿汽封为刚性密封中最常见的型式,结构如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 梳齿汽封结构

在运行中刚性汽封汽封齿一旦与转子发生碰磨,要求汽封齿必须很快磨损,而且不能产生过多的热量,否则会因2个缸体严重碰磨而使转子产生热弯曲,发生异常振动、转子永久变形等安全问题。

为保证机组安全运行,刚性汽封不能发生严重碰磨,虽然设计、安装时汽封齿的厚度不允许>0.5mm,汽封间隙不允许小于下限值,但实际运行中经过磨损,汽封间隙都已接近上限值。每次机组启动都会对汽封齿造成永久性磨损,而且密封间隙也成倍增加。也就是说,对于刚性密封,精心调整好的汽封间隙很有可能在机组的第1次启动时就被磨大,对老机组而言,这种情况更明显。因此若采用刚性汽封仅仅通过更换部件并不能提高机组效率。

对于梳齿汽封,减小密封间隙很容易引起机组摩擦振动,常常导致汽封齿磨损,而且过小的间隙也会导致转子的严重弯曲变形,给机组带来很大的安全隐患;同时其密封性能随着启动和工况变化次数增加而下降,汽轮机的效率也随之下降。 2.2 柔性密封 2.2.1 汽封结构

柔性密封的主要型式是刷式汽封,结构如图 2所示。刷式汽封由前面板、后面板和夹装在两者之间的高密度高温合金细金属刷丝构成。刷丝沿转子旋转方向有一定的倾角,以便更好地吸收转子在径向移动的偏移量^[3]。柔性刷式汽封更能适应转子的瞬间径向变形和偏心运动,甚至在零间隙(接触)的情况下也不会产生过多热量,因此能够在保证安全的前提下尽量减小密封间隙。

图 2(Figure 2)

图 2 刷式汽封结构

柔性刷式汽封允许刷毛与转子接触,刷毛有较好的弹性退让,短时的摩擦不会损伤刷毛,也不会使转子产生严重的热弯曲变形,刷式汽封间隙的最大值可调整到0.2mm。因刷毛有弹性,安装测量不需很精确,所以大部分刷毛与转轴已有接触。当设备运转到热态,转子移动稳定后,虽然中心线发生了位移,刷毛会随着转轴偏移,但汽封间隙不会增大很多。刷毛厚度可以设置为1.0~1.5mm,摩擦时不会产生太多热量,运行时有较好的密封性^[3]。 2.2.2 设计、制造特点

为使刷式汽封具有更好的弹性退让、耐磨性、密封性,设计、制造具有以下特点。

(1) 刷丝采用直径为0.05~0.07mm的钴基高温金属,刷丝角45°~60°。刷毛具有低脆性、高韧性,保证运行过程中不折断,有较好的弹性退让能力。

(2) 下游环保护高度为1.0~1.5mm,每根刷丝均是一端为支点的悬臂梁,有着极好的弹性,与转子相碰磨时,刷子可以弹性退让,不易被磨掉,保证了机组在小间隙、甚至零间隙下的安全运行。下游环保护高度不宜过低,否则,当刷毛退让到下游环与转子之间时,易形成刚性接触,会导致转子剧烈振动。上游环高度不宜过高,以免过度夹紧刷毛,影响刷毛退让。

(3) 刷丝厚度1.0~1.5mm,刷丝密集度90~180根/mm (在圆周方向),刷封间隙可做到零间隙,刷毛间隙和厚度可保证高性能的密封功能。 刷丝厚度不宜过大,以防影响转子密封凸台的轴向位移。刷丝厚度过大、过度的接触也会产生过多的热量,不利于转子安全运行。另外,普通单级刷式汽封的前、后工作压力不能过高(一般 < 0.5 MPa),压力过高会影响密封效果。 2.2.3 刷式汽封的优点

刷式汽封的接触部位可根据摩擦的受力状况做出相应的弹性退让,不易被磨损,既能够保持汽封的小间隙,又避免摩擦振动的发生。待机组运行稳定之后,刷式汽封即可在弹性的作用下恢复其良好的密封性能。刷式汽封使用寿命长,能够实现长期节能的目的。 2.2.3.1 安装精度要求低

刷式汽封比刚性汽封的安装精度要求低。尤其对于运行时间比较长的机组,由于表面腐蚀、氧化严重,不易控制安装精度,采用刚性汽封只能放大间隙以保证安全,而采用刷式汽封可以将间隙设置到得很小,甚至是过盈接触,工作难度低,适合现场施工。在小间隙汽封改造中,刷式汽封更容易安全启动。 2.2.3.2 效率高

采用刷式汽封,汽封和转子相碰磨时,刷毛可以弹性退让,不易被磨掉,保证了机组在小间隙(甚至零间隙)下运行,刷式汽封比常规汽封具有较好的可持续密封性。因此,刷式汽封可以更好地提高汽轮机效率。 2.2.3.3 泄漏量小

刷式汽封泄漏量小,其结构使介质泄漏发生在密集排列的细金属丝之间形成的微小缝隙中,这些缝隙所形成的曲折路径保证了流体不均匀流动,使流体产生了自密封效应,从而减少了汽封泄漏量。 3 刷式汽封改造方案

基于刷式汽封的诸多优点,达拉特发电厂在330MW机组上进行了刷式汽封的应用改造工作。因原机组叶顶汽封属J形齿密封阻气片式,改造较困难,因此只对其间隙进行调整,而隔板汽封是迷宫式梳齿汽封,改造工艺较简单,所以只对隔板汽封进行刷式汽封改造。

刷式汽封的种类比较多,结合机组实际情况,选型时综合考虑了刷丝的材料、形状、焊接形式,以及刷毛密集度、刷毛厚度、刷封结构等,兼顾了机组的安全性和节能效果。

刷式汽封改造范围:高压缸隔板10级,中压缸隔板11级,低压缸前、后隔板4级,以及低压转子汽封。每1级汽封只安装1道刷式汽封,改造示意图及实物结构分别见图 3、图 4。

图 3(Figure 3)

图 3 刷式汽封改造示意图

图 4(Figure 4)

图 4 刷式汽封实物结构

因刷式汽封与转轴存在接触部分,启动过程中会对转子造成一定热影响,转子振动值有可能升高,所以启动过程中需要进行磨合)运转。磨合转速分临界转速以下和临界转速以上2个阶段,磨合阶段振动值不宜超过机组规定值。根据达拉特发电厂的启动经验,总磨合时间未超过8 h。 4.2 改造效果

达拉特发电厂汽轮机汽封改造后,高、中、低压缸效率分别为84.864%、92.328%^[4]、85.89%^[5],比改造前分别提高了2.354%、1.797%、1.42%;经计算,改造后高、中压缸发电煤耗率降低了约3g/kWh,低压缸发电煤耗率降低了约2 g/kWh^[6],机组发电煤耗率合计降低了5g/kWh左右,每年可节约燃料费用250余万元,1a多即可收回改造成本^[6]。

数据分析结果及机组实际运行情况表明,达拉特发电厂330MW机组选用刷式汽封改造后机组运行平稳,经济性明显提高,改造工作取得成功。 5 结束语

刷式汽封节能效果显著,工艺简单,现场安装要求低,机组不易出现运行故障,适应范围广,改造工作容易实施,适合老旧机组的节能改造。达拉特发电厂330MW汽轮机刷式汽封改造后,不但提高了经济性,燃煤消耗的减少还可降低粉尘、SO₂、NO_x的排放量,对环境保护也起到积极作用。