傅曉峰

(浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000)

1 背景介紹

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求，到2020年，現(xiàn)役燃煤抽凝發(fā)電機組平均供電煤耗必須低于305 g/(kW·h)。浙江巨化熱電有限公司(以下簡稱“巨化熱電”)9#汽輪機組供電煤耗均高于同類型機組平均水平5 g/(kW·h)，應加快實施節(jié)能改造。探索新型節(jié)能汽封技術(shù)在汽輪機組的研究和應用，對降低燃煤機組供電煤耗具有重要意義。

2 能耗狀況

2.1 現(xiàn)行國家能耗標準

現(xiàn)役抽凝機組：供電煤耗 305 g/(kW·h), 綜合供熱煤耗 42.5 kg/GJ。

2.2 巨化熱電9#機組能耗狀況

巨化熱電2005年投產(chǎn)的9#機組，是由上海汽輪機廠生產(chǎn)的亞臨界、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式、中間再熱135 MW汽輪機組，型號N135-13.24/535/535，額定主蒸汽壓力13.24 MPa，額定主蒸汽溫度535 ℃。

根據(jù)該機組2006年竣工測試報告，高壓缸缸效較設計值低3%(見表1)。

表1 9#機組發(fā)電熱耗測試數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of heat consumption in power generation of 9# unit

該機組運行至今已經(jīng)接近13年，并且在歷年大修中沒有對高中壓缸缸內(nèi)通流間隙與密封件進行較為徹底的改造，加之機組還是使用較為傳統(tǒng)的梳齒式密封器件，根據(jù)國內(nèi)機組汽封連續(xù)運行損耗曲線平均值估計，真實高壓缸缸效較設計值低5%，真實中壓缸缸效較設計值低3%。

2.3 9#機缸效降低的主要原因

根據(jù)機組運行參數(shù)進行分析，9#機缸效降低的主要原因如下:①高中壓缸內(nèi)通流間隙較大，導致高壓缸缸效降低;②高中壓過橋(持環(huán))部位汽封密封效果嚴重降低，導致高壓缸缸效嚴重下降，中壓缸缸效虛高，經(jīng)測算，高中壓過橋部位泄漏率在11%左右;③高中壓缸轉(zhuǎn)子葉片、隔板噴嘴可能積垢嚴重，導致通流阻力增大。

3 改造方案及實施情況

3.1 改造方案

3.1.1 原汽封的工作原理

現(xiàn)代汽輪機最常見的汽封是高低齒型梳齒式汽封，是非接觸動靜密封件的典型。它由許多高低齒尖和兩齒間的環(huán)形汽室組成。汽封的腔室越大，密封效果越好(熱力學效應)；流道表面越粗糙，密封效果越好(摩阻效應)。但一般設備現(xiàn)場汽封安裝的空間狹小，且這種簡單的齒形結(jié)構(gòu)雖然方便機加工，可表面過于光滑，透氣效應較強。在一般直通迷宮中，由于通過縫口后的氣流只能向一側(cè)擴散，在膨脹腔室內(nèi)不能充分進行動能向熱能的轉(zhuǎn)換，而靠光滑壁一側(cè)的汽流速度不減小或略微減小，就直接越過各齒頂流向低壓側(cè)，存在負效應。

3.1.2 腔體擴容

為了使氣體更好的擴容耗散，在結(jié)構(gòu)強度允許的情況下增加汽封腔體的容積(見圖1[1]、圖2)。

由于受到渦流腔室出口低壓的影響， 汽流被強制牽引入渦流腔室入口。圖1 常規(guī)梳齒式汽封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of common comb-shaped steam seal

渦流腔室汽流出口, 由于低壓區(qū)作用,汽流被強制牽引出。圖2 擴容后的梳齒式汽封汽流矢量圖Fig.2 Steam flow vector of expanded comb-shaped steam seal

擴容擾流式汽封與常規(guī)梳齒汽封蒸汽接觸面積比較：按汽封360 mm長度計算，擴容擾流式汽封高低齒單個渦流槽流體接觸面積為2.2萬mm2，而梳齒汽封高低齒單個槽流體接觸面積為0.75萬mm2。擴容擾流式汽封流體接觸面積接近梳齒汽封的3倍，因此，當蒸汽流經(jīng)汽封體時，擴容擾流式汽封比梳齒汽封給予蒸汽更大的剪切應力。

3.1.3 增加熱耗散

為了降低汽流流速，增加汽流阻力，在腔體內(nèi)增加了較多擾流小齒(見圖3)，消耗高速汽流由于慣性沖入腔體內(nèi)的汽流動能，使汽流在渦流腔體內(nèi)進行充分熱耗散。在腔體中的小齒形成30°的傾斜角，增加阻汽率。

圖3 腔體內(nèi)增加了較多擾流小齒的示意圖Fig.3 Diagram of a lot of disturbing teeth added in cavity

3.1.4 降低透氣效應

增加小齒后，渦腔阻力增大，又會使透氣效應增強，因此利用進氣口流速高、壓力低的伯努力效應，迫使腔體內(nèi)的氣體加速流動，形成渦腔的降壓效果(見圖4)，促使渦腔內(nèi)已經(jīng)熱耗散的汽流流出擾流腔體。

圖4 形成渦腔的降壓效果示意圖Fig.4 Effect diagram of pressure drop due to vortex chamber formation

3.1.5 利用汽流對流產(chǎn)生抵消效果

由于流出渦流腔室內(nèi)的汽流，通過了渦腔的熱耗散，使汽流密度增加，溫度降低。噴流出的汽流與高齒的進汽流形成90°夾角對沖(見圖5),進一步增加了進汽的阻力(見圖6)。

圖5 噴流出的汽流與高齒的進汽流形成90°夾角示意圖Fig.5 Diagram of 90°angle between the steam sprayed out and the steam feeding into high teeth

圖6 動能等值線示意圖Fig.6 Kinetic energy contours

3.1.6 改為傾斜齒，使阻汽最大化

直齒α=0°對應的泄漏系數(shù)明顯大于梳齒傾斜角度為α=30°和 45°對應值。這是因為梳齒面的傾斜使得處于擴散狀態(tài)的射流在撞擊到下游的齒面時，會順勢沿著傾斜齒面流進齒腔，相較于直齒，有更多的流體進入齒腔，齒腔內(nèi)的旋渦擾流得到充分發(fā)展，擾流強度有所增加、流度增大，與射流區(qū)流體相互作用，使得射流與齒腔中的擾流質(zhì)量、能量交換增大，消耗流體動能，增大了流動阻力。另外，當梳齒傾斜時，齒腔中流體與壁面的接觸面積增大，因此摩擦消耗的能量更多。說明增大梳齒傾斜角度有利于減小泄漏系數(shù)，提高汽封嚴密性。

3.2 新汽封工作原理

(1)利用汽封腔體內(nèi)各位置的不同壓差，引導蒸汽流動。

(2)利用擾流腔室與渦流內(nèi)的小齒的分割作用，渦流區(qū)耗散強度增加，汽封腔室中的湍流特性變得更加復雜，使蒸汽在渦流腔體內(nèi)消耗動能。

(3)擾流腔體的出口與進汽高齒成 90°夾角，使噴出氣體與從高齒進入的蒸汽相互作用，達到增加流入蒸汽的阻力、減少進汽量的目的。

綜上所述：擴容擾流式汽封是利用其較為復雜的流體構(gòu)造來減緩蒸汽的流動速度，又能達到降低汽封的透氣效應的目的。

3.3 實施情況

(1)根據(jù)現(xiàn)場測量的尺寸，重新加工擴容熱耗散擾流減壓汽封(10圈)，包括高中壓持環(huán)軸封7圈，壓隔板軸封3圈。

(2)在現(xiàn)場進行鑲嵌式汽封(阻汽片)的更換和調(diào)整，不用返廠就能進行改造，保質(zhì)量，保工期。

(3)在軸系中心調(diào)整完畢后，進行洼窩的測量，按測量數(shù)據(jù)進行微調(diào)。

(4)在解體前，先用塞尺測量下缸左右側(cè)各級阻汽片的大致間隙值。

(5)用π尺測量各級阻汽片對應的軸徑的精確尺寸，并逐級作好記錄。

(6)用卡尺測量修前各級阻汽片的直徑尺寸，記錄間隙的超標值。

(7)調(diào)整修復。將上下內(nèi)缸調(diào)平，使結(jié)合面盡量保持水平；按軸系中心調(diào)整好后的洼窩數(shù)據(jù)安裝刮尺機，對機組轉(zhuǎn)子的漂移同時進行修正。完成第一次修刮，將內(nèi)下缸回裝，吊入轉(zhuǎn)子，進行第一次間隙測量；測量后根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)再進行修刮中心的微調(diào)，按給定的標準值進行第二次修刮。第二次修刮后，再次吊入測量，按標準要求進行自行檢驗，對不符合要求的個別點進行微調(diào)。最后根據(jù)下缸的數(shù)值進行上缸間隙的調(diào)整。

4 效果對比

4.1 改造前后數(shù)據(jù)對比

(1)高、中壓缸效率對比見表2。

表2 高、中壓缸效率對比Table 2 Comparison between efficiency of high pressure cylinder and that of intermediate pressure cylinder

(2)熱耗率試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱耗率試驗數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison between test data of heat consumption rate

(3)主參數(shù)修正量見表4。

表4 主參數(shù)修正量對比Table 4 Comparison between correction values of main parameters

(4)凝汽器性能分析見表5。

表5 凝汽器性能對比Table 5 Comparison between performances of condensers

4.2 經(jīng)濟性分析

汽封改造前，110 MW工況的試驗熱耗9 228.7 kJ/(kW·h)，修正后為8 683.29 kJ /(kW·h)。節(jié)能汽封改造后，100 MW工況(因生產(chǎn)需要僅能近似達到同等負荷條件)的試驗熱耗9 151.36 kJ/(kW·h)，修正后為8 613.26 kJ/(kW·h)。

改造后，一次開機成功。改造后漏汽率保證值為7.4%，預期值為6.5%。經(jīng)對照試驗測算，實際降低熱耗 70 kJ/(kW·h)，相當于降低2.28 g發(fā)電標準煤耗/(kW·h)。

4.3 其他效益分析

改造后9#機第3、第4道軸瓦各方向振動幅值均下降20～30 μm。原因可能是通流部分級間漏汽量減少，使得轉(zhuǎn)子膨脹更接近理論計算值，使運行更平穩(wěn)，從而可以延長機組的使用壽命。

改造不需要對原汽缸汽封槽進行加工，安裝方便，且改造后的汽封對安裝間隙的要求更低，阻汽效率保持更長久，可節(jié)省后期的檢修費用。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)汽輪機在安裝或檢修時，技術(shù)人員為了避免汽封結(jié)構(gòu)上的缺陷，汽封的徑向間隙往往會被調(diào)整得大一些，以減少動靜部件間的碰磨。但調(diào)大汽封徑向間隙會增加正常運行機組的蒸汽漏汽量。雖減少了做工，但會降低機組的熱效率[2]。通過改造，在保持原有外形配合尺寸不變的情況下，利用現(xiàn)代加工技術(shù)增加側(cè)齒，并將部分直齒改造為傾斜齒，制造出兼容傳統(tǒng)高低齒的汽封，具有安裝方便、安全、高效的特點。而且因為不是完全依靠動靜部分間隙來達到密封效果，對密封間隙要求不高，密封效果更持久。

改造后的汽封既保持傳統(tǒng)梳齒式汽封的安全與通用性，又具有較其他形式汽封更大的內(nèi)腔體積、更高的阻汽率的特點。此次汽封改造帶來了明顯的經(jīng)濟效益，并保證了機組的安全穩(wěn)定運行。該汽封技術(shù)在熱電汽輪機組節(jié)能改造中可復制，可推廣。