汽轮机汽封改造前后效果分析

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［摘 要］ 文章结合3MW汽轮机在运行过程中，汽封齿磨损严重、汽封间隙加大的问题，分析梳齿式迷宫汽封的工作原理及其缺点，探索蜂窝式密封改造方案，从而有效地减小转子气流激振，使机组的安全性和经济性得到良好改善。

［关键词］ 汽轮机；汽封；改造；节能

［作者简介］ 焦维衡，中石化河南油田分公司南阳石蜡精细化工厂机械工程师，研究方向：化工设备设计及安装，河南 南阳，473132

［中图分类号］ TK269［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2011）10-0028-0004

汽轮机是将蒸汽的热能转变为机械能的一种动力机械，级是其最基本的工作单元，在结构上它是由喷嘴和其后的动叶栅所组成，蒸汽进入喷嘴后其热能转变为动能，然后进入动叶给动叶片以冲动力，使叶轮旋转而输出机械功。大型汽轮机就是由多个级组成，每个级都有动、静两部分组成，因此整个汽轮机也就由动、静两部分组成。汽轮机的转动与静止部分之间必须有一定的间隙，以防相互摩擦。由于汽缸内外、隔板前后以及带反动度的动叶两侧存在压差，而相应各处动静部分之间又必须保持一定间隙以使它们不致相碰，因此必须设置汽封装置。

汽轮机的汽封根据安装的位置不同分为：轴端汽封（简称轴封）、隔板汽封和通流部分汽封，分别用来防止汽轮机的轴端、隔板和动叶顶部、根部蒸汽的泄漏，其作用分别是防止外界空气进入汽轮机，与汽轮机内的蒸汽混合，减少蒸汽泄漏量，从而减少化学补水量和防止高位能的工作介质低位能流动。作为汽轮机的易损件和必备部件，汽轮机的汽封越来越引起从事汽轮机设计的工程技术人员的关注。因为从汽轮机运行的测试结果可以看出汽轮机的漏气损失约占内部损失的1/3左右。近年随着汽轮机汽封技术的不断发展，汽轮机运行的安全可靠性和机组热效率都得到相应的提高。

一、现状及存在问题

南阳石蜡精细化工厂现役机组为青岛3MW汽轮机，该机组于1999年1月投产，截至2009年11月，已累计发电1.28亿kWh，机组在最初运行的几年中，蒸汽消耗和发电量符合设计和工艺指标。但随着设备负荷加重和老式梳齿密封的磨损老化，特别是从2002年开始机组汽耗率由原来的16.73kg/kW.h上升到19.6kg/kW.h，同时出现了润滑油严重带水，直接影响系统正常运行，也影响了企业的经济效益。

检查发现，其汽缸两端的轴封结构以及汽缸内的隔板汽封仍然采用老式梳齿式迷宫密封结构(见图1)。梳齿密封有其自身无法克服的缺陷：汽封间隙理论上可以调节到0.4～0.6 mm，实际上机组很难达到这种间隙指标；并且汽封齿磨损严重， 汽封间隙加大，导致泄气量加大，降低机组效率。

存在主要问题可归纳以下几个方面：（1）气流激振较大；（2）汽缸轴封漏汽较为严重；（3）外界空气进入汽缸，降低机组效率，增大除氧器负担；（4）汽缸末几级在湿蒸汽内工作，湿度过高，易损伤叶片；（5）外漏造成轴承箱内进汽，使油中带水，破坏油质，一些调节部件锈蚀，影响机组安全。

综上所述，机组汽封漏气现象普通存在，致使机组经济效益差，热耗值较高，在很大程度造成能源的浪费。运用现代先进的密封技术对以上几个关键地方进行全面系统的改造已势在必行。

二、金属蜂窝与梳齿迷宫密封的对比

（一）金属蜂窝密封结构

针对机组漏气量严重，发电量减少等现状，采用具有新技术、新工艺和新材料的高级金属蜂窝密封改造老式梳齿式隔板汽封。此种汽封是在静子密封环的内表面上由规整的蜂巢菱形状的正六面体的小蜂窝孔状的密封带状物构成，其材料是由厚度仅为0.05~0.10mm的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，在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，而形成蜂窝式密封。

（二）金属蜂窝代替梳齿迷宫密封之必然

蜂窝汽封主要用蜂窝带、汽封体经特殊加工工艺组成一体。蜂窝汽封带由六边形小蜂窝孔组成，其中六边形蜂窝孔的对边距离为0.8～6mm，蜂窝深度为1.6～6mm。试验结果表明，蜂窝的尺寸对密封的动力特性系数有较大的影响，蜂窝密封产生主阻尼和刚度很大，稳定性更好。梳齿式汽封的密封效果不理想，一般是由过量间隙造成的，而因过量间隙造成的损失占汽轮机总能量损失的50%。采用蜂窝式汽封能有效抑制汽流在密封腔中周向流动，在高压差、小间隙密封时，仍能保证机组的稳定运转，从而降低泄漏损失，提高机组效率。

蜂窝汽封可提高汽轮机的动力性能。蜂窝式密封在结构上是由厚为0.05～0.10mm的海斯特（Hasttelloy-X）高温合金制成正六边形的蜂窝状，以取代梳齿式密封的梳齿，具有耐磨损、不伤轴、寿命长、密封效果好等优点。其密封机理是这种蜂窝状结构能产生很强的涡流和屏障，从而形成很大的阻尼而达到阻止工质泄漏的密封效果。实验表明，蜂窝式密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度；允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸；简化了汽轮机组安装和修理时的装配工作，比梳齿密封具有更好的转子动力学特性。

蜂窝状密封比梳齿式密封减少泄漏量，节能效果显著，安全经济，是该汽轮机领域的更新换代的技术。提高汽轮机经济性和可靠性的方法之一是减少与工质沿装置旋转零件和静止零件之间各种间隙漏泄有关的损失。

与传统的迷宫密封相比，蜂窝状密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度；允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸；蜂窝结构的几何形状应该根据能反映这些结构因素和状态参数影响的多因素试验进行优化。近年来，蜂窝式密封技术应用在汽轮机上。30MW、200MW、350 MW核电机组上均采用此项新技术，效果甚佳。

三、金属蜂窝汽封改造方案

（一）轴端汽封具体改造方案

为了降低汽缸轴封漏气，同时降低机组改造成本，将汽缸前后轴封改造为金属蜂窝汽封，汽缸前汽封的改造，有利于增强密封效果，避免高温蒸汽进入轴承箱，防止润滑油乳化.汽缸后汽封的改造，提高机组的真空度,有效阻止外界空气进入汽缸，降低除氧器、凝汽器的负担，降低机组背压和提高发电量。但其汽轮机转子不需改变；原汽封体和退让弹簧保持不变；将原长短齿交错形式的汽封环拆掉，直接换上蜂窝轴端汽封；为了精确测量和调整汽封间隙，将不可调汽封变为上述的径向可调汽封。

（二）叶顶汽封具体改造方案

蜂窝叶顶汽封主要是用在汽轮机末几级动叶片的叶顶汽封，可取得良好的除湿效果和减少对叶片的冲蚀。由于蜂窝叶顶密封的直径较大，需分若干弧段制造，同时需要将隔板体上与末级叶片配合的部位车削出安装蜂窝叶顶汽封的槽，并用螺栓将汽封弧段和缸体连接好，调整径向间隙时可以加垫片，保证密封间隙达到设计值。

（三）隔板汽封具体改造方案

隔板汽封也叫级间汽封，其结构和轴端密封相似，主要用于封住机组的高品质蒸汽。隔板汽封的改造可以有效地增加参与做功的蒸汽品质和数量，是提高机组效率的有效途径，是实现节能减排的首选方案。

该项目经前期论证和准备，于2008年10月9日～10月30日，利用汽轮机停机大修的机会对机组18组轴端梳齿汽封和级间梳齿汽封进行了全面改造，即：蜂窝密封的圈基体材料改造为15CrMoA,蜂窝体材料为Hastelloy X，密封结构为六边形小蜂窝孔部件；安装间隙进行了进一步优化和整间；密封圈基体和蜂窝带之间采用真空钎焊工艺，可耐535℃高温，抗拉强度为35 Mpa。

设备解体后，对汽轮机转子的各部位尺寸、转子的弯曲度进行了全面检测，在各项参数负荷中石化设备标准的前提下，检测、安装定制的新蜂窝气封，经过反复检测调试，在各项性能、技术参数达到工艺指标后，交付生产车间投用。改造后汽轮机气耗率有所下降，润滑油进水量明显减少，满足生产要求。

改造运行后新蜂窝密封可使气流经过此蜂窝体时，有多重迂回和曲折，这样气流经过每一级密封时产生的泄漏量会逐步降低(见图3), 从而达到降低漏气量、实现多发电的目的。

四、改造效果

实施蜂窝汽封改造后，经过一年多运行考验，平均汽耗率由改造前的17.85kg/kW.h降低到改造后的16.25kg/kW.h，即：每发一kW.h电少消耗蒸汽1.60kg；汽轮机背压由改造前的1.01MPa降为0.98MPa，背压小了，进一步说明汽轮机漏汽量减少了。综合分析：机组的汽耗率降低了，少损耗的蒸汽又可以用来多发电。所以此次改造既实现了减少机组的汽耗率，又提高了发电量，同时实现了设备可靠、高负荷运行的目的。

这里仅以改造前后春、秋4个月，机组运行时蒸汽消耗情况作为对比参数，具体数据如表1：

（一）汽耗率

改造前：平均汽耗率是17.85Kg/kW.h

改造后：平均汽耗率为16.25Kg/kW.h

17.85Kg/kW.h - 16.25Kg/kW.h = 1.60kg/kW.h

即：每发一kW.h电，少消耗蒸汽1.60kg。

（二）润滑油含水

改造前：每周脱水3次，一次15kg。

改造后：每周脱水3次，一次2.5kg。

五、经济效益

本汽轮机轴封改造共投资： 42.56万元。

这里以2009年1～10月份汽轮机改造后，实际运行和发电量1601万kW.h作为效益计算依据(该装置2009年8月份停工大修），那么，创经济效益：

1601万kW.h × 1.60kg/kW.h ×130元/t（蒸汽） = 333万元

实创效益（2009年1~10月）：

333万元（创效）- 42.56万元（投资）= 290万元。

六、结 论

精蜡厂3MW背压式汽轮机节能改造效果良好。不仅减小转子气流激振，吸收蒸汽中的水分，保护动叶片免受冲蚀；而且消除了设备隐患，蒸汽消耗量明显减少，发电量提高了。

［参考文献］

［1］王绍艳，袁绍华,等.工业汽轮机技术问答［M］.北京：化学工业出版社.2001

［2］何立东,叶小强,刘锦南.蜂窝密封及其应用的研究［J］.中国机械工程,2005,16 (20).

［3］常成伍,霍如恒.汽轮机本体检修实用技术［M］. 北京:中国电力出版社,2001.

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