汽輪機汽封系統節能改造探究
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摘 要：就目前來看，汽輪機汽封存在著一定的漏氣問題，致使機組運行的安全性和經濟性受到影響。因此，應該提高對汽輪機汽封系統節能改造的重視程度，結合實際情況和發展要求，采用科學有效的技術和措施對其進行優化和改造，以實現對設備運行安全性以及經濟性的有效增強。對此，文章對汽輪機汽封系統節能改造進行深入的分析，以供參考。
關鍵詞：汽輪機;汽封系統;節能改造;優化
中圖分類號：TK263.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）08-0120-02
Abstract： At present， there is a certain air leakage problem in the steam seal of steam turbine， which affects the safety and economic operation of the unit. Therefore， attention should be paid to the energy-saving transformation of steam turbine seal system， and combined with the actual situation and development requirements， learnable and effective technologies and measures should be adopted to optimize and transform it， in order to achieve the equipment operation security and economic row effective enhancement. In this paper， the energy-saving transformation of steam turbine seal system is deeply analyzed for reference.
Keywords： steam turbine; steam seal system; energy-saving retrofit; optimization
引言
汽輪機的運行頻率受多方面因素的影響，而其中最為常見的是汽輪機通流部分的前后軸封以及動靜葉汽封漏氣問題，從而降低了汽輪機組的運行效率。對此，為了降低汽封系統漏氣問題對汽輪機運行效率的影響，汽輪機設計技術人員應該注重汽輪機汽封設計環節，做好設計工作，并結合實際對其進行科學有效的節能設計。
1 汽輪機汽封的概述
在汽輪機正常運行的過程中，由于其內部主軸在穿出汽缸時存在一定的徑向間隙，再加上內外壓力差的作用力，致使其在主軸和隔板之間、汽缸（或隔板套）和動葉頂部之間的間隙處存在的級間蒸汽產生自高壓端向著低壓端的泄漏問題。另外，在汽輪機中低壓缸的兩端或低壓端、高壓缸的兩端或高壓端，同樣存在著自內向外的高壓蒸汽外泄問題，低壓缸空氣流入汽缸的狀況。正是由于這些問題的存在，使得汽輪機的各級效率不斷降低，真空、增大凝結水的損失不斷增加，并提高了廠用電率，從而降低了汽輪機組對燃煤的利用率。所以在汽輪機的設計過程中，應該注重對齒數的優化，調整齒形曲徑減小間隙增強阻力，確保汽封系統可以實現較好的防漏汽效果，從而提升汽輪機的運行效能[1]?，F階段，在汽封系統的改造當中，主要以蜂窩汽封技術以及新興的刷式汽封技術為主。其中，刷式汽封技術具有漏量小、防漏效果明顯的優點，在保證密封效果的基礎上，對汽輪機靜葉與動葉之間的瞬態不同心也具備一定的包容性，具有較強的穩定性和安全性。隨著刷式汽封技術的不斷完善和應用，得到了汽輪機節能改造的廣泛應用，并且取得了一定的成果。
2 蜂窩汽封技術以及刷式汽封技術的特點
2.1 蜂窩汽封技術的特點
相對刷式汽封技術，蜂窩汽封技術是一項相對更加成熟的技術，該技術在飛機、船舶的汽輪機、壓縮機、燃氣輪機和發動機中具有較為廣泛的應用。與普通梳齒汽封結構的使用壽命相比，蜂窩汽封結構具有更長的使用壽命，大約在普通梳齒汽封結構使用壽命的兩倍以上，并且具有提高轉子穩定性、減少泄漏量、提升運行效率等多方面的優勢特征。
汽輪機蜂窩式汽封的制造材料主要以鎳基耐高溫合金為主，其結構包含了蜂窩帶和環體兩個部分，安裝在汽封體當中。蜂窩式汽封技術的特點主要體現在以下幾個方面。
第一，較強的可磨性特點。蜂窩汽封主要是由中正六邊形的蜂窩孔構成，其厚度大約在0.05mm到0.10mm之間，對鎳基耐高溫合金進行特殊的加工，并將其制作成蜂窩帶而形成。由于蜂窩帶的材質較為柔軟，使得蜂窩帶具有較強的可磨性，從而增強對徑向間隙的控制能力，降低漏出量。通過對相關實驗數據的查閱可以看出，蜂窩式汽封能夠有效降低對軸的磨損程度，不到鐵素體梳齒式汽封對軸造成磨損程度的兩成。由于蜂窩帶材質的柔軟性，即便蜂窩帶與軸之間發生動靜摩擦，也不會對軸頸產生損傷，有效增強了汽輪機的安全性以及可靠性。
第二，高效密封特點。在徑向間隙值相同的前提下，蜂窩式汽封的漏氣量要比梳齒式少60%左右。在汽輪機汽封系統改造中應用蜂窩式汽封技術，不僅可以從結構上解決低壓缸軸端存在的高齒倒伏、低齒掉臺問題，還能夠為凝汽器的真空度提供保障，對機組效率的增強存在著重要的作用。由此可見，將蜂窩汽封技術應用于汽輪機汽封系統節能改造中可以得到更為顯著的密封效果。
第三，雙向阻尼特點。由于汽輪機中軸與葉輪的高速旋轉，會產生氣體的切向運動，再加上汽封兩側存在的壓力差，使得氣體開始軸向運動。當氣體通過蜂窩表面時，則會遇到軸向和切向阻力，能夠遏制工質在周向的運動，從而降低軸系的自激振動程度。蜂窩汽封的軸向網格能夠控制氣流的軸向旋轉運動，避免汽輪機組內軸的震動問題的出現，從而確保轉子運行的可靠性和穩定性。同時，在氣流進入蜂窩網格時會增加汽封圈和氣流間的熱交換面積，有利于氣流動能的進一步削弱。 2.2 刷式汽封技術的特點
該技術是近些年新興起的新型汽封技術，在航空方面有著較為廣泛的應用，比如在我國的J10以及美國的F22、F16等戰斗機所使用發動機中，均涉及到了刷式汽封技術。隨著該技術的不斷成熟和完善，已經逐漸運用在民用燃氣式汽輪機、發動機等方面。當前階段，我國對該項汽封技術的應用已進入了起步階段，與傳統汽封技術相比，刷式汽封技術具有更加顯著的優勢特點，成為傳統梳齒汽封最為可行、適用的替代品，也是大型轉子器械設備汽封技術發展的主要途徑，刷式汽封技術特點主要體現在以下幾個方面。
第一，柔性密封特點。刷式汽封屬于一種柔性密封，可以很好的包容轉子的偏心運動以及瞬間徑向變形，從而可以在確保汽輪機安全的前提下有效降低間隙大小。與此同時，由于轉子振動阻力的增強，能夠有效提升轉子的穩定性。另外，由于刷式汽封的刷環是由緊密排列的特種細金屬絲組成的，具有良好的彈性特征，這些金屬絲與轉子接觸時，其彈性可以有效減少對轉子的損耗，提升汽輪機組安全性。通過對相關試驗數據的查閱可以看出，刷式汽封的漏氣量僅為梳齒式汽封的一成到兩成之間。
第二，極強的自密封性特點。在刷式汽封中，無論是線性的刷子或是環形的刷子，氣體流動都是以射流、橫向流、同向流以及漩渦流的方式活動。氣流在通過刷絲時，若該區域存在間隙時，則會形成射流或者同向流，當刷絲周圍沒有間隙而軸向有間隙時，則形成橫向流，在射流、橫向流或同向流進入到較大的空隙區域之后則有可能產生漩渦流。刷式汽封中的刷絲可以在流體流動中形成極強的密封效果，能實現良好的節流作用，從而對氣流的動能進行消耗，達成降壓的效果[2]。
第三，零間隙密封特點。我們知道，減小間隙始終都是密封技術的目的所在，間隙的減小可以有效降低泄漏量，之前所說的蜂窩式汽封就是為了減少間隙。同理，刷式汽封也是以減小間隙為目的，但與其他汽封技術不同的是，在汽輪機中應用刷式汽封技術可以達到零間隙的目的，這是其他汽封技術所無法做到的。
3 汽輪機汽封系統節能改造案例分析
3.1 汽輪機汽封改造項目簡述
以某公司汽輪機為例。這一汽輪機是由東方汽輪機有限公司生產制造，其型號為亞臨界、單軸、雙缸、一次中間再熱、雙排汽、抽汽供熱凝汽式汽輪機，其容量為300MW。該汽輪機組的隔板、葉頂和軸端均采用舊式的梳齒式汽封結構，由于汽輪機組運行年限較長，其汽封漏汽狀況也越加明顯，致使其漏氣量越來越多。因此，針對這一汽輪機組的運行情況，將應用刷式汽封技術對汽輪機組汽封系統進行改造和更新。
3.2 改造項目與成效
在實際的改造過程中，主要是對汽輪機中葉頂處以及低壓、中壓、高壓段隔板軸封方面的改造和更新，將這些部分全部改為刷式汽封結構。中壓缸效率由改造前91.23%升為91.49%;高壓缸效率由改造前80.31%升為81.89%;;五段油氣溫度由改造前295.1℃降為285.3℃;六段油汽溫度由改造前220.5℃降為209.8℃;七段油汽溫度由改造前174.6℃降為157.4℃;試驗熱耗率由改造前8328kJ/（kW·h）降為8196kJ/（kW·h）;修正后熱耗率由改造前8338kJ/（kW·h）降為8110kJ/（kW·h）
由以上數據可以看出，在經過汽封改造更新之后，汽輪機組的各項參數得到了進一步的優化和改善，有效提高了汽輪機組的經濟性，改造后機組熱耗率約為8196kJ/（kW·h），比改造前提降低了128kJ/（kW·h）。相對改造前，改造后的機組中壓缸以及高壓缸效率分別增強了0.26%和1.58%，對中壓以及高壓缸實現了較為良好的檢修效果。第五、六、七段的油汽溫度得到了有效的降低，分別減少了9.8℃、10.7℃、18.2℃，使低壓通流部分實現了較好的汽封效果。因此，結合汽輪機的實際情況和類型，應用刷式汽封技術進行科學合理的節能改造，不僅可以提高汽輪機的汽封性能，還能有效增強汽輪機的安全性和經濟性，增加發電企業的經濟效益，從而實現節能減排的目標。
4 結束語
隨著我國社會經濟的快速發展，對能源的需求量也在日益增加，雖然我國不斷提高對技術改造與產業結構調整的扶持力度，但對能源資源的利用率仍然相對較低，對我國社會經濟的進一步發展存在著明顯的阻礙作用[3]。其中，電力能源作為推動社會穩步前進的物質基礎，亦是確保工業穩定發展的重要保障。因此，還需要不斷加強對汽輪機汽封系統的節能改造和優化，提升對汽輪機組的安全性和可靠性，增強對燃煤能源的利用率，提高發電企業的經濟效益，從而更好的滿足不斷增長的電力需求，為我國社會經濟的穩步發展提供積極的推動作用。
參考文獻：
[1]夏躍林.淺析汽輪機汽封技術[J].內蒙古科技與經濟，2018（23）：84-85+87.
[2]付昶，寧哲.汽輪機汽封改造效果評價方法[J].熱力發電，2016，45（12）：37-44.
[3]陳顯輝，雷曉龍，等.東方超臨界600MW汽輪機通流改造及性能評價[J].東方汽輪機，2018（2）.
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