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300MW汽轮机汽封改造技术研究

李振华

华电青岛发电有限公司，山东青岛 266031

摘要：针对华电青岛有限公司#3国产引进型300MW汽轮机，因长期运行,经济性能偏离设计要求，汽缸效率低的问题，提出了对高、中压缸通流部分部分汽封更换布莱登汽封和轴封和低压隔板汽封更换为蜂窝汽封的建议，经过改造前后性能试验对比，高、中、低压缸效率明显提高，轴封泄露明显降低，机组热耗率显著降低。

关键词：汽轮机；汽封改造；性能试验；缸效率；热耗率

华电青岛发电有限公司#3汽轮机为上海汽轮机厂生产的引进型、亚临界一次中间再热、反动凝汽式汽轮机，原产品型号：C300-16.7/0.98/538/538型；制造型号为：A155型。结构特点：高中压合缸、单轴、双缸双排汽。汽轮机通流部分共35级，其中：高压缸1+11级；中压缸9级；低压缸2×7级；除调节级为冲动级外，其余均为反动级。汽轮机高中压缸为双层缸，通流部分相对布置：低压缸对称布置，由一个外缸、一个内缸和一个隔热罩组成。

问题的提出

#3机组至2005年投产后，随着长时间的运行，汽轮机各项经济指标偏离设计值较大，汽轮机出力严重不足，热耗率较高，汽缸效率偏低。汽缸效率高低，很大程度上受汽轮机结构影响，主要在于汽轮机通流部分和轴端汽封。大修前青岛公司委托电科院对#3机组进行热力性能试验，试验期间，机组单元制方式运行，对热力系统有效隔离，不补水，不排污，切除厂用汽和机组抽汽，实验前进行了系统不明泄漏量试验，结果均为5%以内，符合试验要求。主要性能参数见表1。

表1 #3汽轮机改造前主要性能验收试验数据汇总

项目	设计值	5VWO1	5VWO2	320MW	300MW	270MW	240MW	210MW	185MW
发电机有功功率（MW）	300.140	303.810	301.760	319.120	300.350	269.700	241.580	210.980	185.550
凝汽器压力（kPa）	4.90	4.80	5.00	5.02	4.87	4.37	3.56	3.21	3.12
主蒸汽压力（MPa）	16.67	16.69	16.69	16.74	16.74	16.74	16.59	16.74	12.89
主蒸汽温度（℃）	538.0	540.1	540.2	537.9	538.1	540.0	539.5	540.3	540.9
调节级压力（MPa）	11.16	11.94	11.88	12.75	11.92	10.48	9.23	7.83	7.11
调节级温度（℃）	481.7	497.0	497.0	502.0	495.0	482.0	468.5	451.0	474.0
高压缸排汽压力（MPa）	3.66	3.77	3.74	3.97	3.72	3.29	2.93	2.54	2.27
高压缸排汽温度（℃）	323.0	331.9	331.5	335.4	328.7	319.0	312.0	300.9	318.4
调节级效率（%）	67.15	56.36	55.09	57.98	54.87	54.21	53.75	53.09	52.46
高压缸效率（%）	84.72	82.47	82.22	82.68	82.28	80.79	78.25	76.30	77.98
再热器压损（%）	10	9.1	9.2	8.9	9.3	9.3	9.4	9.2	9.9
中压缸进汽压力（MPa）	3.29	3.43	3.40	3.62	3.38	2.99	2.66	2.31	2.05
中压缸进汽温度（℃）	538.0	541.4	541.7	540.6	539.0	539.4	540.8	540.9	528.4
中压缸排汽压力（MPa）	0.90	0.82	0.81	0.86	0.80	0.71	0.62	0.53	0.47
中压缸排汽温度（℃）	348.9	344.6	344.7	343.3	342.1	343.3	345.2	345.5	337.2
中压缸效率（%）	92.11	87.05	87.15	87.14	87.02	86.67	86.25	85.57	84.73
试验热耗率（kJ/(kW·h)）	7915.3	8366.70	8378.67	8408.73	8473.51	8492.24	8446.85	8420.31	8545.81
修正热耗率（kJ/(kW·h)）	7915.3	8454.06	8463.88	8470.82	8504.88	8556.07	8612.68	8686.15	8768.61

注：管道效率取99%，锅炉效率取92%

通过分析试验数据，得出以下结论。

汽轮机热耗率：

5VWO1工况下修正后热耗率为8454.06 kJ/(kW•h)，比THA设计热耗率7915.3 kJ/(kW•h) 高出538.76kJ/(kW•h)。5VWO2工况下修正后热耗率为8463.88 kJ/(kW•h)，比THA设计热耗率7915.3 kJ/(kW•h) 高出548.58kJ/(kW•h)。320MW工况下修正后热耗率为8470.82kJ/(kW•h)，比THA设计热耗率7915.3 kJ/(kW•h) 高出555.52kJ/(kW•h)；300MW工况下修正后热耗率为8504.88 kJ/(kW•h)，比THA设计热耗率7915.3kJ/(kW•h) 高出589.58kJ/(kW•h)。说明汽轮机及热力系统存在较大的节能降耗空间。

汽轮机高、中压缸效率：

5VWO工况下平均高压缸效率为82.35%比THA设计值84.72％低2.38％，中压缸名义效率为87.1%，比THA设计值92.11％低5.01％。320MW工况下高压缸效率为82.68%比THA设计值84.72％低2.04％，中压缸名义效率为87.15%，比THA设计值92.11％低4.97％。300MW工况下高压缸效率为82.28%，比THA设计值84.72％低2.44％，中压缸名义效率为87.02%，比THA设计值92.11％低5.09％。

试验表明：#3汽轮机的性能偏离设计工况较大。电科院和青岛公司根据试验数据仔细分析，提出了参考#2机改造方案对#3机进行汽轮机机侧优化改造，对汽缸通流部分汽封和轴封进行改造，进一步挖掘设备节能降耗潜力，降低机组热耗。

汽封改造现场实施

2.1 梳齿汽封、蜂窝汽封和布莱登汽封的特点

2.1.1.梳齿式汽封特点

梳齿式汽封是使用最广泛的一种传统汽封，其密封原理为通过齿的多级节流膨胀作用，减少汽(气)体沿轴向泄漏。梳齿汽封密齿的径向间隙和轴向齿间距较大，齿间环形腔室的环向流动大大减少了涡流降速的效果，同时梳齿易磨损，导致蒸汽泄漏严重。梳齿密封还是导致汽轮机蒸汽激振的重要原因之一。

2.1.2 蜂窝式汽封特点

蜂窝式汽封组件包括汽封环、蜂窝带、调整块和调整垫片等部件。蜂窝带由合金制成,耐高温,质地较软,与转子碰磨时,对转子伤害较轻。蜂窝带钎焊在曲径汽封相邻高齿中间部位,尺寸较宽,轴上凸台始终对着蜂窝带,能保持良好的密封间隙。蜂窝结构可大大降低泄漏蒸汽的流速,使涡流阻尼作用增强,因此密封效果较好。蒸汽充满蜂窝孔后反流出,在轴的汽封套表面形成一层汽垫,增强了轴的振动阻尼,削弱轴的振动,阻碍了汽流激振的形成。
2.1.3布莱登汽封特点

布莱登汽封取消了传统汽封弧块背部的板弹簧，取而代之的是在每圈汽封块端面处，加装了四只螺旋弹簧。自由状态下，在弹簧力的作用下汽封弧块处于张开状态远离转子；机组启动时，随着蒸汽流量增加，作用在每圈汽弧块背部的蒸汽压力逐步增大，当压力足以克服弹簧应力、摩擦阻力等时，汽封弧块开始逐渐关闭，直至处于工作状态，并始终保持与转子的最小间隙值运行；停机时，随蒸汽流量的减小，在弹簧应力作用下，汽封弧块远离转子，使汽封与转子径向间隙达到最大值。汽封与转子的摩擦往往是在机组启、停机过临界时发生，而此时蒸汽流量小，汽封处于张开状态，所以，布莱登汽封能够有效避免与转子的碰磨。

2.2 汽封改造实施方案

我厂通流部分汽封和轴端汽封设计时采用的是梳齿汽封，由于梳齿汽封的结构特点，机组长时间运行密封效果变差，热效率降低，布莱登汽封只能应用于汽轮机通流高压差部分，而蜂窝汽封不受压差限制，因此将高、中压缸通流部分部分汽封更换为布莱登汽封，各汽缸轴封和低压隔板汽封更换为蜂窝汽封。具体改造方案见表2。

2.2.1布莱登汽封改造技术要求

布莱登汽封径向间隙见表2。布莱登汽封退让间隙为2.0±0.2mm。如机组汽封套或隔板套的变形量小于退让间隙，可通过各汽封块退让间隙的调整，保证汽封的工作间隙基本为正圆。汽封块颈部与汽封槽部应有不小于0.70mm的间隙。汽封端面弹簧孔深公差为±0.13mm，垂直度为90°±3°。汽封弧块颈部出汽侧与汽封体结面，两面要求光洁度为3.2。汽封弧块端面总间隙0.3～1mm。汽封弧块止动轴与上半两弧块止动槽间隙单侧0.5～1.0mm。改造后要求机组启动时布莱登汽封蒸汽流量为3％～30％时逐级关闭，停机时，蒸汽流量减少到2％时，汽封全部张开。

2.2.2蜂窝汽封改造技术要求

配准汽封圈各弧段接触处，使上下半接触面之间间隙总和保持在0.1～0.2mm之间。汽封块退让间隙保证＞3mm。各弧段接触处的间隙≯0.05mm。汽封块的径向间隙在安装时采用全实缸压胶布法测量。径向间隙标准见表2。

表2 改造汽封清单及径向间隙控制标准

部位	数量（道）	更换汽封形式	设计间隙（mm）	控制标准（mm）
高压进汽平衡环	5	布莱登汽封	0.70-0.80	0.40±0.05
高压排汽平衡环汽封	3	布莱登汽封	0.70-0.80	0.40±0.05
中压进汽平衡环汽封	2	布莱登汽封	0.70-0.80	0.40±0.05
高压缸轴封	4	蜂窝汽封	0.45-0.55	0.45-0.50
中压缸轴封	4	蜂窝汽封	0.45-0.55	0.45-0.50
低压缸第二级隔板汽封	2	蜂窝汽封	0.90-1.10	0.90-0.95
低压缸第三级隔板汽封	2	蜂窝汽封	1.00-1.20	1.00-1.05
低压缸第四级隔板汽封	2	蜂窝汽封	1.20-1.40	1.20-1.25
低压缸第五级隔板汽封	2	蜂窝汽封	1.25-1.45	1.25-1.30
低压缸第六级隔板汽封	2	蜂窝汽封	1.45-1.63	1.45-1.50
低压缸第七级隔板汽封	2	蜂窝汽封	1.52-1.70	1.52-1.60
低压缸轴封第一级	2	蜂窝汽封	0.70-0.80	0.70-0.75
低压缸轴封第二级	2	蜂窝汽封	0.45-0.55	0.45-0.50
低压缸轴封第三级	2	蜂窝汽封	0.45-0.55	0.45-0.50
低压缸轴封第四级	2	蜂窝汽封	0.45-0.55	0.45-0.50

3、改造后试验及效果分析

3.1 改造后热力性能试验及结果比较

经充分准备，电科院进行了改造后的热力性能试验，试验严格执行美国机械工程师协会《汽轮机性能试验规程》和国标《汽轮机热力试验规程》，实验前进行了系统不明泄漏量试验结果为均为5%以内，符合试验要求。主要性能参数见表3。

表3 #3汽轮机改造后主要性能验收试验数据汇总(纯凝工况)

序号	名称	240MW工况	5VWO工况
	发电机有功功率（kW）	240048.08	303184
	主蒸汽压力（MPa）	14.105	16.229
	主蒸汽温度（℃）	536.36	536.14
	调节级压力（MPa）	9.302	12.047
	再热压力（MPa）	2.581	3.292
	再热温度（℃）	529.06	532.03
	高排压力（MPa）	2.878	3.664
	高排温度（℃）	318.54	323.63
	中压缸排汽压力（MPa）	0.6351	0.8044
	中压缸排汽温度（℃）	333.32	333.17
	低压缸排汽压力（kPa）	3.107	3.9204
	试验热耗率（kg/kW·h）	8300.99	8292.03
	高压缸效率（%）	83.22	85.75
	中压缸效率（%）	90.10	90.56
	修正后的热耗率（kg/kW·h）	8324.33	8277.37
	修正后的电功率（kW）	239421.46	304126.96
	汽轮发电机组热效率（%）	43.25	43.49

机组改造前后主要性能比较见表4

表4 #3汽轮机改造前后主要性能试验数据对照表

名称	单位	240MW工况		5VWO工况
名称	单位	修前	修后	修前	修后
高压缸效率	%	80.86	83.22	80.67	85.75
中压缸效率	%	88.56	90.10	88.18	90.56
修正后热耗率	kJ/kW·h	8531.07	8324.33	8432.40	8277.37
热耗率降低值	kJ/kW·h	206.74		155.03

3.2 改造技术经济分析

从表4改造前后性能试验数据对照表得出，改造后在不同工况下，各汽缸效率均得到很大提高，热耗率都有很大降低，机组240MW工况下，机组热耗率降低206.74kJ/kW·h。机组5VWO工况下，机组热耗率降低155.03kJ/kW·h。

4、结束语

试验表明, 汽轮机通流部分汽封改造以后,其性能有显著提高, 高、中压汽缸效率有很大提高，机组热耗率显著降低。表明将通流部分汽封由疏齿型改成布莱登汽封，轴封由疏齿型改成蜂窝汽封是可行有效的，可以推广。改进后的性能尽管有显著提高, 但与设计值相比还有较大差距, 仍有优化的潜力。

参考文献

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