汽轮机汽封系统节能改造探究

摘  要：就目前来看，汽轮机汽封存在着一定的漏气问题，致使机组运行的安全性和经济性受到影响。因此，应该提高对汽轮机汽封系统节能改造的重视程度，结合实际情况和发展要求，采用科学有效的技术和措施对其进行优化和改造，以实现对设备运行安全性以及经济性的有效增强。对此，文章对汽轮机汽封系统节能改造进行深入的分析，以供参考。

关键词：汽轮机;汽封系统;节能改造;优化

中图分类号：TK263.2       文献标志码：A       文章编号：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

汽轮机的运行频率受多方面因素的影响，而其中最为常见的是汽轮机通流部分的前后轴封以及动静叶汽封漏气问题，从而降低了汽轮机组的运行效率。对此，为了降低汽封系统漏气问题对汽轮机运行效率的影响，汽轮机设计技术人员应该注重汽轮机汽封设计环节，做好设计工作，并结合实际对其进行科学有效的节能设计。

1 汽轮机汽封的概述

在汽轮机正常运行的过程中，由于其内部主轴在穿出汽缸时存在一定的径向间隙，再加上内外压力差的作用力，致使其在主轴和隔板之间、汽缸（或隔板套）和动叶顶部之间的间隙处存在的级间蒸汽产生自高压端向着低压端的泄漏问题。另外，在汽轮机中低压缸的两端或低压端、高压缸的两端或高压端，同样存在着自内向外的高压蒸汽外泄问题，低压缸空气流入汽缸的状况。正是由于这些问题的存在，使得汽轮机的各级效率不断降低，真空、增大凝结水的损失不断增加，并提高了厂用电率，从而降低了汽轮机组对燃煤的利用率。所以在汽轮机的设计过程中，应该注重对齿数的优化，调整齿形曲径减小间隙增强阻力，确保汽封系统可以实现较好的防漏汽效果，从而提升汽轮机的运行效能[1]。现阶段，在汽封系统的改造当中，主要以蜂窝汽封技术以及新兴的刷式汽封技术为主。其中，刷式汽封技术具有漏量小、防漏效果明显的优点，在保证密封效果的基础上，对汽轮机静叶与动叶之间的瞬态不同心也具备一定的包容性，具有较强的稳定性和安全性。随着刷式汽封技术的不断完善和应用，得到了汽轮机节能改造的广泛应用，并且取得了一定的成果。

2 蜂窝汽封技术以及刷式汽封技术的特点

2.1 蜂窝汽封技术的特点

相对刷式汽封技术，蜂窝汽封技术是一项相对更加成熟的技术，该技术在飞机、船舶的汽轮机、压缩机、燃气轮机和发动机中具有较为广泛的应用。与普通梳齿汽封结构的使用寿命相比，蜂窝汽封结构具有更长的使用寿命，大约在普通梳齿汽封结构使用寿命的两倍以上，并且具有提高转子稳定性、减少泄漏量、提升运行效率等多方面的优势特征。

汽轮机蜂窝式汽封的制造材料主要以镍基耐高温合金为主，其结构包含了蜂窝带和环体两个部分，安装在汽封体当中。蜂窝式汽封技术的特点主要体现在以下几个方面。

第一，较强的可磨性特点。蜂窝汽封主要是由中正六边形的蜂窝孔构成，其厚度大约在0.05mm到0.10mm之间，对镍基耐高温合金进行特殊的加工，并将其制作成蜂窝带而形成。由于蜂窝带的材质较为柔软，使得蜂窝带具有较强的可磨性，从而增强对径向间隙的控制能力，降低漏出量。通过对相关实验数据的查阅可以看出，蜂窝式汽封能够有效降低对轴的磨损程度，不到铁素体梳齿式汽封对轴造成磨损程度的两成。由于蜂窝带材质的柔软性，即便蜂窩带与轴之间发生动静摩擦，也不会对轴颈产生损伤，有效增强了汽轮机的安全性以及可靠性。

第二，高效密封特点。在径向间隙值相同的前提下，蜂窝式汽封的漏气量要比梳齿式少60%左右。在汽轮机汽封系统改造中应用蜂窝式汽封技术，不仅可以从结构上解决低压缸轴端存在的高齿倒伏、低齿掉台问题，还能够为凝汽器的真空度提供保障，对机组效率的增强存在着重要的作用。由此可见，将蜂窝汽封技术应用于汽轮机汽封系统节能改造中可以得到更为显著的密封效果。

第三，双向阻尼特点。由于汽轮机中轴与叶轮的高速旋转，会产生气体的切向运动，再加上汽封两侧存在的压力差，使得气体开始轴向运动。当气体通过蜂窝表面时，则会遇到轴向和切向阻力，能够遏制工质在周向的运动，从而降低轴系的自激振动程度。蜂窝汽封的轴向网格能够控制气流的轴向旋转运动，避免汽轮机组内轴的震动问题的出现，从而确保转子运行的可靠性和稳定性。同时，在气流进入蜂窝网格时会增加汽封圈和气流间的热交换面积，有利于气流动能的进一步削弱。

2.2 刷式汽封技术的特点

该技术是近些年新兴起的新型汽封技术，在航空方面有着较为广泛的应用，比如在我国的J10以及美国的F22、F16等战斗机所使用发动机中，均涉及到了刷式汽封技术。随着该技术的不断成熟和完善，已经逐渐运用在民用燃气式汽轮机、发动机等方面。当前阶段，我国对该项汽封技术的应用已进入了起步阶段，与传统汽封技术相比，刷式汽封技术具有更加显著的优势特点，成为传统梳齿汽封最为可行、适用的替代品，也是大型转子器械设备汽封技术发展的主要途径，刷式汽封技术特点主要体现在以下几个方面。

第一，柔性密封特点。刷式汽封属于一种柔性密封，可以很好的包容转子的偏心运动以及瞬间径向变形，从而可以在确保汽轮机安全的前提下有效降低间隙大小。与此同时，由于转子振动阻力的增强，能够有效提升转子的稳定性。另外，由于刷式汽封的刷环是由紧密排列的特种细金属丝组成的，具有良好的弹性特征，这些金属丝与转子接触时，其弹性可以有效减少对转子的损耗，提升汽轮机组安全性。通过对相关试验数据的查阅可以看出，刷式汽封的漏气量仅为梳齿式汽封的一成到两成之间。

第二，极强的自密封性特点。在刷式汽封中，无论是线性的刷子或是环形的刷子，气体流动都是以射流、横向流、同向流以及漩涡流的方式活动。气流在通过刷丝时，若该区域存在间隙时，则会形成射流或者同向流，当刷丝周围没有间隙而轴向有间隙时，则形成横向流，在射流、横向流或同向流进入到较大的空隙区域之后则有可能产生漩涡流。刷式汽封中的刷丝可以在流体流动中形成极强的密封效果，能实现良好的节流作用，从而对气流的动能进行消耗，达成降压的效果[2]。

第三，零间隙密封特点。我们知道，减小间隙始终都是密封技术的目的所在，间隙的减小可以有效降低泄漏量，之前所说的蜂窝式汽封就是为了减少间隙。同理，刷式汽封也是以减小间隙为目的，但与其他汽封技术不同的是，在汽轮机中应用刷式汽封技术可以达到零间隙的目的，这是其他汽封技术所无法做到的。

3 汽轮机汽封系统节能改造案例分析

3.1 汽轮机汽封改造项目简述

以某公司汽轮机为例。这一汽轮机是由东方汽轮机有限公司生产制造，其型号为亚临界、单轴、双缸、一次中间再热、双排汽、抽汽供热凝汽式汽轮机，其容量为300MW。该汽轮机组的隔板、叶顶和轴端均采用旧式的梳齿式汽封结构，由于汽轮机组运行年限较长，其汽封漏汽状况也越加明显，致使其漏气量越来越多。因此，针对这一汽轮机组的运行情况，将应用刷式汽封技术对汽轮机组汽封系统进行改造和更新。

3.2 改造项目与成效

在实际的改造过程中，主要是对汽轮机中叶顶处以及低压、中压、高压段隔板轴封方面的改造和更新，将这些部分全部改为刷式汽封结构。中压缸效率由改造前91.23%升为91.49%;高压缸效率由改造前80.31%升为81.89%;;五段油气温度由改造前295.1℃降为285.3℃;六段油汽温度由改造前220.5℃降为209.8℃;七段油汽温度由改造前174.6℃降为157.4℃;试验热耗率由改造前8328kJ/（kW·h）降为8196kJ/（kW·h）;修正后热耗率由改造前8338kJ/（kW·h）降为8110kJ/（kW·h）

由以上数据可以看出，在经过汽封改造更新之后，汽轮机组的各项参数得到了进一步的优化和改善，有效提高了汽轮机组的经济性，改造后机组热耗率约为8196kJ/（kW·h），比改造前提降低了128kJ/（kW·h）。相对改造前，改造后的机组中压缸以及高压缸效率分别增强了0.26%和1.58%，对中压以及高压缸实现了较为良好的检修效果。第五、六、七段的油汽温度得到了有效的降低，分别减少了9.8℃、10.7℃、18.2℃，使低压通流部分实现了较好的汽封效果。因此，结合汽轮机的实际情况和类型，应用刷式汽封技术进行科学合理的节能改造，不仅可以提高汽轮机的汽封性能，还能有效增强汽轮机的安全性和经济性，增加发电企业的经济效益，从而实现节能减排的目标。

4 结束语

随着我国社会经济的快速发展，对能源的需求量也在日益增加，虽然我国不断提高对技术改造与产业结构调整的扶持力度，但对能源资源的利用率仍然相对较低，對我国社会经济的进一步发展存在着明显的阻碍作用[3]。其中，电力能源作为推动社会稳步前进的物质基础，亦是确保工业稳定发展的重要保障。因此，还需要不断加强对汽轮机汽封系统的节能改造和优化，提升对汽轮机组的安全性和可靠性，增强对燃煤能源的利用率，提高发电企业的经济效益，从而更好的满足不断增长的电力需求，为我国社会经济的稳步发展提供积极的推动作用。

参考文献：

[1]夏跃林.浅析汽轮机汽封技术[J].内蒙古科技与经济，2018（23）：84-85+87.

[2]付昶，宁哲.汽轮机汽封改造效果评价方法[J].热力发电，2016，45（12）：37-44.

[3]陈显辉，雷晓龙，等.东方超临界600MW汽轮机通流改造及性能评价[J].东方汽轮机，2018（2）.