减小汽轮机高中压过桥汽封漏汽量的研究与实践

郑富

大唐彬长发电有限责任公司   陕西咸阳    713602

摘要：高中压合缸机组普遍存在过桥汽封漏汽量大的问题，通过对影响汽封漏汽量因素的分析，结合汽封改造实践，给出了有效减小汽封漏汽量的方法，对存在相同问题的同类型机组提供了借鉴。

关键词：汽轮机；高中压合缸；过桥汽封；漏汽；汽封；间隙

1、前言

汽轮机高中压部分采用合缸结构，一是可以减少汽轮发电机组转子的数量，从而减少轴承的数量，缩短机组轴系长度，使得整个系统的布局更加紧凑；二是高温部分集中在汽缸的中部，采用双层缸结构的汽缸能够实现温度场的均匀分布，有助于减小汽缸的热应力，并减少因温差过大导致的汽缸变形可能性；三是高中压合缸机组的高、中压部分蒸汽流动方向相反，可以在一定程度上更好地平衡轴向推力。由于有以上优点，高中压合缸结构在汽轮机中被广泛应用。

高中压合缸结构的汽轮机，由于高压部分的蒸汽压力远远大于中压部分的蒸汽压力，高、中压部分之间不可避免地存在漏汽现象。为减少漏汽量，一般在高压部分与中压部分之间设置有汽封装置，称之为过桥汽封。目前，高中压合缸机组普遍存在过桥汽封漏汽量大的问题。

2、过桥汽封漏汽量对汽轮机的影响

2.1过桥汽封漏汽量对机组效率的影响

过桥汽封的蒸汽流动是由高压部分的调节级喷嘴或动叶后漏入中压部分的进汽室，由于调节级后的蒸汽焓小于中压进汽处的蒸汽焓，蒸汽由过桥汽封处漏入中压进汽室后，会使中压缸进汽室内蒸汽蒸汽的温度及焓值降低，使中压缸效率降低。由于中压缸效率计算时，蒸汽流量是在中压进汽室之前测量的，由过桥汽封漏入中压部分的蒸汽量无法测量且未被计入，这样便造成中压缸效率偏高的假象，影响热力试验的准确性。过桥汽封漏汽量增大，还会减少在高压缸中做功的蒸汽量，从而降低高压缸的做功能力。由于通过高压缸的蒸汽量减少，进入锅炉再热循环的蒸汽量亦随之减少，会使锅炉再热器的吸热量减少，进一步影响机组的效率。过桥汽封漏汽量占中压缸进汽量的比率称为过桥汽封漏汽率，根据测算，过桥汽封漏汽率每增加1%，影响机组热耗率升高约15～18kJ/kWh。

2.2过桥汽封漏汽量对机组安全性的的影响

过桥汽封漏汽量增大，使高压缸做功能力降低，高压缸少做的功将由中压缸、低压缸承担，在机组额定负荷时，可能造成中、低压缸的实际进汽量超过设计值，对汽轮机的运行安全有一定影响。

3、影响过桥汽封漏汽量的因素

3.1汽封径向间隙

汽封径向间隙的大小，直接反映出蒸汽经过汽封齿时的通流面积，汽封径向间隙大时，通流面积大，汽封径向间隙小时，通流面积小，故无论使用何种形式的汽封，当汽封前后压差一定时，采用较小的汽封径向间隙，均可显著减少汽封漏汽量。但是，汽封的径向间隙不可能无限制的减小，其值应在汽轮机生产厂家设计的范围内，否则在机组通过临界转速时，可能造成动静碰摩，从而加大机组振动值，影响汽轮机运行安全性。

3.2汽封数量

根据汽封的工作原理，每多一道汽封齿，蒸汽将多进行一次减压，汽封的密封能力会提高，故在汽封前后压差及汽封径向间隙不变的情况下，增加汽封的齿数可有效提高汽封的密封能力，减少汽封漏汽量。过桥汽封处与汽封配合的轴段均设计有凹凸台，汽轮机一旦造成，其转子上的凹凸台会限制汽封齿的数量，故通过增加汽封齿的方法来减少汽封漏汽量，对现役机组来说，实施难度很大。

3.3汽封形式

不同形式的汽封，其工作原理均有所不同，在不同工况下的密封性能也不尽相同，应根据汽封安装位置的蒸汽参数、运行特点、预期密封效果及安全性考虑，选用合适的汽封形式。适用于过桥汽封处使用的汽封形式较多，如传统梳齿汽封、侧齿汽封、刷式汽封、导流汽封、DAS汽封等。结合汽轮机揭缸检修，对汽封形式进行改造便于实施，是改变汽封漏汽量的有效途径。

3.4汽封安装质量

汽封安装质量的好坏，对汽封的密封性能有直接影响，检修中需采用合适的汽封安装及调整工艺，强化检修全过程监督及质量验收，确保汽封安装质量及汽封间隙测量的准确性。

4、过桥汽封改造的实践

大唐彬长发电有限责任公司1、2号汽轮机均为东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的NZK630-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，设计热耗率为8120kJ/kWh，额定转速3000r/min。汽轮机高压部分由一个调节级和7个压力级组成，中压部分为6个压力级，过桥汽封共有4圈，每圈有4个高齿和12个低齿，过桥汽封漏汽率设计值为1.9%。自2009年12月投产以来，两台汽轮机均一直存在过桥汽封漏汽量大的问题。彬长公司在两台汽轮机的历次大修中，均对过桥汽封进行了改造，从投产至今，共使用过普通梳齿汽封、刷式汽封、DAS汽封和导流式多级次减压汽封等共四种形式的汽封。

4.1 普通梳齿汽封

普通梳齿汽封（图1）是利用蒸汽逐级节流膨胀增加流动阻力的方法来减少泄露泄漏的。

图1 普通梳齿汽封  

彬长公司两台汽轮机原配套的过桥汽封均为普通梳齿汽封，汽封间隙取设计值中线，机组投产后，通过变汽温试验，测算出过桥汽封漏汽率分别为1.8%、2.4%。经过一个大修周期的运行，1、2号机组在第一次大修前，过桥汽封漏汽率分别为3.1%、3.6%，过桥汽封密封能力下降较明显。

4.2 刷式汽封

刷式汽封（图2）是在梳齿汽封的基础上，使用一道柔性刷丝作为高齿，刷丝根据轴的旋转方向按一定角度规则排列，刷丝具有极好的弹性，其与转子之间的间隙为零，当转子因振动产生径向位移时，可迅速弹性退让，振动后迅速恢复闭合状态。当蒸汽通过刷式密封时，主要在密集排列的柔性刷丝之间形成的缝隙中流动，由于刷丝之间的间隙不均匀，蒸汽流动也就变得不均匀了，并从刷丝紧密的区域流向刷丝疏松的区域偏流，这些偏流形成了同向流和射流，随机产生二次流和旋涡流。由于刷丝持续受到转子旋转的干扰，刷丝之间的相对位置不断变化，使蒸汽流动始终不均匀，横向流动代替了向前流动，使蒸汽产生自密封作用，减少了漏汽量。

图2 刷式汽封

彬长公司两台机组在首次大修时，为减少过桥汽封漏汽量，将过桥汽封的形式都改造为了刷式汽封，1、2号机组刷式汽封产自不同厂家，汽封间隙均取设计值下限，修后机组振动状况与修前相当，通过变汽温试验，测算1、2号汽轮机过桥汽封漏汽率分别为2.5%、3.1%，经过一个大修周期后，1、2号汽轮机过桥汽封漏汽率分别升至4.3%、4.8%，汽封的密封能力下降十分明显。可见，刷式汽封对刷丝的质量要求很高，当刷丝质量不好时，其密封效果甚至不如梳齿汽封。由于过桥汽封处蒸汽压降较高，刷丝承受的压差也较高，随着运行时间的增加，刷丝不断断裂脱落，汽封的密封性能下降很快。

4.3 DAS汽封

DAS汽封是在常规梳齿汽封的结构上进行了改进，把常规梳齿汽封的两个长齿更换成两个宽齿。如图3所示，1为DAS汽封齿，2为汽封短齿，3为汽封长齿，汽封齿1与转子的间隙B比齿2、3与转子的间隙A小，汽封齿1采用宽齿结构。在汽轮机启、停的过程中，由于过临界转速的影响，汽封齿有与转子产生摩擦的可能，因间隙B比间隙A小，所以汽封齿1应最先与转子产生碰摩，汽封齿1推动汽封圈退让，保护了汽封齿2、3不与转子产生摩擦。在汽轮机正常运行时，齿2、3的间隙A可达到设计值，从而保证了设计的密封效果。另一方面，由于间隙B比间隙A小，且齿1采用宽齿结构，材料也耐磨，即使与转子发生碰磨，其磨损量也非常小，运行时间隙B小于间隙A，整个汽封的泄漏量比传统设计的汽封泄漏量小，从而减小汽封漏汽量。

图3   DAS汽封结构图

彬长公司1号汽轮机在第二次大修时，将过桥汽封改为DAS汽封，汽封间隙取中线，修后机组振动优于修前，经变汽温试验测算，过桥汽封漏汽率为2.6%，改造效果一般。

4.4 导流式多级次减压汽封

相比于传统梳齿汽封，导流式多级次减压汽封（图4）增加了汽封腔体的容积，其与流体接触面积远远大于传统梳齿式汽封，因此当蒸汽流经汽封体时，导流式多级次减压汽封比梳齿汽封给予了蒸汽更大的剪切应力。导流式多级次减压汽封腔体内设计有较多的扰流小齿，这些小齿可降低汽流流速，增加汽流阻力，以消耗高速汽流由于惯性冲入腔体内的汽流动能，使汽流在汽封腔体内进行充分的热耗散，同时汽封腔体中的小齿设计有一定角度的倾斜，可进一步增加阻汽率。导流式多级次减压汽封的腔室与高齿出汽侧根部之间开有汽流通道，可利用汽封高齿进汽处的伯努利效应，迫使腔体内的蒸汽加速流动，形成汽封腔室的降压效果，促使腔室内已经充分热耗散的汽流流出腔室。由于流出汽封腔室内的汽流通过了涡腔的热耗散，密度增加，温度降低，喷流出的汽流与高齿的进汽流形成90夹角对冲，进一步了增加进汽的阻力。导流式多级次减压汽封梳齿低齿设计为倾斜齿，处于扩散状态的射流在撞击到下游的低齿齿面时，会顺势沿着倾斜齿面流进齿腔，相较于直齿，会有更多的蒸汽进入齿腔，齿腔内的旋涡得到充分发展，涡流强度有所增加、湍流度增大，与射流区流体相互作用，使得射流与齿腔中的涡流质量、能量交换增大，消耗流体动能，增大了流动阻力；另外斜齿与流体的接触面积更大，摩擦消耗的能量也更多。

图4 导流式多级次减压汽封

彬长公司2号汽轮机在第二次大修时，将过桥汽封改为导流式多级次减压汽封，汽封间隙取中线，修后经变汽温试验测算，过桥汽封漏汽率为1.7%，过桥汽封漏汽率得到了明显改善，并优于1.9%的设计值，取得了良好的效果。

5、小结

5.1汽轮机过桥汽封漏汽量大对汽汽轮机热效率影响较大，减小过桥汽封漏汽率可有效提降低汽轮机热耗率，提升机组效率。

5.2根据多种形式汽封的实际使用情况，过桥汽封选用导流式多级次汽封，可有效减少过桥汽封漏气率。

参考文献：

[1]许世诚.关于高中压合缸汽轮机过桥汽封漏汽问题的探讨.汽轮机技术.2013.

[2]张赟，胥建群，李刚，周克毅.汽轮机中间分隔轴封漏汽对热耗率影响的分析与计算.中国电机工程学报.2012

[3]ZL 2016 1 0066550.2（智伟电力（无锡）有限公司，一种汽轮机的导流式多级次减压汽封装置，2019年2月22日）