汽轮机组各部位汽封选型最佳组合方案的标准的研究.doc

汽轮机组各部位汽封选型最佳组合方案的标准的研究倪定 沈国平Niding Shenguoping(华电电力科学研究院,浙江 杭州 310030 上海汽轮机有限公司，上海 )( , ZheJiang HangZhou 310030 )摘 要汽轮机汽封技术发展的多元化，使发电厂在进行汽轮机组节能改造时，面临如何进行各种汽封选择的问题。文章针对该问题，根据汽轮机工作各种运行状态下，转轴径向运动的特点，分析研究汽轮机组二种状态下，汽封安全间隙和经济间隙的变化规律，提出了各种汽封的分类方法，为发电厂进行汽轮机组汽封改造时，提供了一个比较科学合理的汽轮机组各部位汽封选型最佳组合方案的参考标准和基本原则。Abstract: .关键词 汽轮机 汽封分类 选型 组合 标准Key Words: 0.引言汽轮机是将高温蒸汽的热能转换为机械能的高速旋转机械，为保证机组能够安全高效持久地连续运行，转动部件和静止部件必然要保持一定间隙，必然会有少量蒸汽从动静部位的间隙，不作功而漏到级后，或从轴端漏出。汽封漏汽率（汽封漏汽量与进汽量之比）是影响汽轮机效率的重要指标，研究和解决该指标的关键问题是如何处理动静部件的间隙和密封形式。随着汽轮机技术的发展，把全三维不定常流动的顶尖理论研究成果，通过先进的汽轮机设计软件、高精密加工制造设备转换成成熟产品，已经达到相当完善的程度。汽轮机通流效率已经没有太大的提升空间，通过改进叶栅型线来提高汽轮机效率的作用非常有限。通流部分改造的巨额投资和微小的收益形成了巨大的反差。自汽轮机诞生以来，汽轮机通流部分各汽封和轴端汽封基本全部采用传统的梳齿式汽封，不存在选型问题。近十多年来，国内外在改善汽封技术，降低汽封漏汽率方面进行了大量的研究和实践，目前已知的有梳齿汽封、蜂窝汽封、布莱登汽封、可调汽封、收放式汽封、接触式汽封、刷子汽封、柔齿式汽封、铁素体汽封、浮动齿汽封、东汽DAS汽封，以及各种汽封的组合式汽封等等。在汽封改造方面的小额投资给电厂带来的巨大收益，以及发电市场竞争的大环境的压力，使更多的发电集团公司和电厂积极开展汽轮机组汽封改造工作。与此同时，大批设备加工制造企业，看到了这一巨大的市场需求，竞相加入到汽封改造的行业之中，形成目前鱼龙混杂恶性竞争的局面，有些不良产品对汽轮机组设备安全带来一定影响，甚至导致重大设备事故。在市场经济环境下，供方完全满足需方的要求，双方的合作才能持久稳固。在人际关系中，夫妻双方完全满足对方的要求，婚姻才能天长地久美满幸福。汽封和汽轮机的匹配也是一样：根据汽轮机组各部位汽封的具体结构、参数和运行特点，来选择最佳的汽封产品，才能使得汽轮机发挥最好效率，所带来的风险降到最低。汽封市场的多元化给汽轮机专业带来一个新课题：如何从各种各样汽封产品中，进行汽轮机各部位的选型的最佳组合。现在做任何事情，都要标准化管理，标准化作业。有标准则按标准执行，没有标准则制定标准，你制定的标准得到公认，你就是标准。这就是创新。因此，首先要解决组合方案的标准问题。这就需要根据汽轮机运行的特点，掌握动静部件间隙的变化规律，研究和制定一套汽封技术和产品选型的安全经济性评估方法，实现汽轮机组各部位汽封选型的最佳组合。1.汽轮机运行特点和动静部件径向间隙的变化规律汽轮机发电机组并网运行的工作转速为3000r/min，高于各转子的一阶临界转速，机组要能够并网运行首先要保证能够安全启停，即：在电网正常调度下，机组能够在启动、停止、并网带负荷等各种情况下安全运行，还要能够在电网事故或机组本身异常状态下安全退出运行。然后才能够考虑在长期并网运行中如何实现经济运行。因此首先要通过分析掌握汽轮机运行全过程中的基本运行特点，研究动静部件的间隙的变化规律，其中主要是研究转子的径向位移量的变化规律：1.1根据汽轮机组安全运行的要求，推断转子各部位最大允许的径向位移量1.1.1.汽轮机组工作转速下的轴承处的转轴的位移量根据国家标准旋转机械转轴径向振动的测量和评定,将转轴的工作转速的相对振动（位移）值划分为四个区域，各区域的分界值给出的是一个范围。各制造厂给出的分界值比国家标准要严格。范围评定国家标准制造厂标准A新投产机组的优良范围100m优良：76mB通常认为合格，可长期运行A/B ：150-200m报警：127mC不合格，在有合适机组采取补救措施之前，可运行有限一段时间B/C ：250-320m跳机：254mD通常认为危险，足以引起机组破坏根据该标准可以推断出汽轮机各轴承处转轴的最大位移量应小于64m（1/2振动峰峰值）。制造厂在设计汽封间隙时在考虑一定的安全余量，一般取75m，一些制造厂取值更加保守，取值超过100m。1.1.2. 汽轮机组临界转速下的轴承处的转轴的径向位移量众所周之，汽轮机转子属于柔性转子，机组启停机过程在通过各转子的临界转速时，该转子对应的轴振动将达到峰值，它比工作转速的振动值要大2-4倍。大部分电厂一般都能够控制在跳机值以内。根据该实际控制的情况可以推断出汽轮机各轴承处转轴的最大位移量应小于127m（1/2振动峰峰值）。1.1.3 汽轮机转子的静弯曲和低转速下的动弯曲图1：轴弯曲分布图C C 在静态情况下，对于汽轮机转子可以简化成受任意负载分布的简支梁，其挠曲图如下：挡转子放置一段时间后，在转子自重的作用下，转子会存在一定的静挠曲（也称静弯曲），挠曲的分布如下图所示，其最大挠曲量为c。如将转子反方向180放置后，在转子自重的作用下，转子的静挠曲c会一段时间逐步缩小到零，这一恢复的时间是由转子的材料、跨距等决定的。为消除转子的静弯曲，一般汽轮机组设计有盘车装置。转子以的速度转动一段时间后，转子的动绕度C=f(，t) 将缩小为C，它的大小和与C的夹角由盘车转速决定。一般来说，正比于，但不会大于90；C反比于。目前汽轮机的盘车装置设计转速为3r/min，正常情况下经过一段时间的盘车，反映转子静挠曲的偏心值基本都能够恢复到合格的3m以内。当机组长期在额定的工作转速下运转时，转子的动绕度C将进一步缩小趋向于零，可以将其忽略不计。低速下的转子中间部位最大位移量的峰峰值，略大于或等于两侧轴承振动的平均值。1.1.4汽轮机转子高转速下的动弯曲在汽轮机转子制造加工过程中，每级叶轮的残余质量不平衡对转轴的影响，将在出厂前通过高速动平衡之后，在转子两侧的平衡槽进行配重予以平衡。现在的高速动平衡技术已经相当成熟，平衡精度非常高，残余不平衡质量（等效不平衡质量和等效半径都很小）产生的离心力（f=mn2/r）对转轴的影响非常小。1.1.4.1汽轮机转子低于临界转速时的动弯曲汽轮机转子在低转速下的动弯曲和振动基本上负荷刚性转子的运动特性，见图2。其最大动弯曲值B在靠近转子的中部B图2：转子一阶振型图位置。其振动大小主要受转子的残余不平衡质量影响，但因转速较低，一般不会造成动静碰磨。1.1.4.2汽轮机转子过临界转速时的动弯曲图3：转子二阶振型图B汽轮机属于柔性转子，过临界时的转子的振动特性见图3，这时转子的中部的位移量为零，二侧各有一个位移量最大值B，其值应是一阶振型最大值B的1/3左右。但此时轴承的振动要比正常情况下大2-4倍，两处的位移量最大值B与一阶振型的数值B差不多。1.1.5汽轮机组正常运行时转子各部位的位移情况目前汽轮机组各轴承处都安装有监测轴振动的传感器，它实际上是一个位移测量装置，轴承处的转轴位移情况是实测的，目前国内大部分机组轴承处的转轴位移基本都在优良值76m以内，大约在30-50m居多数，好的机组可以达到10m以内。图4：工作转速下转子振型图C汽轮机组的工作转速一般要高于临界转速一定范围，转子的振型为二个拐点以上的曲线，如图4。拐点的曲率应明显小于过临界时的曲率，因此转子中间的动弯曲C是比较小的。可以用转子二侧轴承处的实测的轴位移的平均值来近似估算。这基本是汽轮机组在正常运行时保证其安全运行的经济间隙，约为10-25m 左右。另外，汽轮机正常运行后，转子将比静止状态下抬高约5-8m（轴承的油膜厚度）。在检修时调整汽封间隙时应予修正。1.1.6 汽轮机转子的热弯曲汽轮机组停机之后，转子和汽缸仍处于极热状态，在自重作用下将很快出现热弯曲，转子下部与汽缸底部的间隙将很快缩小。如果不能及时投入盘车装置，有可能造成动静间隙消失而发生碰磨，甚至造成转子被抱死的情况。1.1.7极端情况下的动静间隙变化机组启动过程如汽温控制不好导致汽缸膨胀不畅、运行中发生汽温突降或汽缸进水等原因，都会因汽轮机静止部件变形而导致动静间隙变化。转动部件或静止部件脱落也会对转子造成损害。1.2.汽轮机组正常运行对汽封的要求1.2.1汽封漏汽率对机组经济性的影响暂把汽轮机简化成一台单级汽轮机，来分析在通流部分作功的蒸汽和汽封漏汽量对机组经济性的影响。在每一级静叶中，通过隔板的流量GJ=总流量G -隔板汽封漏汽量GZ。静叶出口的焓值为H，隔板漏汽为等焓过程，出口焓值为H0。静叶出口焓H1=(GJH+ GZH0)/G，隔板汽封漏汽量GZ越大，H1越高。在每一级动叶中，在动叶中作功的流量Gd =总流量G 动叶汽封漏汽量Gy。作功后动叶出口焓为HN，则动叶后总混合焓为：H=(GdHN+ GyH1)/G，动叶汽封漏汽量GY越大，H越高。设级后压力不变，在理想焓降不变的情况下，隔板和动叶汽封漏汽量越大，级有效焓降越小，级效率越低。动叶隔板叶轮静叶转子隔板套GjGgGdGyP0、T0P1、T1P、TG, HP0,H0 S0GN, HNP1P0HGLPGZGyGjGdH1通流部分动静叶结构和热力过程线见下图： 综上所述，在不改变通流部分叶形的情况下，降低各处的漏汽量，是提高汽轮机效率的有效方法。1.2.2影响汽封漏汽量的因素1.2.2.1汽封原理梳齿式汽封的密封原理为“多级节流膨胀”。轴封的漏汽量由下列数学式来计算：. 当蒸汽从轴封顺次通过轴封的齿隙漏出来，如果蒸汽通过每一道汽封环阻汽后其圆周运动速度小于临界速度，其漏汽量符合下列计算：G1A 式中的G为汽封蒸汽泄漏量；A为汽封间隙面积，Z为汽封环齿数；P00为进入轴封前蒸汽压力、比容；g为重力加速度, Pz为轴封蒸汽压力。为蒸汽周向运动阻力系数。. 如果汽封内的蒸汽周向运动速度达到或超过临界速度，其蒸汽的泄漏量则按下列计算：G2A .1.2.2.2影响汽封漏汽量的主要因素影响汽封漏汽量的主要因素有A汽封漏汽面积，汽封前后压差P0，汽封齿数Z、汽封阻尼系数。汽封前后压差P0由通流部分决定。因此，减小汽封漏汽量的主要工作，一是减小汽封漏汽面积，即动静部件之间间隙；二是改进汽封结构，增加汽封的阻尼系数。1.3汽轮机组动静部件碰磨的危害1.3.1对机组安全性的影响l 动静部件碰磨会引发转子振动，又反过来加剧动静部件碰磨，进一步加剧转子的振动。l 强烈的振动会导致转子上零部件松动、脱落。l 汽封对转子的磨擦作用会导致转子损伤。l 汽封对转子的局部磨擦作用会导致受摩擦点受热膨胀变形，造成转子热弯曲。转子发生热弯曲之后，又反过来加剧动静部件碰磨和转子的振动。l 严重时会导致转子弯曲或汽轮机通流部分零部件损坏重大事故。1.3.2对机组经济性的影响 动静部分发生磨擦之后，会使汽封间隙变大，影响机组正常运行时的经济性。 部分机组在启停机过程中通过临界转速时，发生轻微碰磨后， 能够通过临界转速而启停机成功。但这种因磨擦导致的汽封间隙变大是不可逆的，汽轮机组的经济性随着启停机次数的增加而加速衰退。2. 汽轮机运行的基本特点对汽封技术的要求2.1汽轮发电机组的工作状态和基本特点汽轮发电机组的工作状态有检修状态、冷备用状态、热备用状态、启动过程、运行状态、停机过程、事故状态等等。除了检修状态外，基本上可以分为二种：2.1.1启停机和静止状态：这是机组并网发电运行必须要经过的过程：1）不会因磨擦引发较大的振动，安全地通过临界转速而顺利启停机。2）在热态停机时，保持较大的汽封间隙，给投盘车等运行操作处理留有足够的时间，减少热弯曲导致动静间隙消失而造成事故发生概率。3）不会因启停机时发生磨擦而将比较小的汽封间隙磨大。使长期正常运行时将汽封间隙保持较合理的间隙，使轴封漏汽量达到最小。减缓机组经济性的衰退。4）机组在启停机和正常运行中汽封间隙不发生磨损，可减小下次机组检修的工作量，节约检修成本。2.1.2并网发电运行状态：这是设备创造效益的必然需要：只有在长期的并网发电过程中，保持比较小的汽封间隙，并能够有效减缓机组经济性的衰退，汽轮发电机组才能够发挥最大的经济效益。2.1.3汽轮机汽封安全间隙和经济间隙的关系状态持续时间对间隙要求目的1启停机和停机状态短暂各部位动静间隙应保持比较大的安全间隙实现顺利启停机2并网运行状态长期各部位汽封能够保持比较小的经济间隙以满足汽轮发电机组高效率运行汽轮机汽封安全间隙是经济间隙的3-5倍。2.2满足汽轮机最佳运行状态对汽封的基本要求2.2.1 根据汽轮机组运行状态，自动改变汽封间隙比较科学的汽封应能够自动根据汽轮机组启停机和正常运行二种运行状态，改变汽封间隙，同时分别满足二种状态下所需的安全间隙和经济间隙。 2.2.2 汽封材料比较软汽封采用比较软的材料加工，在万一发生碰磨时，汽封齿比较容易磨掉，以保护转子不受到损伤。2.2.3 汽封的结构比较合理，提高汽封的阻尼系数。汽封采用比较合理的结构，提高汽封的阻尼系数，在相同间隙下，漏汽量更小。3.汽封产品的分类3.1 针对汽轮机组运行状态对汽封间隙的要求，根据汽封的工作原理进行分类： 自动改变间隙式汽封：简称自变间隙式汽封。它能够根据汽轮机组运行的不同状态，自动调整汽封间隙。目前市场上自变间隙式汽封主要有：美国布莱登汽封公司生产的布莱登汽封、西门子公司生产的自调整刷子汽封和韩国TurboCare公司的收放式刷子汽封。他们都能够根据机组运行状态，靠汽轮机内部参数变化情况自动改变汽封间隙。 非自动改变间隙式汽封：简称定间隙式汽封，它不能根据汽轮机组运行的不同状态，自动调整汽封间隙。3.2根据汽封发展情况分类根据汽封的发展情况，将汽封分为传统型汽封和改进型汽封。目前市场上非自变间隙式汽封主要有：梳齿汽封、蜂窝汽封、接触式汽封、刷子汽封、柔齿式汽封、铁素体汽封、浮动齿汽封、东汽DAS汽封，以及各种汽封的组合式汽封。4.结论4.1 汽轮机各部位汽封最佳组合方案的参考标准：4.1.1 能够根据汽轮机组运行状态，自动改变汽封间隙比较科学的汽封应能够自动根据汽轮机组启停机和正常运行二种运行状态，改变汽封间隙，同时分别满足二种状态下所需的安全间隙和经济间隙。 4.1.2 汽封材料比较软汽封采用比较软的材料加工，在万一发生碰磨时，汽封齿比较容易磨掉，以保护转子不受到损伤。4.1.3 汽封的结构比较合理，提高汽封的阻尼系数。汽封采用比较合理的结构，提高汽封的阻尼系数，在相同间隙下，漏