汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究_倪定

第 39卷 第 4期 2010年 12月 热 力 透 平 T HERMALT URBI NE V o l 39 N o 4 D e c 2010 汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究 倪 定 1 沈国平 2 1 华电电力科学研究院 杭州 310030 2 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂 上海 200240 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 根据汽轮机工作在各种运行状态下转轴径向运动的特点 分析研究汽轮机组在安装 运行两种状态下 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 关键词 汽轮机 蜂窝汽封 布莱顿汽封 刷子汽封 泄漏量 中图分类号 T K263 6 文献标识码 A 文章编号 1672 5549 2010 04 0243 05 R e s e a r c ho f S e a l A p p l i c a t i o nf o r S t e a m T u r b i n e s N I D i n g 1 S H E NG u o p i n g2 1 Hu a d i a nE l e c t r i cP o we rR e s e a r c hI n s t i t u t e Ha n g z h o u310030 C h i n a 2 S h a n g h a i E l e c t r i cP o w e r Ge n e r a t i o nE q u i p me n t Co L t d S h a n g h a i T u r b i n eP l a n t S h a n g h a i 200240 C h i n a A b s t r a c t D u et ot h ed i v e r s i f i c a t i o no ft u r b i n es e a lt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t p o w e rp l a n t sf a c et h ep r o b l e m a b o u t h o wt os e l e c t v a r i o u s s t e a ms e a l d u r i n gt h ee n e r g y s a v i n gr e t r o f i t A i m i n ga t t h ep r o b l e m t h i sa r t i c l ea n a l y z e s t h es h a f t r a d i a l mo t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e r a l l r u n n i n gc o n d i t i o n sa n dc h a n g i n gr u l eo f s a f ec l e a r a n c ea n de c o n o m i c c l e a r a n c ed u r i n gt h ei n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o n i n t r o d u c e s ac l a s s i f y i n gme t h o do f v a r i o u st u r b i n e s e a l s a n dp r o v i d e s g e n e r a l p r i n c i p l e sa n dr e f e r e n c es t a n d a r df o r s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l s e l e c t i o no f t u r b i n es e a l a t t h ed i f f e r e n t p o s i t i o n s Ke yw o r d s s t e a mt u r b i n e h o n e y c o mbs e a l B r a n d o ns e a l b r u s hs e a l l e a k a g e 收稿日期 2010 07 06 修订日期 2010 08 15 作者简介 倪定 1954 男 毕业于上海电力学院 大专 高级工程师 长期从事汽轮机组的运行 检修和技术管理工作 以及汽轮机组 和热力系统节能优化改造 沈国平 1961 男 西安交通大学生毕业 研究生 高级工程师 长期从事汽轮机组的设计等工 作 自汽轮机诞生以来 汽轮机通流部分各汽封 和轴端汽封基本上全部采用传统的梳齿式汽封 不存在选型问题或改进余地很小 近十多年来 国内外在改善汽封设计技术 降低汽封漏汽率方 面进行了大量的研究和实践 目前可选择的汽封 有十多种 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 根 据汽轮机组各部位汽封的具体结构 参数和运行 特点 选择最佳的汽封产品 进行汽轮机各部位 的选型的最佳组合 使汽轮机效率最高风险最 低 是摆在电厂面前的重大课题 本文从汽轮机 运行的特点 动静部件间隙的变化规律出发 研 究制定一套汽封技术和产品选型的安全经济性 评估方法 以及汽轮机组各部位汽封选型的最佳 组合方案 1 汽轮机运行特点和动静部件径向 间隙的变化规律 常规火电汽轮发电机组并网运行的工作转速 为 3000r m i n 高于各转子的一阶临界转速 机组 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 停机 并网 带负 荷等各种情况下安全运行 还要在电网事故或机 组本身异常状态下安全退出运行 然后才考虑在 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与静止部件变形的变化 规律 243 DOI 1 0 1 37 07 j cn ki 3 1 19 22 th 2 01 0 04 00 7 第 4期汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究 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 工作转速下轴承处的转轴位移量 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值划分为 4 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 根据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 64 m 制造厂在设计汽封间 隙时在考虑一定的安全余量 一般取 75 m 一些 制造厂取值更加保守 取值超过 100 m 1 1 2 临界转速下轴承处的转轴径向位移量 众所周知 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 127 m 1 2振动峰峰值 1 1 3 汽轮机转子静弯曲和低转速下的动弯曲 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 当转子 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 图 1 轴弯曲分布 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 前汽轮机盘车装置设计转速为 3r m i n 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 3 m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 可忽略不计 低速下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 m n 2 r 对转轴的影响非常小 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 上符合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 图 2 转子一阶振型图 2 汽轮机转子过临界转速时的动弯曲 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 两 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 图 3 转子二阶振型图 1 1 5 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 76 m以内 244 汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究热力透平 大约在 30 50 m居多数 好的机组可以达到 10 m 以内 汽轮机组的工作转速一般要高于临界转速一 定范围 转子的振型为两个拐点以上的曲线 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 可以用转子两 侧轴承处的实测的轴位移的平均值来近似估算 图 4 工作转速下的转子振型图 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 25 m 另外 汽轮机正常运行后 转子将比静止状态 下抬高约 5 8 m 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 通流部分动静叶热力过程线如图 5所 示 在每一级静叶中 通过隔板的流量 GJ G G Z 式中 G 为总流量 GZ为隔板汽封漏汽量 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 GJ H GZ H0 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 图 5 汽轮机级内作功过程线示意图 Gd G Gy 式中 Gy为动叶汽封漏汽量 作功后动叶出口焓为 HN 则动叶后总混合焓 为 H Gd HN Gy H1 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 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 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 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 强烈 的振动会导致转子上零部件松动 脱落 汽封对转子的磨擦会导致转子损伤 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 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 245 第 4期汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究 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及安全性 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 分为两种 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 减少因 热弯曲导致动静间隙消失而造成事故发生的概 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 机组在长期运行后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 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 表 1 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 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 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 一般来说 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 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 停机和正常运行两种运行状态 改变汽封间隙 同 时分别满足两种状态下所需的安全间隙和经济间 隙 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 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 以提高汽封的阻 尼系数 在相同间隙下 漏汽量更小 3 汽封产品的分类 3 1 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 具体为供 压槽的进汽压力 自动调整汽封间隙 目前市 场上自变间隙式汽封主要有 布莱登汽封 特殊设 计的刷子汽封等 它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 适合于快速启停及预防汽封齿的碰磨 非自变间隙式汽封 不能根据汽轮机组运行 的不同状态 自动调整汽封间隙 如采用板弹簧 的退让式汽封 一般该汽封安装间隙普遍较大 当 机组振动偏大时易产生动静碰磨 接触式汽封 典型汽封有 王常春汽封 刷子 汽封等 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 封和新型汽封 传统型汽封主要有 梳齿汽封 铁 素体汽封 传统退让式汽封 阳伞柄汽封等 新型 汽封主要有 蜂窝汽封 布莱登汽封 接触式汽封 刷子汽封 侧齿汽封及各种新型汽封的组合汽封 等 4 汽封改造选型方案的建议 通过以上分析研究 得到以下汽封选型的建 246 汽轮机组各部位新型汽封选型方案研究热力透平 议 4 1 汽轮机各部位汽封组合方案 1 根据汽轮机组运行状态 能够自动改变 汽封间隙 比较科学的汽封应根据汽轮机组启停机和正 常运行两种运行状态 自动改变汽封间隙 同时分 别满足两种状态下所需的安全间隙和经济间隙 2 选择较软的适合使用温度的汽封材料 汽封采用较软的材料加工 发生碰磨时汽封 齿比较容易磨掉 以保护转子不受到损伤 3 充分考虑汽封的前后压差 采用先进工 艺 合理的设计汽封结构 尽量增加汽封齿数 4 2 制定汽轮机各部位汽封的组合方案的基本 原则 通过对汽轮机组在不同状态下 转轴径向运 动规律的分析 了解汽轮机组安全间隙和经济间 隙的大概范围 用户可参考主机厂或科研机构意 见选用汽轮机各部位的汽封 1 只要结构上符合安装要求 应首先考虑 同时满足两种状态的自调整式汽封 使得机组在 满足安全运行的前提下 机组长期的经济性能够 充分得到保证 2 中压缸后几级的汽封如选用自调整汽封 时 不应只根据设计参数确定汽封前后压差 还应 考虑变工况时是否满足要求 3 在符合安装自调整汽封的部位 如要安 装非自调整汽封 应进行安全性 经济性 风险性 的综合评估 4 低压缸不宜采用自调整汽封 可以采用 其他非自调整汽封 如非自调整汽封具有蜂窝汽 封结构 不宜将蜂窝带的汽封间隙控制标准缩小 太多 以降低对转轴的磨损和伤害的风险 5 新型汽封的总体安装间隙较小 大修过 程更要注意对检修工序和检修工艺的规范 确保 检修质量 1 设备解体后应全实缸测量修前间隙 作为 确定大修后间隙控制标准的参考数据之一 2 设备解体后如汽缸存在张口 应采取适当 的措施予以消除 按规定的方法验收合格 3 如果转子弯曲情况超过制造厂控制标准 应采取直轴等措施予以纠正 确定大修后的间隙 控制标准应参考转子的残余弯曲适当放大 4 在高中低压缸隔板洼窝中心验收合格后 方可进行通流部分径向间隙调整 5 在汽缸张口 转子弯曲 洼窝中心验收合 格后 采用全实缸方法验收汽封径向间隙 6 首次安装新型汽封后 在启停过程中应 加强监测 采用快捷高效的方式通过汽封磨合期 上接第 233页 机压比较小的情况下获得较大的 热效率和比功 以热效率和比功为目标对两种联 合循环进行了优化 分析了回热度及其他参数对 联合循环性能优化的影响 以热效率为目标对联 合循环进行优化时 随着回热度的增加 方案 1和 方案 2的底循环压气机最佳压比均减小 在一定 条件下 方案 1和方案 2的底循环压气机最佳压 比等于 1 即此时底循环压气机可以取消 以比 功为目标对联合循环进行优化时 方案 1的底循 环压气机最佳压比总是大于 1 且回热度对底循 环压气机最佳压比没有影响 方案 2在一定条件 下底循环压气机最佳压比大于 1 底循环压气机 最佳压比随着回热度的增加而减小 本文对构建 新的循环有一定的指导意义 参考文献 1 C h a s eDL C o m b i n e dC y c l eD e v e l o p m e n t E v o l u t i o na n dF u t u r e J G EP o w e r S y s t e m s G E R 4206 2001 2 F r o s t TH A n d e r s o nA A g n e wB AH y b r i dG a s T u r b i n e C y c l e B r a y t o n E r i c s s o n A nA l t e r n a t i v e t o C o n v e n t i o n a l C o m b i n e d G a s a n dS t e a m T u r b i n eP o w e rP l a n t J P r o c I n s t n M e c h E n g r s 1997 211 A 2 121 131 3 F u j i i S K a n e k o K T s u j i k a w aK M i r r o r G a s T u r b