侧齿汽封在汽轮机汽封改造上的应用

侧齿汽封在汽轮机汽封改造上的应用

赵新成

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：本文结合中国石油化工股份有限公司某炼化分公司汽机装置的1#汽轮机概况，分析侧齿汽封特点，在此基础上，提出侧齿汽封的应用和改造效果。

关键词：侧齿汽封，汽轮机，汽封改造

机组安装时轴封间隙控制过大、运行一段时间后蒸汽吹损使得轴封间隙变大、轴封结构设计落后和各轴封齿材质受技术水平限制等原因均会造成轴封系统漏汽而无法形成自密封。为了保证低压缸真空度，需向轴封系统持续供汽，这样不但提高了良好品质蒸汽的损耗，也增加了油中进水的可能性。轴封漏汽也因此成为影响各个企业安全可靠运行和节能降耗的重要因素。

1传统汽封的使用情况

中国石油化工股份有限公司某炼化分公司汽机装置的1#汽轮机为南京汽轮机厂制造的B6-35/10型背压式汽轮机组，1992年6月进厂，同年11月投入运行，主要承担厂内自发电及供给炼油、化工生产系统用汽。该机组的额定功率为6000kW，主蒸汽进汽压力为3.5MPa、进汽温度435℃，排汽压力1.0MPa、排汽温度295℃，转速3000r/min，由一个双列速度级和4个压力级组成，汽封系统采用的是传统的迷宫式梳齿汽封。梳齿汽封的汽封环梳齿高低相间，形成了多次曲折，对气体形成了较大的阻力，且汽封环被弹簧片支持着，可随外力的大小做自由伸缩、径向退让，即使转子与汽封环发生摩擦，运行时也不会产生大量的热而危及转子的安全。但是，由于疏齿汽封的齿间是环形腔室，环向流动大大减小了涡流降速效果，导致其阻汽效果较差，蒸汽泄漏量较大（约2T/h），并且泄漏流量随着压力差的增大而急剧上升，密封效率也急剧下降。运行10多年来，漏汽量一直比较大，通过几次大修，都无法消除机组漏汽量大的问题，严重影响了后部炼油、化工生产系统的稳定。而且，由于轴端汽封漏汽量大，泄露的蒸汽易进入油系统，使透平油乳化严重，每月都要进行多次放水并补充新油，有时甚至需更换整个机组的透平油，平均每年的补充油可达4吨以上，不仅油耗大，而且运行不安全。

理论分析与实践证明，传统的迷宫式梳齿式汽封要达到好的密封效果，必须做到以下几点：（1）汽封齿尖越尖越好；（2）汽封齿的数量越多越好；（3）汽封与转子的间隙越小越好。其中（1）、（2）由于空间位置及加工工艺等因素的影响现实中很难做到，而汽封与转子的间隙越小，汽封对轴振的干扰与影响就会越大，尤其在机组启停过程中，转子的振动随随转速上升而加大，过临界转速时达到了最大，转子的振幅通常会超过汽封的间隙值。因此，采取增加密封圈数及加大密封间隙的方法来设计梳齿汽封可解决一定的问题，但运行一段时间后由于汽封的磨损问题，漏汽量会逐渐加大，汽耗成本增大。

随着汽轮机设计制造技术的不断提高以及国外先进技术的引进，已出现了蜂窝汽封、自调整汽封（布莱登汽封）、侧齿汽封、刷子汽封等新型的汽封结构型式，这些新型的汽封结构改善了汽封密封的性能，为汽轮机组的经济安全运行提供了新的保障。

2侧齿汽封特点

2.1侧齿汽封密封原理

（1）热力学效应：气流流过密封齿进入腔室形成强烈的漩涡，部分动能转化为热能，被腔室中的气流吸收而升温，焓值不变，剩余动能仍以余速进入下一间隙。腔室越大，密封效果越好。（2）流束收缩效应：流体通过迷宫缝口会因惯性的影响而产生收缩，流束截面变小，因此会产生能量消耗。同样宽度的缝隙，缝口的形状越尖，流过的流体越少。（3）摩阻效应：流道表面越粗糙，密封效果越好。流体沿流道的沿程摩阻和局部摩阻构成摩阻效应，一般是：流道长、拐弯急、齿顶尖时阻力大，压差损失显著，泄漏量减小。（4）透气效应：透气效应的存在严重影响梳齿式汽封的密封效果。在一般直通迷宫中，由于通过缝口后的气流只能向一侧扩散，在膨胀腔室内不能充分进行动能向热能的转换，而靠光滑壁一侧的气流速度不减小或只略微减小，就直接越过齿顶流向低压侧，这种一掠而过称为透气效应。透气效应的存在是造成传统梳齿式汽封密封效果不理想的主要原因，据国外文献测算的数据，由它导致的泄漏占传统梳齿式汽封整体泄漏量的90%左右。

换句话说，将有利的因素尽量放大，杜绝或大大减少不利因素，整体性能才会提高。侧齿汽封增加侧齿和底齿后相当于：腔室容积增大———热力学效应增强；侧齿汽封工艺可以将齿尖加工到0.3mm———流束收缩效应增强；附加流道中的阻力———摩阻效应大大提高；改变了原有光滑腔———透气效应被杜绝或大大降低。

2.2侧齿汽封优势

侧齿汽封是在迷宫汽封节流过程以外再加上涡街阻汽过程。涡街阻汽过程是在汽室内部人为增加沟槽及障碍物，使蒸汽产生小涡流形成涡街。该场中涡街不能自行产生，也不能自行消失。蒸汽进入汽封齿后面的汽室，产生具有动能的涡街并相互碰撞摩擦，使动能全部消耗转化为热能，蒸汽流速转化为涡街流速，一方面使流出汽室的气流速度最低，另一方面使外部高压蒸汽进入汽室能力降低。这是侧齿汽封的主要工作原理，也是侧齿汽封性能优于梳齿汽封的原因。

图1迷宫式梳齿汽封示意图

图2侧齿汽封示意图

3侧齿汽封的应用和改造效果

3.1侧齿汽封的应用

结合1#汽轮机装置的实际情况，从经济和安全性的要求综合考虑，在不改变原有汽封与汽封套的配合结构，轴套与轴的配合结构的基础上，从迷宫腔内部结构入手，打破常规齿型轴封的高低齿结构，在汽封体的侧面和底面同时加工出许多细小的齿，将单一腔室内分割成多份。这样相当于在有限的空间内加大了迷宫腔的大小，提高了蒸汽在相同长度的轴封段内泄露时的摩阻效应。齿尖个数增加，路径复杂，热力学效应和摩阻效应极大地增加，蒸汽在侧齿迷宫腔内涡动的动能可以更彻底转化为热能，密封效果有显著提高，结果如下图1、2所示。

由图2可以看出，在每个梳齿的侧面和底槽最少增加了4个侧齿，加上主汽封齿，在每个腔体内最少有5个阻汽齿，即原每道汽封主齿的压降增加约5倍，而流出汽封主齿的蒸汽流速只有原来的1/5多，相当于将原梳齿汽封的透气效应降低了80%。通过汽封系统的改造，有效阻止蒸汽泄漏，降低级间漏气损失，汽耗得到了有效控制，提高了机组效率。

3.2改造效果

对机组全面大修改造后，经试车运行各轴承的振动良好，最大振幅降到了0.03mm以下，在机组正常运行的情况下，密封效果大大提高，汽封系统漏汽量大大降低，每小时可节约蒸汽8.25t，机组效率明显提高。经测试，改造后与改造前相比，在主蒸汽流量70t/h、背压0.85MPa的情况下，1#发电机的负荷由原来的4416kW上升到4507kW，每小时多发电91kW。在其他工况不变的情况下，按改造后1#发电机的实际工况来算，全年可多发电365×24×91=79.72万KWh，按0.6元/度计算，每年因机组效率提高，可多创利润79.72×0.6=47.8万元。

改造后，由于轴端汽封的漏汽量得到了有效控制，油系统基本无蒸汽漏入，透平油乳化现象明显减少，不但降低了油耗，延长了透平油的使用周期，改善了机组的润滑效果，机组运行的稳定性及可靠性也得到了保障。

综上，某炼化分公司通过低压缸轴封侧齿汽封改造，在保证机组安全稳定运行的基础上，实现了较好的经济效益，可为新机组建设和同类型机组改造提供借鉴。

参考文献：

[1]杨人玮.汽轮机汽封改造的可行性分析[J].中国科技投资，2017年25期

[2]魏翠.试论汽轮机汽封的技术改造[J].大科技，2018年8期