330MW机组刷式汽封技术应用研究
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【摘 要】根据国家节能减排要求，部分电厂为降低汽轮机组发电煤耗对机组汽封系统进行改造，改造的形式有，梳齿汽封重新调整间隙；蜂窝汽封改造；增加J型密封齿圈数改造；布来登汽封改造；刷式汽封改造等，改造结果有的达到了预期效果，也有的没达到预期效果，还有因碰磨严重需进行揭缸处理的。我厂三十三万千瓦机组节能改造选用刷式汽封，节能效果比较理想，机组经过8小时的启动磨合后顺利运行，因汽封改造降低发电煤耗约5g/kwh左右。说明在改造过程中从选择刷式汽封类型到汽封结构设计是正确合理的，这种分析方法也可对其它电厂同类型技术改造有一定借鉴作用。
【关键词】刷式汽封 ；技术；应用
0.引言
达拉特发电厂330mw汽轮机是北京汽轮机厂与法国阿尔斯通公司合作生产的机组，型号：T2A-330-30-2F-1080。汽机高、中、低压缸的工作效率设计值分别是84.65%、91.66%、86.13%。实际运行中各缸的效率比设计值低2-3%，我厂机组汽封改后，高、中缸的效率达到84.864%、92.328%[1]、低压缸效率达到85.89%[2]，比修前分别提高2.354%、1.797%、1.42%，高、中压缸改造后煤耗降低了约3g/kwh。低压缸改造后煤耗降低了约2g/kwh，以上计算的节煤量是按西安热工研究院有限公司提供试验报告中的数据进行计算[3]，数据显示，机组各缸效率变化1%对机组热耗影响如下：高压缸影响17.30kJ/（kW.h）；中压缸影响20.02kJ/（kW.h）；低压缸影响36.19kJ/（kW.h）。通过计算汽封改造使得机组发电煤耗低了5g/kwh左右。这种效果是比较理想的，说明我们选用刷式汽封进行提效改造是成功的，下面就改造过程中对汽封结构选择和工艺设计进行分析。
1.汽轮机通流间隙对汽缸效率的影响因素
现在通过检修来提高汽轮机汽缸效率的方法主要是减小汽轮机通流部分的动静间隙，减小间隙就可减小间隙的漏汽量。
根据缝隙流量计算公式[4]，Qj=qj（ps-p）/η，qj=bjhj3/（12Lj）。Qj-缝隙流量；qj-流量因数；ps-汽封前压力；p-汽封后压力；η-流体粘度；bj-缝隙长度；hj-缝隙高度；12Lj -缝隙厚度。
经以上公式分析，我们减少汽轮机汽封漏汽量的主要方法就是减小汽封缝隙高度hj和增加缝隙厚度Lj，其中减小汽封缝隙高度hj效果更加显著，但hj、Lj受设备结构和运行状态的限制，不可能做到理想状态。
2.汽轮机通流间隙的密封形式及特点
汽轮机通流间隙包括叶顶间隙和隔板间隙，一般间隙密封的方式有非接触式刚性密封和柔性密封，刚性密封的结构形式有梳齿汽封；蜂窝汽封； J型齿密封；布来登汽封等。柔性密封的形式主要是刷式汽封。刚性密封的梳齿汽封如图一，柔性密封刷式汽封如图二。刷式汽封是一种柔性密封，结构由前面板、后面板和夹装在两者之间的高密度高温合金细金属刷丝构成，刷丝沿转子旋转方向有一定的倾角，以便更好吸收转子在径向移动的偏移量。
刚性汽封要求在运行中，如汽封齿与转子碰磨，汽封齿必须很快磨损，而且不能产生过多的热量，否则因两个刚体碰磨严重，转子产生热弯曲，发生异常振动现象、转子永久变形等安全问题。柔性刷式汽封能适应转子的瞬间径向变形和偏心运动，甚至在零间隙接触的情况下也不会产生过多热量，因此能做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙。
3.影响汽轮机通流间隙的因素
汽轮机作为大型旋转设备，影响通流间隙的因素比较多，如转子的加工误差；转子运行中的振动和变形；转子过临界转速的增幅振动；转子轴承油膜变化；转子弯曲度变化；汽缸各滑销间隙热位移[5]；汽封间隙的调整误差；大部件冷热态变形等，以上原因综合导致运行中的转子中心与汽缸中心并不在同一条中心线上，根据我们检修时测量运行过后机组的通流间隙，间隙值基本都在制造厂家设计值的上限，即使安装时我们把间隙值调整到下限，但运行后间隙也要增加到上限值范围，特殊情况时，间隙值还要更大，一般厂家在小直径旋转部件上的单边间隙设计值为0.4-0.7mm，大直径旋转部件的单边间隙设计值为0.9-1.15mm。
为保证机组安全运行，刚性汽封不允许有严重碰磨，因此汽封齿的厚度不超0.5mm，汽封的间隙不小于下限值，实际运行时汽封经过磨损，间隙都已达到上限值。每次机组启动都会使汽封齿造成永久性磨损，而且密封间隙也成倍增加。也就是说，我们精心调整好的汽封间隙很有可能在机组的第一次起动时就被磨大了，对老机组而言，这种情况更明显。因此仅仅通过更换传统的刚性汽封并不能提高机组效率。
柔性刷式汽封允许刷毛与转子接触，刷毛有较好的弹性退让，短时的摩擦不会损伤刷毛，也不会使转子产生严重的热弯曲变形，刷式汽封间隙的最大值可调整到0.2mm，因刷毛有弹性，安装测量不需很精密，所以大部分刷毛与转轴已有接触。当设备运转到热态，转子移动稳定后，中心线发生了位移，刷毛会随着转轴偏移，因此汽封间隙也不会增加多少。刷毛厚度可做到1.0-1.5mm，摩擦时也不会产生较多热量，运行时有较好的密封性。
4.刷式汽封的结构特点
为使刷封有较好的弹性退让、耐磨性、密封性，刷式汽封设计时应有以下特点。
（1）刷丝采用直径为0.05～0.07mm 的钴基高温金属，刷丝角45-60度。保证刷毛具有低脆性、高韧性，运行过程中不折断，有较好的弹性退让能力。
（2）下游环保护高度为1.0～1.5，每根刷丝就是一端为支点的悬臂梁，有着极好的弹性，它们和转子相碰磨时，刷子可以弹性退让，不易被磨掉，保证了机组在小间隙 甚至零间隙下的安全运行。下游环保护高度不宜过小，如过小，当刷毛退到下游环与转子之间时，易形成刚性接触，会导致转子剧烈振动。上游环高度不宜过高，以免过度夹紧刷毛影响刷毛退让。
（3）刷丝厚度1.0-1.5mm，刷丝密集度 90～180根/（在圆周方向），刷封间隙可做到零间隙，刷毛间隙和厚度可保证高性能的密封功能。刷丝厚度不宜过大，以防影响转子密封凸台的轴向位移，另外，刷丝厚度过大也会产生过多的热量，对转子安全运行不利。
5.刷式汽封的使用优点
（1）柔性刷封比刚性汽封的安装精度要求低，尤其运行时间比较长的机组，表面腐蚀、氧化严重，不宜控制尺寸精度，刚性汽封只能以放大间隙保证安全。而刷式汽封可以将间隙做的比较小，甚至是过盈接触，工作难度低，适合现场施工。在小间隙汽封改造中，刷式汽封更容易安全启动。
（2）刷式汽封效率高，刷封和转子相碰磨时，刷毛可以弹性退让，不易被磨掉，保证了机组在小间隙 甚至零间隙下运行，可见刷式汽封比常规汽封具有较好的可持续密封性。 因此，刷式汽封可以更好的提高汽轮机的效率。
（3）刷式汽封泄漏量小，其结构原理是密封使介质泄漏发生在密集排列的细金属丝之间形成的微小缝隙中，这些缝隙所形成的曲折路径保证了流体不均匀流动，使流体产生了自密封效应，从而保证汽封有较少的泄漏量。
当然，过度的接触密封会产生过多的热量。另外，普通单级刷式汽封的前后工作压力不能过高，压力过高会影响密封效果，一般低于0.5MPa。
6.刷式汽封改造方案
因原机组的隔板汽封是迷宫式梳齿汽封，改造工艺比较简单，所以我们只对隔板汽封进行改造。原机组叶顶汽封是J型齿密封阻气片式的，改造起来比较困难，因此只对其进行间隙调整。
刷式汽封改造范围：高压缸隔板10级；中压缸隔板11级；低压缸前后隔板4级和低压轴封汽封。每一级汽封只安装一道刷式汽封，示意图如下图三，结构图如图四。
7.机组启动措施
因刷式汽封与转轴有接触部分，启动中会对转子一定热影响，转子振动值有升高现象，所以启动中需要进行磨合运转。磨合转速分临界转速以下和临界转速以上两个阶段，以振动值不超机组规定值为易。根据我们启动经验，总磨合时间不超过8小时。
8.结束语
我厂三十三万汽轮机组刷式汽封改造后，机组运行平稳，发电煤耗降低了5g/kwh左右，每年可节约燃煤费用250多万元，经过1.2年时间就可收回投资。节约燃煤也可减少粉尘、SO2、NO化物的排放，对环境保护也起到积极作用。本次汽封改造后节能效果比较好，已达到甚至超过设计值，如想再提高汽封的节能效果就很困难了，而且工程造价也会大幅度上升。
刷式汽封节能效果显著，工艺简单，现场安装要求低，机组不易出现运行故障，适合老旧机组的改造，适应范围广，改造工作容易实施。刷式汽封的种类比较多，我们选择时要注意刷丝的材料、形状、焊接形式，刷毛密集度，刷毛厚度，刷封结构等，选择要有利于机组的安全和节能性能。
梳齿汽封减小密封间隙，就会引起机组磨擦振动，常常导致汽封齿磨损，而且过小的间隙也会导致转子的严重弯曲变形，给机组带来很大的安全隐患，同时其密封性能随着启动和工况变化次数增加而下降，汽轮机的效率也随之下降。刷式汽封的接触部位可根据磨擦的受力做相应的弹性退让，不易被磨损，达到了既保持汽封的小间隙，又避免了磨擦振动的发生，待机组稳定之后，刷封在弹性的作用下又恢复其良好的密封性能。刷式汽封通过减少密封间隙起到密封汽流作用，达到了长期节能的目的，也延长刷式汽封的寿命，从而持久获益。本次刷式汽封技术成功应用，说明这种技术适应性比较广，适合老旧机组节能改造，也增加了汽轮机节能改造的途径。 [科]
【参考文献】
[1]马修光，韩建春，李燕平.达拉特发电厂#3汽轮机大修后热力试验报告[S].呼和浩特：内蒙古电力科学研究院，2014：6-7.
[2]都明亮，赵金峰，赵明亮.达拉特发电厂综合升级改造实施后3号机组性能测试暨实施效果报告[S].长春：吉林省电力科学研究院有限公司，2014：24-26.
[3]王伟峰.达拉特发电厂7号汽轮机通流改造前性能试验[S].西安：西安热工研究院有限公司，2014：3-4.
[4]徐灏，邱宣怀，蔡春源.机械设计手册[S].北京：机械工业出版社，2001：40-56.
[5]席洪藻，王培基，刘恕义.汽轮机设备及运行[M].北京：水利电力出版社出版，1988：268-275.