600MW汽輪機高壓缸進汽插管改造節(jié)能分析

1、600mw汽輪機高壓缸進汽插管改造節(jié)能分析王 熱1， 李 忠1，于曉龍2，馮順利3（1天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司，天津市 薊縣 301900；2浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315722；3大唐國際發(fā)電股份有限公司陡河發(fā)電廠，河北 唐山 063028）摘 要：介紹了國產600mw汽輪機高壓缸排汽溫度偏高，根據異?，F(xiàn)象分析原因，并制定出高壓缸進汽插管改造的方案及節(jié)能分析。關鍵詞 高壓缸； 排汽溫度 ； 分析； 改造方案； 節(jié)能with advanced sealing type for admission pipe of hp tubine instead of laggar

2、d sealing type for admission pipe of hp tubine in 600 mw turbine, energy saving analysis.wangre1,lizhong1，yuxiaolong2，fengshunli3 (1. tianjin datang international panshan power generation co.ltd., jixian 301900,china;2. zhejiang datang wushashan power generation co.ltd, ningbo 315722,china;3. datang

3、 international douhe power generation，tangshan 063028, china;)abstract: this paper introduces the analysis of exhaust steam temperature rising of hp tubine in 600 mw turbine，puts forward a appropriate solution，energy saving analysiskey word: hp tubine；exhaust steam temperature;analysis;appropriate s

4、olution; energy saving 1 汽輪機概況天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司（以下簡稱大唐盤電公司），三、四號汽輪機；選用哈爾濱汽輪機廠有限責任公司引進美國西屋技術制造的n600-16.7/537/537/-i型，亞臨界中間再熱、四缸四排汽、單軸、反動式凝汽汽輪機。機組軸系由高壓轉子、中壓轉子、低壓轉子、低壓轉子、發(fā)電機轉子、勵磁機轉子組成，各轉子之間均采用法蘭式聯(lián)軸器連接，由上述轉子組成的轉動部分由安裝在中軸承箱內的1個推力軸承定位，并且由11個軸承支撐。高、中壓轉子采用4瓦塊可傾瓦軸承支撐；低壓轉子前軸承、低壓轉子前軸承采用2瓦塊（下半）可傾瓦軸承，另2個采用4瓦塊可傾瓦軸

5、承支撐；發(fā)電機及勵磁機轉子采用2瓦塊（下半）可傾瓦軸承。汽輪機的控制系統(tǒng)采用上海新華控制工程公司的deha電液調速系統(tǒng)，機組設置12個油動機，分別控制2個高壓主汽閥，4個高壓調速汽閥，2個中壓主汽閥，4個中壓調速汽閥。大唐盤電公司三號機于2001年12月18日投產，四號機組于2002年6月5日投產。自投產之初高壓缸排汽（再熱冷段）溫度高于汽輪機設計值，并隨著投運的時間增長而不斷升高。負荷600mw，最高達到334，平均在328，汽輪機高壓缸排汽（再熱冷段）額定設計值314.4,由于流量較大(額定流量為1644.77t/h)，熱耗損失明顯，必須給與足夠的重視和治理，以便提高汽輪機組經濟性。2 高

6、壓缸排汽溫度偏高原因分析影響高壓缸排汽溫度升高的主要因素：（1）、高壓缸進汽插管部位密封泄漏；（2）、高壓缸內缸外壁的傳熱；（3）、噴嘴室蒸汽經噴嘴室4道汽封漏泄到平衡室，又經5道平衡環(huán)汽封泄排到內外缸夾層，最終匯到高壓缸排汽的泄漏蒸汽；第（2）條，高壓缸內缸外壁的傳熱；可以認為是絕熱系統(tǒng)，溫差較小傳熱予以忽略不計；第（3）條，噴嘴室蒸汽（參數487，11.8mpa），經過9道汽封減阻，溫度、壓力已經接近高壓缸排汽溫度泄量較小，影響微小，可以予以忽略不計；再到第（1）條，高壓缸進汽插管部位密封泄漏；需要對高壓缸進汽插管密封結構進行一下說明：高壓缸進汽插管密封結構采用的是活塞環(huán)結構，活塞環(huán)設計為

7、臺階插口搭接的彈性環(huán)體形式。彈性環(huán)體的切口是在加工成環(huán)體最后的工序完成的，在實際生產過程中由于生產的工序較多，很難控制其最終的幾何尺寸，切口部位密封泄漏很難完美保證。在汽輪機實際運行中，就很難保證活塞環(huán)的正常密封性能，主蒸汽（537，16.7mpa）通過活塞環(huán)的外圓側和臺階插口搭接處流入下一個活塞環(huán)，經過3道活塞環(huán)的截流減壓，最后漏入內外缸夾層中，和高壓缸末級排汽混合后，形成高壓缸的排汽（即再熱冷段，實測328）。造成2段抽汽超溫（2段抽汽取自再熱冷段），4機2段抽汽600mw時，設計壓力3.618mpa，溫度314.4；實際壓力3.53mpa，溫度328，超溫達14?；钊h(huán)式密封是一種迷宮式

8、密封，高溫高壓主蒸汽介質在切口和軸向、徑向間隙中多次被節(jié)流，最終達到密封的效果，節(jié)流是明顯的，泄漏是不可避免的，從超溫的情況看泄漏量相對較大。從上可以看出高壓缸排汽溫度升高的主要因素，是高壓缸插管的密封處高溫高壓蒸汽泄漏所致，此處是汽輪機壓力溫度最高的部位（537，16.7mpa），它的泄漏影響也是最大和最需要關注的。高壓缸插管改造前密封結構（見上圖）。3 進汽插管的基本密封原理 進汽插管為與外缸采用柔性裙結構焊接成一體，插管插入內缸或噴嘴室，并在該區(qū)域設有密封件。密封種類屬接觸型動密封，密封件與噴嘴室內孔或進汽插管外圓側保持較小的徑向間隙，建立密封隔離功能，并與相反側保持較大的間隙，以便汽輪

9、機運行中內外缸間出現(xiàn)軸向脹差時密封件能隨動自位調整，避免卡阻及造成對進汽插管或噴嘴室的附加力和力矩。密封件可沿插管軸向滑動，以適應內外缸間垂直脹差。密封件密封面徑向間隙可表述為：y=y1-y2 其中:y1 噴嘴室/密封件的膨脹量y2 密封件/進汽插管的膨脹量y1=1（t1-t0）r1y2=2（t2-t0）r21 噴嘴室/密封件的線膨脹系數2 密封件/進汽插管的線膨脹系數2 密封件/進汽插管的線膨脹系數t1 噴嘴室/密封件的工作溫度t2 密封件/進汽插管的工作溫度t0 冷態(tài)室溫r1 噴嘴室/密封件的密封面半徑r2 密封件/進汽插管的密封面半徑斜杠前后分別為密封件與噴嘴室及密封件與進汽插管計算所用

10、參數。4 進汽插管密封型式分析4.1 活塞環(huán)密封 左圖所示的結構即為活塞環(huán)密封進汽插管，是一種典型的裙邊外套式結構。內管直接插于噴嘴室或內汽缸中，用活塞環(huán)密封阻止蒸汽自噴嘴室或高壓內缸漏向高壓內外缸之間的夾層。外套管則多數采用焊接的型式，與高壓外缸連接。在設計時，除了考慮接管和外缸由內壓溫差引起的應力外，還需要考慮外部管道自重和差脹等引起而作用于汽缸接口處的力和力矩。力和力矩應取不同工況的最大值。 對于活塞環(huán)的密封主要應考慮其能適應不同的工況下內、外缸不同方向的差脹。為使環(huán)與密封面具有良好的接觸和汽密性，活塞環(huán)在環(huán)槽內是自由的，環(huán)在槽內有一定的軸向間隙，環(huán)的軸向和徑向密封面與環(huán)槽相應接觸和它的

11、徑向接觸面應平整和光滑。蒸汽介質壓力使環(huán)產生軸向密封，并借環(huán)的彈力使徑向接觸面保持密封。密封環(huán)的材料除了必須具有常溫和高溫時的一定機械性能外，還要求材料的摩擦系數小，具有良好的耐磨抗蝕性能，同時還需要具有在長期工作中保持材質穩(wěn)定性的能力。常用的材料有gh2136、inconel、x-750鎳基高溫合金等。4.2 鐘罩密封 鐘罩密封又稱“l(fā)”形密封，多用于高、中壓缸的進汽插管或抽汽插管與噴嘴室、內汽缸或汽缸的抽汽腔室相接處。進汽插管上開有環(huán)形軸向槽，鐘罩密封活塞插于其中，底部通過活塞壓圈固定在進汽插管上。結構如左圖所示。由于鐘罩密封活塞和活塞壓圈之間留有較大的徑向間隙r和較小的軸向間隙，因此它能

12、適應不同工況時內、外缸間不同方向的差脹。鐘罩密封工作時，依靠內外壓差和與進汽插管因材料不同引起的脹差保持徑向密封。在理想的條件下，鐘罩密封可完全密封。因此，應適當選擇鐘罩密封活塞的材料，除滿足強度要求外，其線脹系數應略大于插管材料的的線脹系數，并具有良好的耐磨和抗蠕變性能。以使得在連續(xù)全負荷工況下有尺寸穩(wěn)定性，良好的抗磨損也有助于維持正確的徑向密封尺寸，材料通常選用的是stellite （司太立合金）。 鐘罩密封設計必須適應二種運行工況：1.最小進汽度，此時最大壓降。2.全負荷壓降,此時鐘形密封經歷的時間最長。同時還應考慮因壓力作用，而引起的噴嘴室頸部的徑向撓度；鐘罩密封套和內缸或噴嘴之間的徑

13、向間隙。因為最小進汽度負荷工況占總運行時間的百分比相對小，當作用最小進汽度負荷時，鐘罩密封的基本許用應力可加大1.2系數，鐘罩密封的溫度假設等于進汽溫度。設計時應校核二種溫差（鐘形密封和噴嘴室之間溫差）情況，即0f40f。 4.3 疊片式密封疊片式密封結構常用于高、中壓進汽或抽汽插管中（如下圖）。環(huán)分為內、外兩種，內、外環(huán)的截面“”形，均為整環(huán)無開口或缺口，外環(huán)與內缸進汽環(huán)槽內壁自由狀態(tài)0.05mm間隙配合，熱態(tài)0.10mm過盈配合；內環(huán)置于內缸進汽環(huán)槽中，內環(huán)與進汽插管外圓面自由狀態(tài)0.05mm間隙配合，熱態(tài)0.10mm過盈配合。內、外環(huán)間軸向搭接密封型，以減少蒸汽軸向的環(huán)間泄漏。內環(huán)與內缸

14、進汽環(huán)槽徑向留有8mm間隙，外環(huán)與進汽插管徑向留有8mm間隙，工作時依靠壓差產生的徑向和軸向力，使內環(huán)與插管和外環(huán)槽端面緊貼。它能適應內、外缸不同方向的差脹。4.4 進汽插管三種密封型式比較活塞環(huán)密封：為安裝方便，活塞環(huán)在通常的結構設計中被設計成開口的彈性環(huán)體形式。彈性環(huán)的切口通常是在最后的工序來完成，在實際生產過程中由于生產的工序較多，很難控制其最終的幾何尺寸。這樣會給最終的安裝帶來很多不利的因素。如在安裝的過程中，活塞環(huán)卡斷等。這樣在機組實際運行中，就很難保證活塞環(huán)的正常密封性能。使高品質的蒸汽，沿活塞斷口漏入內外缸的夾層中。鐘罩密封：鐘罩結構簡單，易于安裝。鐘罩線膨脹系數高于噴嘴室線膨脹

15、系數，冷態(tài)小間隙，熱態(tài)微過盈，密封效果高于活塞環(huán)密封。但由于鐘罩剛度大，對鐘罩與噴嘴室的同心度要求比較高，否則易引起噴嘴室或插管的附加撓度。整個插管為司太立合金制造，制造成本高。疊片式密封：疊片式密封由大密封片和小密封片間隔組成，內環(huán)、外環(huán)分別形成密封面，疊片端面間也形成密封面，密封效果更優(yōu)。疊片密封隨動調整性好，產生的附加影響小。疊片式密封結構相對復雜些。插管表面需焊接一層司太立合金，制造成本高，但密封效果最好。5 高壓缸排汽溫度偏高的解決方案對于超高壓參數以上的大功率汽輪機由于進汽參數高，為避免缸壁過厚，高壓缸采用雙層缸結構，進汽部分與內外缸的連接必須滿足兩個條件：既能保證相互間的密封，又

16、能適應相互間的脹縮。進汽插管是應用很普遍的主要進汽部分型式，結構成熟，而且在不斷的改進提升，主要體現(xiàn)在密封型式的發(fā)展方面。從密封形式發(fā)展看，主要經歷了三個階段，活塞環(huán)密封、鐘罩密封、疊片式密封。大唐盤電公司2x600mw汽輪機的進汽插管密封形式屬于活塞環(huán)密封，為第一代進汽插管密封型式。汽輪機進汽插管的三種密封型式原理基本相同，應用都比較普遍。由于疊片式密封的密封效果和可靠性高，近年來隨著汽輪機初參數和容量的不斷提高，疊片式密封發(fā)展比較迅速，漸漸占據了主導地位。目前，哈爾濱汽輪機廠的主導產品為超臨界600mw機組，高壓進汽插管即采用了疊片式密封型式，哈爾濱汽輪機廠推薦用疊片式密封形式改造高壓缸進

17、汽插管密封，改造后預計使機組的高壓缸效率提高1.5%，可降低煤耗1克左右。疊片式密封屬于第三代密封型式，由大密封片和小密封片間隔組成，內環(huán)、外環(huán)分別形成密封面，疊片端面間也形成密封面，密封效果更好。疊片密封隨動調整性好，產生的附加影響小。大唐盤電公司采用的疊片式密封結構（見上圖）相對復雜，類似于給水泵等轉動設備軸端的機械密封，只是此密封不轉動而已。疊片大密封環(huán)外徑向與高壓內缸進汽密封室內壁配合，冷態(tài)間隙配合，工作狀態(tài)過盈配合，封住內壁部位泄漏；疊片小密封環(huán)內徑向與高壓內缸進汽插管表面司太立合金精磨圓面配合，冷態(tài)間隙配合，工作狀態(tài)過盈配合，封住進汽插管表面部位泄漏；大環(huán)與小環(huán)軸向靠蒸汽力壓緊，依

18、靠兩個環(huán)端面精磨的平面配合密封；由此密封環(huán)內徑向、外徑向和軸向三個方向都對主蒸汽進行完美的密封，很好的解決了高壓缸進汽插管的密封泄漏問題。大唐盤電公司因脫硫設備投運，節(jié)能降耗壓力較大，只有深挖潛力才能降低能耗，高壓缸進汽插管改造可以使機組的高壓缸效率提高1.5%，效果前景相當誘人。為此大唐盤電公司借4機組大修機會，安排進行高壓缸進汽插管改造，是必要的也是必須的。此舉能很好降低熱耗，解決高壓缸排汽超溫偏高的難題。6 高壓缸插管改造后節(jié)能分析大唐盤電公司2008年4月6月，4汽輪機組大修中，進行了高壓缸插管現(xiàn)場改造工作，更換了4個進汽插管及密封結構，高壓內缸進汽部位也進行了相應的改造工作。大修后一

19、個月2008年7月12日數據顯示：負荷600mw，主汽參數537，16.41mpa；再熱汽參數537，3.24mpa；高壓缸排汽溫度降到315.5，比改造前降低12.5，僅比設計值高1，插管泄漏得到了很好控制，節(jié)能效果顯著。6.1減少熱耗損失分析 在4汽輪機大修中，高壓缸除進行高壓進汽插管改造，還進行了隔板及轉子軸汽封“布萊登”汽封改造，葉頂汽封徑向間隙進行了下限調整。3機組在07年46月也進行了隔板及轉子軸汽封“布萊登”汽封改造，葉頂汽封徑向間隙進行了下限調整。對比高壓缸抽汽參數：汽 缸抽汽序號3、4機組高壓缸抽汽數據比較tnl3機大修前、后實測差值()3機降溫幅度（）4機大修前、后實測差值

20、()4機降溫幅度（）高壓缸1378.4401.78-398.24=3.540.9402.28-387.5=14.783.92314.4326.23-325.35=0.880.28328-315.5=12.53.97從上表可以看出，3機高壓缸1段抽汽和2段抽汽分別降溫幅度0.9%、0.28%，若按1段抽汽降溫幅度0.9%，則2抽降溫應為2.8, 隔板及轉子軸汽封“布萊登”汽封改造，葉頂汽封徑向間隙進行了下限調整。如果高壓缸只進行隔板及轉子軸汽封“布萊登”汽封改造，葉頂汽封徑向間隙進行了下限調整，2抽溫度最好也就降2.8。可以認為4機大修2抽溫度降低因素，一是“布萊登”汽封改造及葉頂間隙調整影響2

21、.8，高壓缸進汽插管改造影響9.7占總溫降的78?？紤]主蒸汽在進汽插管密封中，經過多級減壓，壓能主要消耗在密封結構中，對高壓缸排汽溫升影響主要是泄漏主蒸汽的溫度，壓能在計算中忽略不計。q插管改前xt主+q末級排量xt高排=(q插管改前+q末級排量)xt高排改前 q插管改后xt主+q末級排量xt高排=(q插管改后+q末級排量)xt高排改后 q插管改減= q插管改前q插管改后 經帶入計算后，插管改造后插管處減小主蒸汽漏量為：q插管改減=93.82-8.62=85.2t/h；高壓插管密封處泄漏主蒸汽并未做功，就和高壓缸末級排汽混合在一起匯成，再熱冷段蒸汽。高壓插管泄漏主蒸汽，降到再熱冷段蒸汽，焓值降

22、低，熱耗損失率為：h損失=q插管改減x1000x(h主-h排改)/60x104經帶入計算后，高壓缸插管改造后，減小熱耗損失率為：h損失=52.86 kj/kw.h經過高壓缸進汽插管改造后，減小熱耗損失率52.86 kj/kw.h，效果明顯。式中： q插管改前插管改前，插管處泄漏量；q插管改后插管改后，插管處泄漏量t/h； q末級排量高壓缸末級后蒸汽流量1644.77t/h，假定在tnl工況改前改后流量不變；q插管改減插管改后，插管處泄漏比改前減小量t/h；h損失改造后插管減小的汽輪機熱耗損失率（600mw額定工況），kj/kw.h；h主主汽焓值，3394.1 kj/kg；h排改改后再熱冷段蒸汽

23、焓值，（參數：3.4mpa,315.5）,3021.85 kj/kg；t高排改前插管改前，高排溫度328-2.8=325.2(考慮了，汽封改造和葉頂間隙調整因素)；t高排改后插管改后，高排溫度315.5； t主主汽溫度，在tnl工況改前改后為537； t高排高排蒸汽設計溫度，314.4；6.2降低煤耗分析減少發(fā)電煤耗率b0：減少供電煤耗率bn：式中： h損失改造后插管減小的汽輪機熱耗損失率，52.86kj/(kwh)； b0機組發(fā)電煤耗率，g/(kw.h)；bn機組供電煤耗率，g/(kwh)； ra 廠用電率，按照5.05%； p管道效率，取設計值99 %；b鍋爐熱效率，94.09%；據gb2589規(guī)定：標準煤低位熱值為29.31 kj/g。則