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1、600MW汽轮机高压缸进汽插管改造节能分析王 热1， 李 忠1，于晓龙2，冯顺利3（1天津大唐国际盘山发电有限责任公司，天津市 蓟县 301900；2浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722；3大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂，河北 唐山 063028）摘 要：介绍了国产600MW汽轮机高压缸排汽温度偏高，根据异常现象分析原因，并制定出高压缸进汽插管改造的方案及节能分析。关键词 高压缸； 排汽温度 ； 分析； 改造方案； 节能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 汽轮机概况天津大唐国际盘山发电有限责任公司（以下简称大唐盘电公司），三、四号汽轮机；选用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司引进美国西屋技术制造的N600-16.7/537/537/-I型，亚临界中间再热、四缸四排汽、单轴、反动式凝汽汽轮机。机组轴系由高压转子、中压转子、低压转子、低压转子、发电机转子、励磁机转子组成，各转子之间均采用法兰式联轴器连接，由上述转子组成的转动部分由安装在中轴承箱内的1个推力轴承定位，并且由11个轴承支撑。高、中压转子采用4瓦块可倾瓦轴承支撑；低压转子前轴承、低压转子前轴承采用2瓦块（下半）可倾瓦轴承，另2个采用4瓦块可倾瓦轴
5、承支撑；发电机及励磁机转子采用2瓦块（下半）可倾瓦轴承。汽轮机的控制系统采用上海新华控制工程公司的DEHA电液调速系统，机组设置12个油动机，分别控制2个高压主汽阀，4个高压调速汽阀，2个中压主汽阀，4个中压调速汽阀。大唐盘电公司三号机于2001年12月18日投产，四号机组于2002年6月5日投产。自投产之初高压缸排汽（再热冷段）温度高于汽轮机设计值，并随着投运的时间增长而不断升高。负荷600MW，最高达到334，平均在328，汽轮机高压缸排汽（再热冷段）额定设计值314.4,由于流量较大(额定流量为1644.77t/h)，热耗损失明显，必须给与足够的重视和治理，以便提高汽轮机组经济性。2 高
6、压缸排汽温度偏高原因分析影响高压缸排汽温度升高的主要因素：（1）、高压缸进汽插管部位密封泄漏；（2）、高压缸内缸外壁的传热；（3）、喷嘴室蒸汽经喷嘴室4道汽封漏泄到平衡室，又经5道平衡环汽封泄排到内外缸夹层，最终汇到高压缸排汽的泄漏蒸汽；第（2）条，高压缸内缸外壁的传热；可以认为是绝热系统，温差较小传热予以忽略不计；第（3）条，喷嘴室蒸汽（参数487，11.8MPa），经过9道汽封减阻，温度、压力已经接近高压缸排汽温度泄量较小，影响微小，可以予以忽略不计；再到第（1）条，高压缸进汽插管部位密封泄漏；需要对高压缸进汽插管密封结构进行一下说明：高压缸进汽插管密封结构采用的是活塞环结构，活塞环设计为
7、台阶插口搭接的弹性环体形式。弹性环体的切口是在加工成环体最后的工序完成的，在实际生产过程中由于生产的工序较多，很难控制其最终的几何尺寸，切口部位密封泄漏很难完美保证。在汽轮机实际运行中，就很难保证活塞环的正常密封性能，主蒸汽（537，16.7MPa）通过活塞环的外圆侧和台阶插口搭接处流入下一个活塞环，经过3道活塞环的截流减压，最后漏入内外缸夹层中，和高压缸末级排汽混合后，形成高压缸的排汽（即再热冷段，实测328）。造成2段抽汽超温（2段抽汽取自再热冷段），4机2段抽汽600MW时，设计压力3.618MPa，温度314.4；实际压力3.53MPa，温度328，超温达14。活塞环式密封是一种迷宫式
8、密封，高温高压主蒸汽介质在切口和轴向、径向间隙中多次被节流，最终达到密封的效果，节流是明显的，泄漏是不可避免的，从超温的情况看泄漏量相对较大。从上可以看出高压缸排汽温度升高的主要因素，是高压缸插管的密封处高温高压蒸汽泄漏所致，此处是汽轮机压力温度最高的部位（537，16.7MPa），它的泄漏影响也是最大和最需要关注的。高压缸插管改造前密封结构（见上图）。3 进汽插管的基本密封原理 进汽插管为与外缸采用柔性裙结构焊接成一体，插管插入内缸或喷嘴室，并在该区域设有密封件。密封种类属接触型动密封，密封件与喷嘴室内孔或进汽插管外圆侧保持较小的径向间隙，建立密封隔离功能，并与相反侧保持较大的间隙，以便汽轮
9、机运行中内外缸间出现轴向胀差时密封件能随动自位调整，避免卡阻及造成对进汽插管或喷嘴室的附加力和力矩。密封件可沿插管轴向滑动，以适应内外缸间垂直胀差。密封件密封面径向间隙可表述为：Y=Y1-Y2 其中:Y1 喷嘴室/密封件的膨胀量Y2 密封件/进汽插管的膨胀量Y1=1（t1-t0）R1Y2=2（t2-t0）R21 喷嘴室/密封件的线膨胀系数2 密封件/进汽插管的线膨胀系数2 密封件/进汽插管的线膨胀系数t1 喷嘴室/密封件的工作温度t2 密封件/进汽插管的工作温度t0 冷态室温R1 喷嘴室/密封件的密封面半径R2 密封件/进汽插管的密封面半径斜杠前后分别为密封件与喷嘴室及密封件与进汽插管计算所用
10、参数。4 进汽插管密封型式分析4.1 活塞环密封 左图所示的结构即为活塞环密封进汽插管，是一种典型的裙边外套式结构。内管直接插于喷嘴室或内汽缸中，用活塞环密封阻止蒸汽自喷嘴室或高压内缸漏向高压内外缸之间的夹层。外套管则多数采用焊接的型式，与高压外缸连接。在设计时，除了考虑接管和外缸由内压温差引起的应力外，还需要考虑外部管道自重和差胀等引起而作用于汽缸接口处的力和力矩。力和力矩应取不同工况的最大值。 对于活塞环的密封主要应考虑其能适应不同的工况下内、外缸不同方向的差胀。为使环与密封面具有良好的接触和汽密性，活塞环在环槽内是自由的，环在槽内有一定的轴向间隙，环的轴向和径向密封面与环槽相应接触和它的
11、径向接触面应平整和光滑。蒸汽介质压力使环产生轴向密封，并借环的弹力使径向接触面保持密封。密封环的材料除了必须具有常温和高温时的一定机械性能外，还要求材料的摩擦系数小，具有良好的耐磨抗蚀性能，同时还需要具有在长期工作中保持材质稳定性的能力。常用的材料有GH2136、Inconel、X-750镍基高温合金等。4.2 钟罩密封 钟罩密封又称“L”形密封，多用于高、中压缸的进汽插管或抽汽插管与喷嘴室、内汽缸或汽缸的抽汽腔室相接处。进汽插管上开有环形轴向槽，钟罩密封活塞插于其中，底部通过活塞压圈固定在进汽插管上。结构如左图所示。由于钟罩密封活塞和活塞压圈之间留有较大的径向间隙R和较小的轴向间隙，因此它能
12、适应不同工况时内、外缸间不同方向的差胀。钟罩密封工作时，依靠内外压差和与进汽插管因材料不同引起的胀差保持径向密封。在理想的条件下，钟罩密封可完全密封。因此，应适当选择钟罩密封活塞的材料，除满足强度要求外，其线胀系数应略大于插管材料的的线胀系数，并具有良好的耐磨和抗蠕变性能。以使得在连续全负荷工况下有尺寸稳定性，良好的抗磨损也有助于维持正确的径向密封尺寸，材料通常选用的是STELLITE （司太立合金）。 钟罩密封设计必须适应二种运行工况：1.最小进汽度，此时最大压降。2.全负荷压降,此时钟形密封经历的时间最长。同时还应考虑因压力作用，而引起的喷嘴室颈部的径向挠度；钟罩密封套和内缸或喷嘴之间的径
13、向间隙。因为最小进汽度负荷工况占总运行时间的百分比相对小，当作用最小进汽度负荷时，钟罩密封的基本许用应力可加大1.2系数，钟罩密封的温度假设等于进汽温度。设计时应校核二种温差（钟形密封和喷嘴室之间温差）情况，即0F40F。 4.3 叠片式密封叠片式密封结构常用于高、中压进汽或抽汽插管中（如下图）。环分为内、外两种，内、外环的截面“”形，均为整环无开口或缺口，外环与内缸进汽环槽内壁自由状态0.05mm间隙配合，热态0.10mm过盈配合；内环置于内缸进汽环槽中，内环与进汽插管外圆面自由状态0.05mm间隙配合，热态0.10mm过盈配合。内、外环间轴向搭接密封型，以减少蒸汽轴向的环间泄漏。内环与内缸
14、进汽环槽径向留有8mm间隙，外环与进汽插管径向留有8mm间隙，工作时依靠压差产生的径向和轴向力，使内环与插管和外环槽端面紧贴。它能适应内、外缸不同方向的差胀。4.4 进汽插管三种密封型式比较活塞环密封：为安装方便，活塞环在通常的结构设计中被设计成开口的弹性环体形式。弹性环的切口通常是在最后的工序来完成，在实际生产过程中由于生产的工序较多，很难控制其最终的几何尺寸。这样会给最终的安装带来很多不利的因素。如在安装的过程中，活塞环卡断等。这样在机组实际运行中，就很难保证活塞环的正常密封性能。使高品质的蒸汽，沿活塞断口漏入内外缸的夹层中。钟罩密封：钟罩结构简单，易于安装。钟罩线膨胀系数高于喷嘴室线膨胀
15、系数，冷态小间隙，热态微过盈，密封效果高于活塞环密封。但由于钟罩刚度大，对钟罩与喷嘴室的同心度要求比较高，否则易引起喷嘴室或插管的附加挠度。整个插管为司太立合金制造，制造成本高。叠片式密封：叠片式密封由大密封片和小密封片间隔组成，内环、外环分别形成密封面，叠片端面间也形成密封面，密封效果更优。叠片密封随动调整性好，产生的附加影响小。叠片式密封结构相对复杂些。插管表面需焊接一层司太立合金，制造成本高，但密封效果最好。5 高压缸排汽温度偏高的解决方案对于超高压参数以上的大功率汽轮机由于进汽参数高，为避免缸壁过厚，高压缸采用双层缸结构，进汽部分与内外缸的连接必须满足两个条件：既能保证相互间的密封，又
16、能适应相互间的胀缩。进汽插管是应用很普遍的主要进汽部分型式，结构成熟，而且在不断的改进提升，主要体现在密封型式的发展方面。从密封形式发展看，主要经历了三个阶段，活塞环密封、钟罩密封、叠片式密封。大唐盘电公司2X600MW汽轮机的进汽插管密封形式属于活塞环密封，为第一代进汽插管密封型式。汽轮机进汽插管的三种密封型式原理基本相同，应用都比较普遍。由于叠片式密封的密封效果和可靠性高，近年来随着汽轮机初参数和容量的不断提高，叠片式密封发展比较迅速，渐渐占据了主导地位。目前，哈尔滨汽轮机厂的主导产品为超临界600MW机组，高压进汽插管即采用了叠片式密封型式，哈尔滨汽轮机厂推荐用叠片式密封形式改造高压缸进
17、汽插管密封，改造后预计使机组的高压缸效率提高1.5%，可降低煤耗1克左右。叠片式密封属于第三代密封型式，由大密封片和小密封片间隔组成，内环、外环分别形成密封面，叠片端面间也形成密封面，密封效果更好。叠片密封随动调整性好，产生的附加影响小。大唐盘电公司采用的叠片式密封结构（见上图）相对复杂，类似于给水泵等转动设备轴端的机械密封，只是此密封不转动而已。叠片大密封环外径向与高压内缸进汽密封室内壁配合，冷态间隙配合，工作状态过盈配合，封住内壁部位泄漏；叠片小密封环内径向与高压内缸进汽插管表面司太立合金精磨圆面配合，冷态间隙配合，工作状态过盈配合，封住进汽插管表面部位泄漏；大环与小环轴向靠蒸汽力压紧，依
18、靠两个环端面精磨的平面配合密封；由此密封环内径向、外径向和轴向三个方向都对主蒸汽进行完美的密封，很好的解决了高压缸进汽插管的密封泄漏问题。大唐盘电公司因脱硫设备投运，节能降耗压力较大，只有深挖潜力才能降低能耗，高压缸进汽插管改造可以使机组的高压缸效率提高1.5%，效果前景相当诱人。为此大唐盘电公司借4机组大修机会，安排进行高压缸进汽插管改造，是必要的也是必须的。此举能很好降低热耗，解决高压缸排汽超温偏高的难题。6 高压缸插管改造后节能分析大唐盘电公司2008年4月6月，4汽轮机组大修中，进行了高压缸插管现场改造工作，更换了4个进汽插管及密封结构，高压内缸进汽部位也进行了相应的改造工作。大修后一
19、个月2008年7月12日数据显示：负荷600MW，主汽参数537，16.41MPa；再热汽参数537，3.24MPa；高压缸排汽温度降到315.5，比改造前降低12.5，仅比设计值高1，插管泄漏得到了很好控制，节能效果显著。6.1减少热耗损失分析 在4汽轮机大修中，高压缸除进行高压进汽插管改造，还进行了隔板及转子轴汽封“布莱登”汽封改造，叶顶汽封径向间隙进行了下限调整。3机组在07年46月也进行了隔板及转子轴汽封“布莱登”汽封改造，叶顶汽封径向间隙进行了下限调整。对比高压缸抽汽参数：汽 缸抽汽序号3、4机组高压缸抽汽数据比较TNL3机大修前、后实测差值()3机降温幅度（）4机大修前、后实测差值
20、()4机降温幅度（）高压缸1378.4401.78-398.24=3.540.9402.28-387.5=14.783.92314.4326.23-325.35=0.88待添加的隐藏文字内容10.28328-315.5=12.53.97从上表可以看出，3机高压缸1段抽汽和2段抽汽分别降温幅度0.9%、0.28%，若按1段抽汽降温幅度0.9%，则2抽降温应为2.8, 隔板及转子轴汽封“布莱登”汽封改造，叶顶汽封径向间隙进行了下限调整。如果高压缸只进行隔板及转子轴汽封“布莱登”汽封改造，叶顶汽封径向间隙进行了下限调整，2抽温度最好也就降2.8。可以认为4机大修2抽温度降低因素，一是“布莱登”汽封改
21、造及叶顶间隙调整影响2.8，高压缸进汽插管改造影响9.7占总温降的78。考虑主蒸汽在进汽插管密封中，经过多级减压，压能主要消耗在密封结构中，对高压缸排汽温升影响主要是泄漏主蒸汽的温度，压能在计算中忽略不计。Q插管改前XT主+Q末级排量XT高排=(Q插管改前+Q末级排量)XT高排改前 Q插管改后XT主+Q末级排量XT高排=(Q插管改后+Q末级排量)XT高排改后 Q插管改减= Q插管改前Q插管改后 经带入计算后，插管改造后插管处减小主蒸汽漏量为：Q插管改减=93.82-8.62=85.2t/h；高压插管密封处泄漏主蒸汽并未做功，就和高压缸末级排汽混合在一起汇成，再热冷段蒸汽。高压插管泄漏主蒸汽，降
22、到再热冷段蒸汽，焓值降低，热耗损失率为：H损失=Q插管改减X1000X(H主-H排改)/60X104经带入计算后，高压缸插管改造后，减小热耗损失率为：H损失=52.86 KJ/KW.h经过高压缸进汽插管改造后，减小热耗损失率52.86 KJ/KW.h，效果明显。式中： Q插管改前插管改前，插管处泄漏量；Q插管改后插管改后，插管处泄漏量t/h； Q末级排量高压缸末级后蒸汽流量1644.77t/h，假定在TNL工况改前改后流量不变；Q插管改减插管改后，插管处泄漏比改前减小量t/h；H损失改造后插管减小的汽轮机热耗损失率（600MW额定工况），KJ/KW.h；H主主汽焓值，3394.1 KJ/Kg；
23、H排改改后再热冷段蒸汽焓值，（参数：3.4MPa,315.5）,3021.85 KJ/Kg；T高排改前插管改前，高排温度328-2.8=325.2(考虑了，汽封改造和叶顶间隙调整因素)；T高排改后插管改后，高排温度315.5； T主主汽温度，在TNL工况改前改后为537； T高排高排蒸汽设计温度，314.4；6.2降低煤耗分析减少发电煤耗率b0：减少供电煤耗率bn：式中： H损失改造后插管减小的汽轮机热耗损失率，52.86kJ/(kWh)； b0机组发电煤耗率，g/(kW.h)；bn机组供电煤耗率，g/(kWh)； ra 厂用电率，按照5.05%； p管道效率，取设计值99 %；b锅炉热效率，
24、94.09%；据GB2589规定：标准煤低位热值为29.31 kJ/g。则：b01.936 g/(kW.h)，本次高压缸进汽插管改造，标准工况下，降低发电煤耗1.936 g/(kW.h)；bn2.038 g/(kW.h)，本次高压缸进汽插管改造，标准工况下，降低供电煤耗2.038 g/(kW.h)；大唐盘电公司2008年4月6月，四号汽轮机组大修中，进行了高压缸插管现场改造工作，改造后高排温度降低11，汽轮机热耗率降低52.86kJ/(kWh)，降低发电煤耗1.936 g/(kW.h)，降低供电煤耗2.038 g/(kW.h)。很好地解决了汽轮机二段抽汽超温，再热冷段温度偏高问题，降低了高压缸
25、插管泄漏量，降低了热耗和煤耗。若按平均降低1.5g/(kW.h)，四号机年发电量按35亿度计算，年节约标煤5250吨，标煤单价按700元/吨，则节省购煤款367.5万元，高压缸插管改造费用约300万元，则当年即可收回改造成本，并盈利上百万元。同时大量减少二氧化硫、废水、灰渣等污染物的排放，环保效益明显。7 推广和应用前景引进美国西屋技术制造的N600-16.7/537/537/-I型的600MW汽轮机，在国内有几十台，类似问题也有存在，若在全国推广应用，经济效益和环保效益显著，推广前景相当光明。参考文献：1、N600-16.7/537/537/-I型汽轮机热力特性 75A.000.1J(D) -哈尔滨汽轮机厂；2、高压缸进汽插管改造方案-哈尔滨汽轮机厂；3、大型汽轮机进汽插管密封型式-付丽莉等著。作者简介： 王 热 天津大唐国际盘山发电有限责任公司 总经理助理 ，天津市 蓟县 ； 李 忠 天津大唐国际盘山发电有限责任公司 汽机高级主管 ，天津市 蓟县 ； 于晓龙 浙江大唐乌沙山发电有限责任公司 高级工程师 ，浙江省 宁波； 冯顺利 大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂 汽机队长助理 ，河北省 唐山。
