軸封間隙對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算模型及應(yīng)用

周 昊，郝紅亮

國電蚌埠發(fā)電有限公司，安徽 蚌埠 233411)

軸封系統(tǒng)泄漏對(duì)汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大影響[1-6]。軸封系統(tǒng)泄漏，一方面會(huì)導(dǎo)致蒸汽外漏，造成工質(zhì)和熱量的損失，使得潤滑油中帶水；另一方面，導(dǎo)致空氣通過軸封系統(tǒng)漏入汽輪機(jī)低壓缸，造成真空下降。在軸封形式及運(yùn)行參數(shù)一定時(shí)，軸封間隙是影響泄漏量的主要因素。因此，汽輪機(jī)軸封間隙受到了汽輪機(jī)運(yùn)行部門的普遍關(guān)注。目前，對(duì)軸封系統(tǒng)改造效果評(píng)估往往缺乏客觀依據(jù)，個(gè)別電廠甚至以改造前后汽輪機(jī)熱耗率試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，將許多不屬于汽封改造效果的部分也計(jì)入其中，客觀上夸大了汽封改造效果。因此，建立軸封間隙對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)影響的精細(xì)化數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用該模型對(duì)汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)改造效果進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,對(duì)于指導(dǎo)軸封系統(tǒng)改造、客觀評(píng)價(jià)改造效果具有較好的作用。

1 計(jì)算模型介紹

1.1 軸封漏汽量的計(jì)算

1.1.1 梳齒式汽封

梳齒式汽封的工作原理實(shí)質(zhì)為多級(jí)節(jié)流膨脹。有資料表明，其漏汽量可由式(1)來計(jì)算[7-8]：

(1)

式中：ΔG梳為蒸汽泄漏量；A梳為間隙面積；z梳為環(huán)齒數(shù)；p0、v0為進(jìn)入軸封前蒸汽的壓力和比容；g為重力加速度；pz為漏出軸封的蒸汽壓力；μ梳為蒸汽周向運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)于梳齒式汽封，其值幾乎等于0。

由式(1)可以得出，在軸封前后壓差一定的情況下，增加齒數(shù)z、減小齒隙面積A和增大蒸汽周向運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)μ，均可以減少軸封漏汽量。

1.1.2 蜂窩式汽封

蜂窩式汽封的漏汽量可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中：ξ為阻尼系數(shù)，試驗(yàn)表明，每個(gè)下級(jí)充滿蒸汽的蜂窩對(duì)上一級(jí)泄漏出的蒸汽有著很強(qiáng)的阻尼作用；對(duì)于蜂窩式汽封，蒸汽周向運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)μ蜂為0.5～0.7。

1.1.3 漏汽量比較

由于梳齒式汽封的齒尖與轉(zhuǎn)子接觸的面積很小，在運(yùn)行過程中梳齒式汽封齒尖容易被磨損掉，造成軸封間隙增大。雖然在機(jī)組檢修過程中可將梳齒式汽封的徑向間隙調(diào)整到最佳值，但運(yùn)行一段時(shí)間后，也會(huì)使間隙變大且運(yùn)行中無法補(bǔ)償，造成漏汽量增大。而蜂窩式汽封采用特殊結(jié)構(gòu)模式和質(zhì)地軟的材質(zhì)，所以蜂窩式汽封在運(yùn)行中不會(huì)傷及所接觸的軸頸表面，其安裝間隙可比檢修規(guī)程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)間隙小。因此，運(yùn)行中盡管經(jīng)過多次啟停，蜂窩式汽封也能夠長久保持良好的密封間隙。

根據(jù)式(1)和式(2)，有：

(3)

由于軸封間隙要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓周直徑，因此動(dòng)靜之間的環(huán)形間隙面積可以表示為：

A=πDΔr

(4)

式中：D為圓周直徑；Δr為軸封間隙。

將式(4)代入式(3)，可得：

(5)

1.2 軸封漏汽所導(dǎo)致系統(tǒng)作功損失

基于等效熱降法[9]可對(duì)軸封漏汽所導(dǎo)致的系統(tǒng)作功損失進(jìn)行計(jì)算。

1.2.1 軸封漏汽流出汽缸而損失的做功量

若軸封漏汽未經(jīng)再熱，則由漏汽而損失的做功量為：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi+qrh-hc)

(6)

式中：ΔΠ為軸封漏汽流出汽缸而損失的做功量；ɑfi、hfi為第i段軸封漏汽的份額及焓值；qrh為1 kg蒸汽在再熱器中的吸熱量；hc為排汽焓。

若軸封漏汽已經(jīng)過再熱，則由漏汽而損失的作功量為：

ΔΠ=∑ɑfi(hfi-hc)

(7)

1.2.2 軸封漏汽對(duì)再熱器吸熱量的影響

若軸封漏汽未經(jīng)過再熱，則軸封漏汽會(huì)對(duì)再熱器的吸熱量產(chǎn)生影響，再熱器吸熱量的變化按下式進(jìn)行計(jì)算：

ΔQ=ɑfiqrh

(8)

式中：ΔQ為再熱器吸熱量的變化。

1.2.3 軸封漏汽利用的回收功

軸封漏汽不僅損失了工質(zhì)，還伴隨有熱量損失，將降低機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。為減少工質(zhì)和熱量的損失，通常將汽輪機(jī)軸封漏汽回收于回?zé)嵯到y(tǒng)，用于加熱主凝結(jié)水或給水，達(dá)到提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的目的。

若把第i段軸封漏汽回收于第j級(jí)加熱器中，則將排擠第j級(jí)回?zé)岢槠?，從而獲得回收功，其值按下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

若把第i段軸封漏汽回收于軸封加熱器，則

(10)

軸封漏汽利用總的回收功為：

ΔW=∑ΔWi

(11)

1.2.4 軸封漏汽對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響

軸封漏汽導(dǎo)致的系統(tǒng)做功量損失為：

(12)

式中： ΔH為軸封漏汽導(dǎo)致的系統(tǒng)做功量損失。

裝置效率的相對(duì)變化量為：

(13)

式中：H為新蒸汽的等效焓降。

標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的變化量為：

Δbs=bsδηi

(14)

式中：bs為機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。

2 計(jì)算模型的應(yīng)用分析

2.1 機(jī)組概況

某600 MW超臨界汽輪機(jī)機(jī)組采用單軸、三缸四排汽的型式。汽輪機(jī)廠家給出的高中壓缸軸封漏汽份額及焓值如表1所示。

表1 軸封漏汽份額及焓值

序號(hào)漏出地點(diǎn)回收地點(diǎn)流量份額焓值/(kJ·kg-1)1高壓缸前軸封2號(hào)高壓加熱器0.002 83 319.72高壓缸前軸封中壓缸0.010 13 319.73高壓缸后軸封除氧器0.0052 966.24高壓缸后軸封軸封加熱器0.000 622 966.25高壓缸后軸封軸封加熱器0.000 0622 966.26中壓缸后軸封軸封加熱器0.000 563 187.67中壓缸后軸封軸封加熱器0.000 0563 187.6

為了減少軸封漏汽損失，利用機(jī)組大修期間，將高壓缸排汽端軸封、中壓缸排汽端軸封分別由梳齒式改造為接觸式蜂窩汽封。該汽封主要由接觸齒、鐵素體鑲齒、蜂窩帶組成。鐵素體鑲齒的汽封片采用低硬度鐵素體材質(zhì)鑲片，蜂窩帶由內(nèi)孔表面為蜂窩形狀的六邊形小蜂窩孔組成。經(jīng)過改造，使得軸封間隙平均減少了0.13 mm，軸封更換后，機(jī)組能夠順利啟動(dòng)，未發(fā)生碰磨現(xiàn)象。若軸封間隙平均減少了0.13 mm(平均下降了16%)，μ蜂取0.5，μ梳取0，z蜂≈z梳，ξ取2.6，根據(jù)式(5)可得：

由此可得，把梳齒式汽封更換為蜂窩式汽封及減少軸封間隙的情況下，軸封的漏汽量減少了63%。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

以該600 MW汽輪機(jī)組為例，計(jì)算高中壓缸軸封漏汽對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，軸封漏汽流出汽缸而損失的功量按式(6)、式(7)計(jì)算，軸封漏汽利用的回收功按式(9)-(11)計(jì)算。軸封系統(tǒng)改造前后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 軸封系統(tǒng)改造前后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性比較

序號(hào)改造前流量份額ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.002 82.270.5720.010 13.560.8930.0052.380.6040.000 620.580.1550.000 0620.060.0260.000 560.290.0770.000 0560.030.01合計(jì)2.31序號(hào)改造后流量份額ΔH/(kJ·kg-1)Δbs/(g·kWh-1)10.001 040.840.2120.003 71.320.3330.001 850.880.2240.000 230.220.0550.000 0230.020.0160.000 210.110.02770.000 0210.010.003合計(jì)0.85

從表2可以看出，軸封系統(tǒng)改造后，可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗率1.46 g/kWh。若年滿負(fù)荷發(fā)電小時(shí)數(shù)為5 000 h，標(biāo)煤價(jià)格為800元/t，則年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 380 t，年節(jié)約燃料費(fèi)350萬元。

3 應(yīng)用效果

利用新建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)600 MW機(jī)組軸封系統(tǒng)改造效果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗率1.46 g/kWh，計(jì)算結(jié)果低于以改造前后汽輪機(jī)熱耗率試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，由于該數(shù)學(xué)模型所用參量減少，計(jì)算過程簡單，所以計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，能夠客觀得出軸封系統(tǒng)的改造效果。

4 結(jié)束語

該模型具有一定通用性，適用于各類型機(jī)組軸封系統(tǒng)改造對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算，并為小指標(biāo)的定量計(jì)算、制定指標(biāo)定額和管理措施以及改進(jìn)運(yùn)行操作提供了依據(jù)。但文中僅對(duì)比計(jì)算了疏齒式汽封和蜂窩式汽封的漏汽量及其對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響，對(duì)其它形式汽封漏汽量的計(jì)算需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和完善。

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