摘 要:中小型汽轮机组的后汽封密封方式大多采用汽密封,汽密封技术虽然稳定可靠,但是消耗的蒸汽量较多,同时供汽温度不好控制。如何探讨一种更节能、可靠的密封技术是非常重要的。通过理论研究与实际应用水封技术进行汽轮机后汽封的密封是一种可靠、可行的办法。
关键词:汽轮机;后汽封密封;水封技术
中图分类号:TH
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)04-0301-02
1 汽轮机后汽封密封技术现状
在现代中小型汽轮机设备中,最常见的汽封是弹性齿形汽封,它是由许多尖齿和两齿之间的环形汽室所做成,蒸汽流过汽封齿尖的最小间隙处,通道面积变小,流速加快,压力降低。一般汽封齿越多,每个齿分担的压降就越小,蒸汽流过齿隙的流速就越小,漏汽量也就越小,这是齿形汽封能减少漏汽的原因。
低压端为了防止空气漏入汽缸,必须引用压力稍高于大气压力的蒸汽来封住轴封通道。这部分蒸汽是由高压端轴封引入,或者是新蒸汽在均压箱内喷水减温形成,供入后汽封。为了确保汽轮机的安全工作,汽轮机端部轴封都有一套专门的轴封管路系统。
后轴封管路系统工作原理如下图所示:
图1 汽轮机后汽封工作原理图
除去这种普通齿形结构汽封外,还有布莱登、蜂窝式密封等结构的汽封,但是设备投资较高。
后轴封汽密封技术在实际应用中存在如下的问题:
(1)后汽封供汽温度不易稳定控制,当机组负荷变化较大时由于后汽封温度的变化较剧烈,容易引起机组振动增大,甚至由于汽封间隙的减少而损坏汽封,继而造成漏汽量增大。这已经成为各个电厂一直无法有效得到解决的难题,而备受困扰。尽管很多企业努力寻找稳定的供热汽源但效果并不理想。
(2)高压侧汽封的漏气不能满足后汽封的用汽量,需要额外补充新蒸汽进入后汽封达到密封要求,这无形之间对高品位能源形成了浪费。
(3)在事故情况下如果由于运行人员对均压箱等设备调整不及时,造成后汽封供汽中断将会造成汽机大轴弯曲等恶性事故。
2 低压汽封采用水封技术简介
为了适应节能减排和运行的实际要求,结合中小热电联产企业的资金与技术的现状,汽轮机的后汽封采用水封技术逐步得到研究和应用。
后汽封采用水封技术进行密封的原理图如下图所示,它是采用除盐水或汽轮机凝结水作为低压汽封的密封介质,密封水以一定的水柱高度的压力引入低压汽封的密封腔室,在运行阶段充满该环形腔室,达到防止空气进入的目的。
改造的系统图如下:
图2 汽轮机汽封水封装置改造系统图
运行的工作方式为:高位水箱的除盐水经过原轴加管道(V3阀关闭)进入后汽封系统轴封泄气腔室并充满其环形空间,极少量的水经过汽封最外段有耐磨材料组成的密封结构后排入地沟,另一大部分水经过原均压箱的供汽腔室后的管道,通过V1阀泄入凝汽器(V2阀关闭)。但是在使用这种水封装置时需要对后汽封装置进行适当的改造,即用特殊的密封技术对原均压箱供汽腔室和轴加泄气腔室进行密封。
3 水封技术理论可行性分析
设定汽轮机后汽封处的运动状态为无限长同心圆柱和圆筒间充满不可压缩牛顿流体,内柱以等角速度w绕轴旋转,这时在环形空间内的流动成为库埃特流动(Couette)。流动示意图如下:
图3 库埃特流动示意图
在运行阶段需要从理论上解决两个问题,第一个问题是在该运动状态下液体的不同位置压力分布情况如何,是否会产生汽蚀现象,造成密封失败,第二个问题是由于轴与液体的高速摩擦产生的热量造成液体过热使系统无法正常运行,即到底需要补充多少工作介质来带走摩擦产生的热量。下面针对这两个问题我们进行分析讨论。
内圆柱的外径和外圆筒的内径分别为d1、d2,内圆柱以等角速度转动。由边界条件的轴对称性和驱动条件的恒定性,我们可以推测流场是定常轴对称的。压强只是r的函数;由边界条件我们可以推知周向动量方程和径向动量方程分别为:
d2udr2+1rdudr-vr2=0(1)
dpdr=ρυ2r(2)
ρ为液体密度,
υ为液体的圆周速度,
p为液体径向的压力。
由该流动的边界条件是:υ(R1)=wd1/2,υ(R2)=0,我们可以将边界条件代入(1)式,得到速度场的的分布函数为:
υ=R21w[R22/r-r]/(R22-R21)(3)
然后将速度分布式(3)代入(2)式得到圆筒内的压强分布为:
∫pp1dp=∫rR2ρv2rdr,整理后即为
Pφ=ρR41w2(R22-R21)212r2-R4221r2-2R22lnr|rR2+P1;(4)(式中的P1为高位水箱静压头)。
根据后汽封的实际结构我们知道内外圆筒的间隙仅为50-60um所以R2/R1的比之将非常的近似等于1,经过整理(4)式前一部分约为0,圆筒内外的压力分布大小将基本上完全有P1所决定,即高位水箱的静压头决定,所以我们只要保证高位水箱足够的静压头就能保证液体在运行阶段不会产生汽蚀现象,造成密封失败,这一点在运行中是完全可以保证的。
下面我们来讨论第二个问题。
我们假定汽轮机主轴与密封液体作相对运动,即汽轮机主轴静止,液体在闭式环形空间内做环形流动,则形成的摩擦损失要大于正常运行状态下形成的摩擦损失,摩擦所产生的热量将全部的被转化为工作介质的温升。假定基本技术数据为:
汽轮机主轴直径d为300mm,主轴转速为3000r/m即314rad/s,水封的有效作用截面为一矩形,轴向密封长度为0.25m,高度为500um。截面形状如下图所示:
图4 汽封截面度开尺寸
则液体的流动速度c为:
c=d/2×w=0.3/2×314=47.1m/s;
则该矩形流动截面的当量直径为:
De=4A/X=4×0.25×0.0005/[2×(0.5+0.0005) ]=0.0005m,式中A为非圆筒管道的过流断面,X为湿周长度。
则流体运动的雷诺数为:Re=c*De/v=47.1×00005/(1×10-6)=0.02×106;
式中v是液体在一个大气压,20℃下的运动粘度。
根据管道的沿程损失的有关计算公式,沿程阻力系数为:
λ=0.3164Re0.25=0.029;
液体旋转一周的长度为L:
L=d×π=0.3×3.14=0.9m;
液体旋转运行一周沿程阻力损失hf为:
hf=λLDec22g=0.029×0.9×47.1×47.1/(0.0005×2×9.8)=5908m;
设定主轴旋转一周使液体运动产生所做的功全部转化为液体内能则产生的热量Q为:
Q=m×g×hf=1000×(0.0005×0.25×0.9)×9.8×5908=6513J;
水的比热容为4.2×103J/kg.℃,主轴运行一个小时,产生20℃的温升需要补充入工作介质量m为:
m=6513J×3000r/m×60m/4200/20=13956kg/h。
由此可见水封在运行阶段的补水量非常小,完全可以通过间隙泄露水量来平衡主轴对液体做功所产生的温升,满足稳定运行的条件。
4 水封技术节能分析
设定均压箱新蒸汽压力为中温中压的新蒸汽即343Mpa,435℃(焓值为3304.2kj/kg),每小时的供汽量为05t/h,汽机年运行7200小时计算折合标煤为:
3304.2 kj/kg×500kg/h×7200/29308=405.9吨;
假设标煤的价格为800元/吨,则每年可节省运行费用是:
405.9×800=32.5 万元;
由此可见具有巨大的节能空间,该项技术值得推广与应用。
参考文献
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