關(guān)于飽和蒸汽汽輪機(jī)除水處理的探討

摘要：對(duì)于飽和蒸汽汽輪機(jī)而言，汽輪機(jī)低壓級(jí)動(dòng)葉片水蝕是最主要的影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行的因素，本文從汽輪機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何對(duì)蒸汽進(jìn)行除水為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行防水蝕的探討及重點(diǎn)探討是如何對(duì)飽和蒸汽汽輪機(jī)尤其是次中壓以上參數(shù)飽和汽輪機(jī)進(jìn)行除濕。

關(guān)鍵詞：飽和蒸汽；動(dòng)葉水蝕；蒸汽除濕；蒸汽再熱

一、 低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)如何除水

對(duì)于低參數(shù)飽和蒸汽汽輪機(jī)而言，新蒸汽壓力低，汽輪機(jī)整機(jī)焓降較小，在末級(jí)形成液態(tài)水與常規(guī)過(guò)熱機(jī)組差距不大，因此該類機(jī)組內(nèi)部采取適當(dāng)除水措施便可大幅度避免水蝕危害。

作者根據(jù)多年汽機(jī)設(shè)計(jì)與采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出近似公式估算汽輪機(jī)排汽濕度，如此無(wú)需進(jìn)行熱力計(jì)算可大致估出飽和汽輪機(jī)排汽含水量：

其中X（L）——含水量；η——汽機(jī)內(nèi)效率；p0——主汽絕對(duì)壓力；p2——排汽絕對(duì)壓力。

一般大致可取η=0.77進(jìn)行估算，則以上公式簡(jiǎn)化為：

以上兩個(gè)公式僅適用于主汽壓力在0.2～1.6MPa范圍內(nèi)飽和蒸汽汽機(jī)估算。

圖1為汽輪機(jī)在不同壓力下的蒸汽干度曲線，由圖可知當(dāng)進(jìn)汽壓力高于0.4MPa.a汽輪機(jī)尾部干度小于0.88（即含水量高于12%）。

圖2是低參數(shù)飽和蒸汽汽輪機(jī)系統(tǒng)示意圖，該類機(jī)組防水蝕措施如下：

1.如圖2，汽機(jī)入口前設(shè)置汽水分離裝置，保證汽機(jī)入口蒸汽干度在99%左右。

2.每級(jí)動(dòng)葉進(jìn)汽邊進(jìn)行激光淬硬處理以提高材料抗沖擊性能。

3.相連級(jí)間都開有疏水口，及時(shí)疏走液態(tài)水以減少下一級(jí)入口含水量。（見圖2及圖3所示）

4.每級(jí)隔板底部開有疏水口，這樣對(duì)于級(jí)間沒有被疏水口疏走的水逐級(jí)匯流，最后流到排汽裝置中。（見圖3）

5.隔板上半部分都設(shè)有倒鉤狀的導(dǎo)水槽，可以更好的收集上一級(jí)葉頂甩出的凝結(jié)水，避免進(jìn)入下一級(jí)。（見圖4）

6.增大汽輪機(jī)級(jí)間距。根據(jù)日本的研究表明，流入動(dòng)葉的水滴和蒸汽的絕對(duì)速度之比Cl/Cv，并且隨著水滴直徑D及動(dòng)靜葉間距△L的大小變化而變化。D=500μm的水滴，其Cl/Cv只有0.2，即水滴撞擊葉面的法向速度很大。而△L增大，則Cl/Cv也大，故加大軸向間距往往是有利的。

7.通過(guò)合理的考慮汽輪機(jī)焓降分配，降低汽輪機(jī)尾部動(dòng)葉片圓周速度來(lái)降低大水滴對(duì)葉片的沖擊。

材料水蝕是沖擊和化學(xué)復(fù)合作用的結(jié)果，通常以沖擊作用為主，各種材料存在一個(gè)臨界沖擊速度Wcr，低于此限水蝕輕微，可以不計(jì)。不同典型防蝕材料的Wcr值如下：

一般12%的鉻鋼：140m/s；

優(yōu)質(zhì)司太立合金：210～300m/s；

一般硬質(zhì)合金：190 m/s；

當(dāng)法向沖撞速度Wcr大于450 m/s時(shí)，司太立合金也很快沖蝕。

一般汽輪機(jī)尾部葉片采用鑲司太立合金或其他方式達(dá)到同等硬度，同時(shí)由以上數(shù)據(jù)表明，降低水滴的沖擊速度也非常關(guān)鍵。相對(duì)速度包含兩方面，其一是蒸汽從靜葉噴出的絕對(duì)流速c1，其二是動(dòng)葉頂部圓周速度u，當(dāng)這兩個(gè)數(shù)值同時(shí)較小時(shí)，直至低于Wcr，葉片便可基本安全。

對(duì)于汽輪機(jī)設(shè)計(jì)而言，當(dāng)速比S=u/c1在最佳值Scr附近，則效率最高，因此在考慮減小c1、u的同時(shí)保持S值基本不變，而

c1=（2·△h）0.5，其中△h為汽輪機(jī)沒級(jí)的焓降。

因此在考慮減小c1的同時(shí)不影響汽輪機(jī)效率，最終需要減小△h，由于汽輪機(jī)總的焓降不變，當(dāng)每級(jí)焓降減小，最終使得汽輪機(jī)級(jí)數(shù)需增加。

一般對(duì)于低參數(shù)汽輪機(jī)而言，增加1個(gè)壓力級(jí)即可實(shí)現(xiàn)降低u和保證效率的目的。

二、次中、中參數(shù)以上飽和蒸汽汽輪機(jī)如何除水

次中參數(shù)以上飽和蒸汽汽輪機(jī)比低參數(shù)機(jī)組在末級(jí)產(chǎn)生的水量更大，其含水量大致在17%～21%（如圖5所示），飽和水液滴也隨主汽壓力升高呈變大趨勢(shì)。因此，如何降低末級(jí)含水量至關(guān)重要。

該參數(shù)汽機(jī)設(shè)計(jì)，除需考慮上文所述措施外，需考慮如下措施：

（一）汽輪機(jī)中間除水裝置

次中以上飽和蒸汽在汽機(jī)內(nèi)壓力下降到0.3MPa.a時(shí)，如在該壓力位置將蒸汽中液態(tài)水除盡，則汽輪機(jī)排汽含水量將在12%以內(nèi)（查圖1可知）。對(duì)于次高壓飽和汽機(jī)組，在汽機(jī)內(nèi)03MPa.a壓力位置，即使不采取任何除水措施，該處含水量也可控制在10%以內(nèi)，即選擇該處除水是可以兼顧保證除水位置前和后的通流級(jí)均處于安全狀態(tài)。

中間除水機(jī)組分為外部除水和內(nèi)部除水兩種方式：

1.外部除水

圖6為外部除水示意圖，在汽輪機(jī)內(nèi)部選擇合適位置（即0.3MPa.a左右位置），將汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽全部抽出，汽水分離分離后，干飽和蒸汽回到汽輪機(jī)后半部分，飽和水回除氧器。

外部除水方式具有系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、安全穩(wěn)定性高、除水性能可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

外部除水因需對(duì)汽缸開全流量抽汽口及補(bǔ)汽口，受汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸限制，以及用戶現(xiàn)場(chǎng)布置的考慮，外部除水結(jié)構(gòu)適合于主蒸汽量較小的汽輪機(jī)。

2.內(nèi)部除水

圖7為作者及團(tuán)隊(duì)研發(fā)的汽機(jī)內(nèi)部除濕系統(tǒng)示意圖，除水裝置安裝于汽輪機(jī)內(nèi)0.3MPa.a左右壓力位置，蒸汽通過(guò)除濕裝置時(shí)，在“通流部分蒸汽區(qū)”內(nèi)蒸汽具有足夠離心速度將凝結(jié)水通過(guò)“汽水分離口”甩出進(jìn)入“疏水裝置汽水混合區(qū)”，最后液態(tài)水通過(guò)底部疏水口進(jìn)入疏水膨脹箱。為保證除濕效果，在除濕裝置底部設(shè)置蒸汽旁通口連接到冷凝器，如此在“汽水分離口”兩側(cè)建立一定壓差，保證水不易附著在“汽水分離口”附近的金屬表面。

內(nèi)部除濕系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單、安全穩(wěn)定性較好、對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)空間緊張的用戶更為實(shí)用。

（二）汽輪機(jī)中間除水再熱系統(tǒng)

純中間除水裝置抽汽口在0.3MPa.a左右壓力位置除水效果較好，與外部除水方式一樣除水性能雖好，但均難完全除凈，且當(dāng)蒸汽流量大時(shí)，在0.3MPa.a位置體積流量巨大，外部除水較難實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部除水則要求裝置非常大，結(jié)構(gòu)上較難實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于一些流量較大的飽和蒸汽機(jī)組，最適宜采用外部除水再熱系統(tǒng)，類似于核電用汽輪機(jī)系統(tǒng)。

圖8為作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的除水再熱系統(tǒng)示意圖，中壓缸排出大于0.7MPa.a的濕蒸汽，由汽水分離器對(duì)蒸汽除水后進(jìn)入表面式換熱器，一部分主蒸汽作為加熱熱源將0.7MPa蒸汽加熱成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸。

其除水部分與上文的外部除水相同，考慮到低壓處開口難，該除水選擇在0.7～1.0MPa壓力范圍內(nèi)位置，次中壓以上飽和汽在經(jīng)過(guò)幾級(jí)做功后含水量在6%～10%，除水具有充分必要性，而如果壓力更高，則除水量較少，且再熱后的蒸汽過(guò)熱度低，再熱后蒸汽流通到末級(jí)的含水量甚至高于前面介紹的除濕方式，其次該處除水后，再經(jīng)過(guò)表面式換熱器用一部分主蒸汽對(duì)被除濕蒸汽再熱后，蒸汽溫度將可保證在220℃～250℃范圍內(nèi)，該參數(shù)在汽輪機(jī)內(nèi)做功后到汽輪機(jī)末級(jí)能保證含濕量低于12%。

三、總結(jié)

總而言之，從安全運(yùn)行角度出發(fā)，飽和蒸汽汽輪機(jī)除濕措施不可或缺，并且要從汽輪機(jī)每一級(jí)全方位考慮。當(dāng)然，對(duì)于壓力較高的飽和蒸汽，中間除濕處理是最為關(guān)鍵的步驟，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許情況下，中間除濕位置選擇越靠近汽輪機(jī)排汽口越好。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍普.汽輪機(jī)低壓部分腐蝕分析.河北煤炭，2008（5）.

[2]胡平.汽輪機(jī)末級(jí)葉片表面防水蝕處理工藝及發(fā)展.表面技術(shù)，2008，（37）.

作者簡(jiǎn)介：唐真和（1984），男，漢族，江西星子人，工程師，本科，就職于杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司汽輪機(jī)研究所，主要從事工業(yè)余熱發(fā)電與節(jié)能減排領(lǐng)域汽輪機(jī)研發(fā)工作。