關于飽和蒸汽汽輪機除水處理的探討

摘要：對于飽和蒸汽汽輪機而言，汽輪機低壓級動葉片水蝕是最主要的影響汽輪機安全運行的因素，本文從汽輪機設計過程中如何對蒸汽進行除水為出發點進行防水蝕的探討及重點探討是如何對飽和蒸汽汽輪機尤其是次中壓以上參數飽和汽輪機進行除濕。

關鍵詞：飽和蒸汽；動葉水蝕；蒸汽除濕；蒸汽再熱

一、 低壓飽和蒸汽汽輪機如何除水

對于低參數飽和蒸汽汽輪機而言，新蒸汽壓力低，汽輪機整機焓降較小，在末級形成液態水與常規過熱機組差距不大，因此該類機組內部采取適當除水措施便可大幅度避免水蝕危害。

作者根據多年汽機設計與采集運行數據，推導出近似公式估算汽輪機排汽濕度，如此無需進行熱力計算可大致估出飽和汽輪機排汽含水量：

其中X（L）——含水量；η——汽機內效率；p0——主汽絕對壓力；p2——排汽絕對壓力。

一般大致可取η=0.77進行估算，則以上公式簡化為：

以上兩個公式僅適用于主汽壓力在0.2～1.6MPa范圍內飽和蒸汽汽機估算。

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

圖2是低參數飽和蒸汽汽輪機系統示意圖，該類機組防水蝕措施如下：

1.如圖2，汽機入口前設置汽水分離裝置，保證汽機入口蒸汽干度在99%左右。

2.每級動葉進汽邊進行激光淬硬處理以提高材料抗沖擊性能。

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

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

5.隔板上半部分都設有倒鉤狀的導水槽，可以更好的收集上一級葉頂甩出的凝結水，避免進入下一級。（見圖4）

6.增大汽輪機級間距。根據日本的研究表明，流入動葉的水滴和蒸汽的絕對速度之比Cl/Cv，并且隨著水滴直徑D及動靜葉間距△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.通過合理的考慮汽輪機焓降分配，降低汽輪機尾部動葉片圓周速度來降低大水滴對葉片的沖擊。

材料水蝕是沖擊和化學復合作用的結果，通常以沖擊作用為主，各種材料存在一個臨界沖擊速度Wcr，低于此限水蝕輕微，可以不計。不同典型防蝕材料的Wcr值如下：

一般12%的鉻鋼：140m/s；

優質司太立合金：210～300m/s；

一般硬質合金：190 m/s；

當法向沖撞速度Wcr大于450 m/s時，司太立合金也很快沖蝕。

一般汽輪機尾部葉片采用鑲司太立合金或其他方式達到同等硬度，同時由以上數據表明，降低水滴的沖擊速度也非常關鍵。相對速度包含兩方面，其一是蒸汽從靜葉噴出的絕對流速c1，其二是動葉頂部圓周速度u，當這兩個數值同時較小時，直至低于Wcr，葉片便可基本安全。

對于汽輪機設計而言，當速比S=u/c1在最佳值Scr附近，則效率最高，因此在考慮減小c1、u的同時保持S值基本不變，而

c1=（2·△h）0.5，其中△h為汽輪機沒級的焓降。

因此在考慮減小c1的同時不影響汽輪機效率，最終需要減小△h，由于汽輪機總的焓降不變，當每級焓降減小，最終使得汽輪機級數需增加。

一般對于低參數汽輪機而言，增加1個壓力級即可實現降低u和保證效率的目的。

二、次中、中參數以上飽和蒸汽汽輪機如何除水

次中參數以上飽和蒸汽汽輪機比低參數機組在末級產生的水量更大，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。因此，如何降低末級含水量至關重要。

該參數汽機設計，除需考慮上文所述措施外，需考慮如下措施：

（一）汽輪機中間除水裝置

次中以上飽和蒸汽在汽機內壓力下降到0.3MPa.a時，如在該壓力位置將蒸汽中液態水除盡，則汽輪機排汽含水量將在12%以內（查圖1可知）。對于次高壓飽和汽機組，在汽機內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，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均處于安全狀態。

中間除水機組分為外部除水和內部除水兩種方式：

1.外部除水

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

外部除水方式具有系統較簡單、安全穩定性高、除水性能可靠、維護方便等優點。

外部除水因需對汽缸開全流量抽汽口及補汽口，受汽輪機結構尺寸限制，以及用戶現場布置的考慮，外部除水結構適合于主蒸汽量較小的汽輪機。

2.內部除水

圖7為作者及團隊研發的汽機內部除濕系統示意圖，除水裝置安裝于汽輪機內0.3MPa.a左右壓力位置，蒸汽通過除濕裝置時，在“通流部分蒸汽區”內蒸汽具有足夠離心速度將凝結水通過“汽水分離口”甩出進入“疏水裝置汽水混合區”，最后液態水通過底部疏水口進入疏水膨脹箱。為保證除濕效果，在除濕裝置底部設置蒸汽旁通口連接到冷凝器，如此在“汽水分離口”兩側建立一定壓差，保證水不易附著在“汽水分離口”附近的金屬表面。

內部除濕系統最為簡單、安全穩定性較好、對于現場空間緊張的用戶更為實用。

（二）汽輪機中間除水再熱系統

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，且當蒸汽流量大時，在0.3MPa.a位置體積流量巨大，外部除水較難實現，內部除水則要求裝置非常大，結構上較難實現。

對于一些流量較大的飽和蒸汽機組，最適宜采用外部除水再熱系統，類似于核電用汽輪機系統。

圖8為作者團隊設計的除水再熱系統示意圖，中壓缸排出大于0.7MPa.a的濕蒸汽，由汽水分離器對蒸汽除水后進入表面式換熱器，一部分主蒸汽作為加熱熱源將0.7MPa蒸汽加熱成過熱蒸汽進入汽輪機低壓缸。

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壓力范圍內位置，次中壓以上飽和汽在經過幾級做功后含水量在6%～10%，除水具有充分必要性，而如果壓力更高，則除水量較少，且再熱后的蒸汽過熱度低，再熱后蒸汽流通到末級的含水量甚至高于前面介紹的除濕方式，其次該處除水后，再經過表面式換熱器用一部分主蒸汽對被除濕蒸汽再熱后，蒸汽溫度將可保證在220℃～250℃范圍內，該參數在汽輪機內做功后到汽輪機末級能保證含濕量低于12%。

三、總結

總而言之，從安全運行角度出發，飽和蒸汽汽輪機除濕措施不可或缺，并且要從汽輪機每一級全方位考慮。當然，對于壓力較高的飽和蒸汽，中間除濕處理是最為關鍵的步驟，在結構設計允許情況下，中間除濕位置選擇越靠近汽輪機排汽口越好。

參考文獻：

[1]李軍普.汽輪機低壓部分腐蝕分析.河北煤炭，2008（5）.

[2]胡平.汽輪機末級葉片表面防水蝕處理工藝及發展.表面技術，2008，（37）.

作者簡介：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力有限公司汽輪機研究所，主要從事工業余熱發電與節能減排領域汽輪機研發工作。