李現(xiàn)雄

摘要：N15-3.8型汽輪機(jī)是青島捷能汽輪機(jī)股份有限公司制造的中溫、中壓工作性能的單缸凝汽式汽輪機(jī)組，它的本體是采用了最新的科技組成手法，核心設(shè)備包括靜子和轉(zhuǎn)子兩個部分。文章論述了汽輪機(jī)運(yùn)行中的功率損失和改善措施，針對南海綠電再生能源有限公司運(yùn)行中的問題提出合理的技術(shù)改造，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；功率損失；效率問題；設(shè)備運(yùn)行；靜子；轉(zhuǎn)子 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK264 文章編號：1009-2374（2016）20-0033-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.015

1 設(shè)備參數(shù)

本廠兩臺青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司制造的15MW汽輪機(jī)組。N15-3.8型汽輪機(jī)是青島捷能汽輪機(jī)股份有限公司制造的中溫、中壓工作性能的單缸凝汽式汽輪機(jī)組。它的本體采用了最新的科技組成手法，核心設(shè)備包括靜子和轉(zhuǎn)子兩個部分。顧名思義，在設(shè)備組成中，靜子指的是氣缸、隔板等常見的靜態(tài)化設(shè)備調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)子則指的是主軸、葉片等運(yùn)轉(zhuǎn)的動機(jī)設(shè)備，兩者相互作用、相互制衡，才形成了強(qiáng)大的汽輪機(jī)功率。

2 功耗損失

汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率是因?yàn)闊o效功耗的存在，通常情況下，在機(jī)組內(nèi)部動能轉(zhuǎn)化的過程中，噴管、葉輪等機(jī)械設(shè)備相互作用，在進(jìn)氣、出氣的過程中，容易產(chǎn)生一定的消耗和損傷。在物理作用力的推動下，在循環(huán)進(jìn)出氣體的過程中，要注意如下方面：采用扭葉片的級不存在扇形損失的發(fā)生，采用轉(zhuǎn)鼓的反式汽輪機(jī)不需要考慮到葉輪摩擦產(chǎn)生的損失等。

2.1 葉片高度產(chǎn)生的損失

葉高損失又稱為端部損失。它實(shí)質(zhì)上是屬于噴嘴和動葉的流動損失。在具體的操作工程上為了方便，就把它作為獨(dú)立單位，單獨(dú)分出來計(jì)算。在葉片高度產(chǎn)生的損耗上，葉片高度只有大于相對高度的時候，才能確保設(shè)備運(yùn)作的準(zhǔn)確性和安全性，否則極容易造成葉高極限高度的增加，導(dǎo)致運(yùn)行故障。

2.2 扇形運(yùn)轉(zhuǎn)造成的損耗

在汽輪機(jī)組的運(yùn)作過程中，環(huán)列葉柵和平面葉柵具有重要的作用。一方面，葉柵的距離在內(nèi)外直徑的發(fā)展中，呈現(xiàn)出等比例增加的發(fā)展趨勢。當(dāng)在平面直徑截面處于最佳節(jié)點(diǎn)時，相應(yīng)的葉型損失系數(shù)也在變化；另一方面，在汽輪機(jī)組空氣流動的過程中，葉柵出口氣流在軸向間隙中容易產(chǎn)生一定的空氣壓力，避免在內(nèi)外壓力中產(chǎn)生較大的消耗，盡量減少扇形損失的發(fā)生發(fā)展。

2.3 葉輪轉(zhuǎn)動所造成的損耗

葉輪損耗在汽輪機(jī)組的運(yùn)行過程中，又被稱為摩擦損失，指的是由葉輪轉(zhuǎn)動摩擦所引發(fā)的硬件消耗。當(dāng)葉輪在充滿蒸汽的汽室內(nèi)轉(zhuǎn)動時由于蒸汽的黏性和旋轉(zhuǎn)表面的粗糙度，黏附在葉輪兩側(cè)及外緣表面的蒸汽微團(tuán)被葉輪帶著轉(zhuǎn)動，其圓周速度與葉輪表面相應(yīng)點(diǎn)的圓周速度大致相等，緊貼在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微團(tuán)的圓周速度為零。由葉輪表面至汽缸壁的間距上蒸汽微團(tuán)的圓周速度是不同的，即存在著速度梯度，因此造成了蒸汽微團(tuán)之間和蒸汽與壁面之間的摩擦。為了克服摩擦和帶動蒸汽質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，必然要消耗一部分輪周功。

除此之外，葉輪損耗還包括子午面內(nèi)的渦流運(yùn)動引起的損失緊靠葉輪表面的蒸汽微團(tuán)隨葉輪一起轉(zhuǎn)動，受到離心力的作用，產(chǎn)生向外的徑向流動。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微團(tuán)由于速度小，受到的離心力也小，自然地向中心移動以填補(bǔ)葉輪處徑向外流的蒸汽，于是葉輪兩側(cè)的子午面內(nèi)便形成了蒸汽的渦流運(yùn)動。渦流本身要消耗一部分輪周功，而且還使摩擦阻力

增加。

3 部分進(jìn)汽損失

在汽輪機(jī)功率的運(yùn)行過程中，為了確保整體設(shè)備運(yùn)作健康、高效，對設(shè)備部分進(jìn)汽損耗也要進(jìn)行充分的關(guān)注。例如，在小汽輪機(jī)高壓級容積流量較小的情況下，為了確保噴嘴高度能夠占據(jù)部分圓圈設(shè)備的圓周，在噴嘴葉柵的設(shè)置上，要進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)級的配設(shè)方式要在整體圓周長度上有所表示，將原本的進(jìn)出氣損耗逐步降低，減少因?yàn)檫M(jìn)汽而帶來的能量損失。

3.1 鼓風(fēng)損失問題

一般來說，鼓風(fēng)損失多發(fā)生在不裝設(shè)噴嘴的弧段內(nèi)。當(dāng)汽輪機(jī)功率損失逐漸加大時，動葉渠道通過蒸汽發(fā)動機(jī)時，處于靜態(tài)的蒸汽要從發(fā)展的兩項(xiàng)相互充鼓，在很大程度上消耗鼓風(fēng)發(fā)動的能力。同時動葉兩側(cè)與充滿在軸向間隙中的不工作蒸汽產(chǎn)生摩擦，從而帶來了摩擦損失，在數(shù)值上比前者還大。由此，當(dāng)汽輪機(jī)動率呈現(xiàn)上升趨勢時，部分進(jìn)汽度越小，鼓風(fēng)損失越大。從這一機(jī)組現(xiàn)象不難得出研究理論，推行“防護(hù)罩”式的機(jī)組工作策略。為了減少鼓風(fēng)損失，除了要合理選擇部分進(jìn)汽度外，還需要經(jīng)常發(fā)揮鼓動蒸汽量的保護(hù)作用，通過限制“能動葉片”的發(fā)展形式，減少鼓動的蒸汽量和動能。尤其是在排汽損失與鼓風(fēng)損失呈現(xiàn)反作用力的時候，要在一定的工作內(nèi)，進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控。當(dāng)動葉柵經(jīng)過無噴嘴的弧段時，對應(yīng)的汽道內(nèi)被汽室中的呆滯蒸汽所充滿。當(dāng)動葉進(jìn)入工作弧段時，噴嘴中射出的高速汽流要把汽輪機(jī)氣道中的廢氣、無用蒸汽推動出去，并逐步促進(jìn)蒸汽的排出速度，使這段工作機(jī)組能夠接受蒸汽的推動作用。

同時要認(rèn)識到葉輪高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)生作用，在車輪機(jī)的噴嘴出口的地方，進(jìn)行常態(tài)的維護(hù)，防止在噴嘴葉柵與動葉葉柵之間的間隙中產(chǎn)生氣體泄露，干擾汽輪機(jī)的正常運(yùn)行，引發(fā)不必要的損失。在彭嘴處的氣動功率上，由于端口的方向問題，容易產(chǎn)生一定的蒸汽廢氣，從而將一些無用的氣體帶入機(jī)內(nèi)的動葉氣道中，引發(fā)不必要的設(shè)備損耗。這種情況也是噴嘴弧段兩端處較為常見的問題，也被稱為是弧端損失，其發(fā)生率比較高。由于汽輪機(jī)的動葉問題，經(jīng)過噴嘴弧端的同時，在相同的汽輪汽度下，噴嘴分布的具體組數(shù)決定著蒸汽機(jī)組斥汽的壓力和損失。為了進(jìn)一步改善設(shè)備運(yùn)行問題，建議廣大工作者可以在相同的汽度下，盡量減少設(shè)備噴嘴周邊的噴嘴組數(shù)和損耗。

3.2 漏氣損耗問題

在隔板前后距離中，具有一定的壓力差，而在隔板的前后距離上，也存在著一定的間隔差。因此，當(dāng)蒸汽氣體開始運(yùn)行時，隔板前的縫隙到葉輪之間產(chǎn)生一定的疏漏，從而使一部分蒸汽變成不具備實(shí)際功能的廢氣，造成隔板漏氣。更甚者，就這一部分的蒸汽流散來說，它還將通過噴嘴間隙進(jìn)入動葉之中，從而擾亂動葉中的氣流的方向，造成汽輪機(jī)效率減少。在葉輪上開設(shè)平衡氣流的引導(dǎo)孔洞，使隔板氣流能夠?qū)θ~片的氣封現(xiàn)象加以控制，最大程度上弱化漏氣消耗這一問題的產(chǎn)生。

在動葉的頂端口處，為了減少轉(zhuǎn)子和氣缸的震動，要在動葉的頂部和隔板的持環(huán)之間，預(yù)留下相應(yīng)距離，作為汽輪機(jī)橫、縱相間隙，減少動葉頂部的反動程度。這樣即使從噴嘴中出來的蒸汽不能盡快通過動葉的啟動，也會通過預(yù)留的空隙進(jìn)行疏導(dǎo)，將氣體滯留在間隙級后，避免形成葉頂?shù)穆鈸p失。在漏氣量的預(yù)設(shè)中，要直接作用于預(yù)留空隙的面積和壓差，減少漏氣的具體損失，并采用不同的汽封手段，滿足減少汽輪機(jī)功率損耗的若干需求。除此之外，因?yàn)楦叩妄X汽封的間隙可以做得很小，而且汽流每通過一個齒就發(fā)生一次節(jié)流作用，使壓力降低一次，故每個齒只承擔(dān)整個壓差的一小部分。

由于每個汽封齒中蒸汽的流動情況都大致與蒸汽在漸縮噴嘴中的流動相似，所以漏汽量可以參照噴嘴流量公式計(jì)算。對于反動級來說，當(dāng)汽輪機(jī)功率的損失發(fā)生到一定層次時，其工作屬性和安全特性都在減弱，漏氣損失比汽輪的沖動級要更強(qiáng)一些，具體分析如下：（1）在內(nèi)徑的氣封過程中，其漏氣數(shù)量和沖動級的隔板漏氣具有很大的差距面積，這主要是因?yàn)閮?nèi)徑汽封直徑比隔板汽封直徑大，而汽封齒數(shù)又比較少；（2）動葉前后的壓差較大，所以葉頂漏汽量相當(dāng)明顯。汽輪機(jī)在運(yùn)作的過程中，靜止部分和轉(zhuǎn)動部分受熱不均，溫差較大，為避免兩者摩擦，和又不能過小。因此采用徑向和軸向汽封結(jié)構(gòu)，以減少漏汽。對于較長的扭葉片級，在無圍帶的情況下，往往將動葉頂部削薄，縮短動葉與汽缸（或隔板套）的間隙，從而達(dá)到封汽的作用。此外，還應(yīng)盡量設(shè)法減小葉頂反動度，使動葉項(xiàng)部前后壓差不致

過大。

3.3 濕汽消耗問題

在蒸汽汽輪機(jī)的發(fā)動之下，飽和蒸汽機(jī)的若干工作都要建立在濕汽蒸汽運(yùn)作的基礎(chǔ)上，由于工作中設(shè)備受到較多潮濕氣體的消耗，其蒸汽機(jī)的工作情況也表現(xiàn)出一定的波動。這一現(xiàn)象也被稱為是汽輪機(jī)功率的損失，它的具體情況也分為以下方面：

濕蒸汽的過飽和現(xiàn)象對噴嘴通流能力的影響。這種過飽和現(xiàn)象對級的能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的影響表現(xiàn)為理想比焓降的減少。由于過飽和現(xiàn)象的存在，蒸汽進(jìn)入濕蒸汽區(qū)暫時仍按過熱蒸汽的規(guī)律膨脹，濕汽損失通常用下列公式計(jì)算：

式中，X——級的平均蒸汽干度；x=1∕2（xo+x2）

未計(jì)算濕汽損失時級的有效比焓降。濕汽損失與級的平均干度成正比，濕度越大損失越大，級的效率就越低。

一般來說，濕蒸汽在膨脹過程中析出的水珠，尤其是聚集在噴嘴出汽邊的水膜經(jīng)汽流粉碎后所形成的較大顆粒的水珠，其速度比蒸汽的速度低得多。這樣，在汽水兩相流動中，低速的水珠被高速的蒸汽挾帶著流動，從而消耗了汽流的一部分動能，稱之為挾帶損失。

在汽流的挾帶下，水珠的速度雖有提高，但仍小于汽相的速度。水珠出噴嘴的速度只有蒸汽速度的10%～13%，而圓周速度u一樣，水珠偏于原本的撞擊軌道，反而產(chǎn)生組織葉輪旋轉(zhuǎn)的反向作用力，使汽輪設(shè)備產(chǎn)生較大的制動損耗。

從汽輪機(jī)動葉里的水珠，其發(fā)生速度會比蒸汽速度要慢得多。但是，圓周速度u是一樣的，使絕對速度遠(yuǎn)大于蒸汽的速度，當(dāng)蒸汽進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，主流氣體被干擾時，那么會造一定的損失效率，稱之為擾流損失。

在濕蒸汽級中采用的各種捕水裝置，當(dāng)從級內(nèi)排除部分液相的同時，都會產(chǎn)生一些發(fā)展問題，當(dāng)蒸汽被抽出汽輪機(jī)的同時，容易造成設(shè)備工質(zhì)損失的問題。在蒸汽濕氣的產(chǎn)生中，針對于氣體受到?jīng)_擊情況，葉片表面在長時間的損耗中，容易形成密集的毛細(xì)小孔，這些細(xì)小的空洞會造成汽輪機(jī)功率的故障，嚴(yán)重者甚至造成葉片缺損，對汽輪機(jī)的安全運(yùn)產(chǎn)生有很大的威脅。隨著單機(jī)功率不斷增大，末級葉高和葉頂圓周速度也不斷增大，沖蝕程度就更嚴(yán)重，所以現(xiàn)代輕汽式汽輪機(jī)末級最大可見濕度限制在12%～14%范圍內(nèi)。為了提高濕蒸汽級的效率和防止動葉被沖蝕損壞，一方面可采取有效的去濕方法；另一方面應(yīng)提高葉片本身的抗沖蝕能力。

常用的去濕方法有：（1）由捕水口、捕水室和疏水通道組成的級內(nèi)捕水裝置。它有噴嘴后和動葉后兩種形式，水珠受離心力的作用被拋向外緣后，經(jīng)過捕水口槽道l進(jìn)入環(huán)形捕水室2，然后通過疏水通道3流入壓力更低的低壓加熱器或凝汽器。這種捕水裝置應(yīng)用很廣泛，捕水效率可達(dá)濕蒸汽中所含水分的20%～30%；（2）只有吸水縫的空心噴嘴。這種去濕裝置是將空心噴嘴經(jīng)環(huán)形通道與壓力比它低的低壓加熱器或凝汽器連通而形成負(fù)壓，這樣通過噴嘴上開的吸水縫就可將噴嘴表面上的凝結(jié)水膜吸走。吸水縫有的靠近進(jìn)汽側(cè)，有的靠近出汽側(cè)（內(nèi)弧或背弧），也有把吸水縫開在出汽邊上的。試驗(yàn)表明，吸水縫布置在噴嘴的頂部附近去濕效果最好，因?yàn)樵谶@里集中了水分的主要部分。這種結(jié)構(gòu)的去濕效果比較好，因此被許多制造廠采用。它的缺點(diǎn)是，要有相當(dāng)一部分蒸汽被同時抽出，這不僅使做功的工質(zhì)減少，而且要求環(huán)形通道的截面必須設(shè)計(jì)得很大，給制造帶來了一定的困難；（3）采用出汽邊噴射蒸汽的空心噴嘴?？招膰娮斓膬?nèi)部空間與出汽邊的縫隙相通，縫隙最好設(shè)計(jì)成噴嘴狀。從壓力較高一級來的蒸汽經(jīng)汽缸上的環(huán)形室引入空心噴嘴后由出汽邊的縫隙中噴射出去，使噴嘴的尾跡區(qū)消失，阻止該處大粒水珠的形成，同時使層跡區(qū)汽流速度均衡，這對提高級效率和改善動葉的應(yīng)力狀況都是有利的。這種方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是，由壓力較高點(diǎn)送來的蒸汽，其能量并未損失，而是參加了本級的膨脹做功。

為了進(jìn)一步強(qiáng)化汽輪機(jī)功率頁面的發(fā)展作用，建議廣大工作人員從如下方面進(jìn)行探究：在設(shè)備材料的選取上，采用鈦合金等更具耐腐蝕性能的機(jī)械備件材料。在葉片進(jìn)汽邊背弧上鑲焊硬質(zhì)合金，常用的辦法是將司太立合金做成薄片焊在動葉頂部進(jìn)汽邊的背弧上，對葉片表面鍍鉻、局部高頻淬硬、電火花強(qiáng)化、氮化等，這些都可增加動葉表面硬度，延長動葉使用壽命。

以上是對汽輪機(jī)功率損耗的一些淺見，下面是針對本廠機(jī)組運(yùn)行的問題進(jìn)行分析和建議，旨在提高汽輪機(jī)的工作效率。本廠汽輪機(jī)運(yùn)行中真空一直不理想，冷凝器循環(huán)水采用的是冷卻塔水池循環(huán)方式冷卻。經(jīng)過對機(jī)組真空系統(tǒng)查漏，未能找到漏點(diǎn)及可疑的地方。真空嚴(yán)密性試驗(yàn)一直良好，下降率在0.27kPa之內(nèi)。通過化學(xué)人員對循環(huán)水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)濁度偏大，經(jīng)過對機(jī)組冷凝器運(yùn)行的一些參數(shù)分析，考慮到冷凝器內(nèi)管子內(nèi)壁清潔度不良，影響其換熱效率而致真空不理想。建議采用加裝冷凝器在線清洗裝置，這種在線清洗裝置清洗過程中無需外置動力驅(qū)動，它利用的是循環(huán)水流動中所產(chǎn)生的動力帶動裝置不間斷進(jìn)行清理，使管道內(nèi)壁保持較高的清潔度。下面是加裝冷凝器在線清洗裝置前后的一些數(shù)據(jù)對比：

從以上數(shù)據(jù)分析得出，加裝在線清潔裝置后真空明顯上升。令管道內(nèi)壁保持較高的清潔度，使其換熱能力大幅提高，使得機(jī)組整體效率明顯提高，初步計(jì)算其能力大約提高了2%，每年為公司多創(chuàng)造200多萬元效益。

以上為參考我公司一些運(yùn)行情況，發(fā)表的一些個人淺見，還有很多不足，一些數(shù)據(jù)還需在實(shí)踐中獲取，水平有限，疏漏不足之處還敬望各專家及讀者批評指正。

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