劉云鋒，李宇峰，王健，馬義良，關(guān)淳

汽輪機(jī)深度調(diào)峰的水蝕問(wèn)題研究

劉云鋒，李宇峰，王健，馬義良，關(guān)淳

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省 哈爾濱市 150046）

為研究汽輪機(jī)深度調(diào)峰引起的末級(jí)動(dòng)葉片水蝕問(wèn)題，提高機(jī)組的壽命，采用計(jì)算分析與機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的推論，綜合考慮背壓和負(fù)荷對(duì)水蝕的影響，建立了以相對(duì)容積流量為基準(zhǔn)的葉片水蝕衡量方法。研究結(jié)果表明：隨著相對(duì)容積流量減小，動(dòng)葉水蝕部位從應(yīng)力較小的頂部進(jìn)汽邊轉(zhuǎn)移到應(yīng)力較大的根部出汽邊，危險(xiǎn)性增大；動(dòng)葉片水蝕率也隨相對(duì)容積流量減小呈現(xiàn)出先上升、后下降、再上升的變化趨勢(shì)，階段間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一種平衡狀態(tài)。

汽輪機(jī)；深度調(diào)峰；葉片水蝕

0 引言

2020年我國(guó)提出了2030年實(shí)現(xiàn)碳排放“達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)碳排放“中和”的目標(biāo)，為可再生能源提供了進(jìn)一步發(fā)展的巨大空間。截至2019年底，我國(guó)風(fēng)電與光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到2.1億kW和2.04億kW，年發(fā)電量分別達(dá)到 4057億kW×h和2 243億kW×h，是可再生能源消納量最大的國(guó)家[1-2]，預(yù)計(jì)到2040年，可再生能源占一次能源的消費(fèi)比例將從4%增長(zhǎng)到約15%[3]?；痣婌`活性改造可以降低機(jī)組的最小出力，是可再生能源消納的有效措施。尤其在“三北”地區(qū)，70%以上都是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，熱電機(jī)組采暖季采用“以熱定電”的方式運(yùn)行，面臨較大的熱電矛盾，造成風(fēng)電接納空間更加受限，靈活性運(yùn)行需求更大。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)火電靈活性改造的需求和措施進(jìn)行了概括。與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家比，我國(guó)火電調(diào)峰能力還有進(jìn)一步提升的空間，丹麥和德國(guó)等國(guó)家的純凝和抽凝機(jī)組的調(diào)峰能力可以達(dá)到60%～80%的額定容量，而我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組多數(shù)以“以熱定電”模式運(yùn)行，供熱期最小負(fù)荷通常在60%～70%[6]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)機(jī)組深度調(diào)峰問(wèn)題進(jìn)行了研究，從系統(tǒng)、設(shè)備等方面進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[7-10]。

汽輪機(jī)作為火力發(fā)電廠的關(guān)鍵部件，其調(diào)峰能力直接決定了電廠的最低負(fù)荷。這其中以水蝕對(duì)末級(jí)葉片的影響最為嚴(yán)重，因?yàn)槟┘?jí)葉片工作環(huán)境惡劣、應(yīng)力大、振動(dòng)復(fù)雜，安全性最不易保證。國(guó)內(nèi)外對(duì)于末級(jí)葉片的水蝕研究主要集中在水蝕機(jī)理和材料的抗水蝕性能2個(gè)方面，而對(duì)于低負(fù)荷的水蝕，尤其極低負(fù)荷下低壓缸噴水帶來(lái)的水蝕研究很少。文獻(xiàn)[11]對(duì)1710mm核電葉片不同負(fù)荷下的水蝕進(jìn)行了研究，并采用拓模法測(cè)量了2臺(tái)同類(lèi)型機(jī)組末級(jí)葉片的水蝕深度。HATTORI等[12]研究了沖擊角對(duì)S15C、SUS304和STPA24這3種鋼材料水蝕的影響。AHMAD等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了液滴沖擊速度、沖擊角度、表面鋸齒及材料的損傷程度等對(duì)5種汽輪機(jī)葉片材料水蝕的影響，結(jié)果表明水蝕質(zhì)量損失與沖擊速度呈指數(shù)關(guān)系。DI等[14]對(duì)常用的長(zhǎng)葉片材料17-4PH和常用的防水蝕材料司太立合金的抗水蝕性能及沖后表面形貌進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，硬度不是決定司太立合金抗水蝕性能的決定性因素。SKODA公司對(duì)葉片材料的水蝕率與水滴直徑、撞擊速度的關(guān)系進(jìn)行了研究[15]。文獻(xiàn)[16]對(duì)葉片的水蝕機(jī)理進(jìn)行了比較全面的綜合描述，并給出了一些估計(jì)水蝕的經(jīng)驗(yàn)公式。

目前末級(jí)葉片的水蝕研究多針對(duì)設(shè)計(jì)工況，而對(duì)變工況運(yùn)行研究極少，針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，并對(duì)減輕水蝕的措施進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1 低壓末級(jí)葉片水蝕規(guī)律分析

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，低壓蒸汽濕度的存在，一方面對(duì)效率有影響，另一方面會(huì)對(duì)末級(jí)動(dòng)葉片造成水蝕。在濕蒸汽中80%～90%為自發(fā)凝結(jié)形成的一次水滴，該水滴尺寸在微米級(jí)，只會(huì)造成流動(dòng)效率降低，不會(huì)對(duì)葉片造成嚴(yán)重水蝕；對(duì)動(dòng)葉片造成嚴(yán)重水蝕的水滴來(lái)自靜葉片、汽缸等表面附著的水膜撕裂形成的二次水滴，這些水滴的直徑較一次水滴大，在靜葉出口無(wú)法被汽流攜帶加速到正常的速度，會(huì)以較大的負(fù)攻角撞擊在動(dòng)葉表面，從而造成動(dòng)葉水蝕。因此，理論上在低壓過(guò)熱的狀態(tài)下，末級(jí)葉片不存在水蝕。

1.1 濕蒸汽區(qū)低壓末級(jí)葉片水蝕規(guī)律分析

圖1是采用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司的一維程序計(jì)算的600MW濕冷機(jī)組相對(duì)排汽濕度隨負(fù)荷變化曲線，圖2是文獻(xiàn)[17]中根據(jù)實(shí)測(cè)熱力數(shù)據(jù)計(jì)算得到的排汽濕度隨負(fù)荷變化圖?？梢钥闯觯瑘D1、2中濕度隨負(fù)荷變化趨勢(shì)相同，均隨負(fù)荷降低而降低。圖3是采用商用CFD軟件計(jì)算的結(jié)果。綜合來(lái)看，隨著負(fù)荷降低，低壓各級(jí)損失增加，尤其末級(jí)會(huì)逐漸進(jìn)入根部鼓風(fēng)狀態(tài)，導(dǎo)致排汽溫度升高，蒸汽濕度降低，直至過(guò)熱。因此，機(jī)組深度調(diào)峰會(huì)使得原本處于濕蒸汽區(qū)的末級(jí)葉片進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，葉片安全性下降。過(guò)渡區(qū)一般定義為蒸汽過(guò)熱度不超過(guò)30℃或動(dòng)葉前的蒸汽濕度不超過(guò)4%的區(qū)域，過(guò)渡區(qū)工作的葉片表面鹽類(lèi)沉淀，產(chǎn)生化學(xué)方面的點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致材料性能下降，危及葉片安全。圖4[18]表明葉片材料2Cr13在過(guò)渡區(qū)(間歇3%NaCl溶液(室溫))耐振強(qiáng)度最低，葉片安全性最差。

圖1 600MW濕冷機(jī)組相對(duì)排汽濕度與負(fù)荷關(guān)系

圖2 北侖三期1000MW濕冷機(jī)組低壓缸排汽濕度隨負(fù)荷變化關(guān)系

圖3 600MW濕冷機(jī)組低壓末級(jí)動(dòng)葉頂部溫度隨負(fù)荷變化

圖4 葉片材料2Cr13腐蝕介質(zhì)下疲勞曲線

圖5和圖6分別是采用自主開(kāi)發(fā)的動(dòng)葉片水蝕率計(jì)算程序計(jì)算的相對(duì)水蝕率與負(fù)荷和背壓的關(guān)系曲線，可以看出，相對(duì)水蝕率隨負(fù)荷增大而減小，隨背壓升高而增大，其本質(zhì)是容積流量減小，導(dǎo)致水蝕率增大。一般認(rèn)為，水蝕率隨濕度減小而減小，但是負(fù)荷降低和背壓升高都會(huì)使得濕度減小，而水蝕率反而增加。

圖5 600MW濕冷機(jī)組末級(jí)葉片水蝕率與負(fù)荷關(guān)系

圖6 600MW濕冷機(jī)組末級(jí)葉片水蝕率與背壓關(guān)系

圖7 動(dòng)葉水蝕原理示意圖

1.2 過(guò)熱工況低壓末級(jí)葉片水蝕規(guī)律分析

從水蝕的原理看，末級(jí)葉片鼓風(fēng)導(dǎo)致工作環(huán)境過(guò)熱后便不存在水蝕。但是實(shí)際機(jī)組為了保證排汽不超溫，需要進(jìn)行排汽缸噴水，這同樣造成末級(jí)葉片水蝕。這種水蝕來(lái)自于通流中噴入的水滴，與噴頭霧化效果、噴水角度、噴水量、根部反動(dòng)度等參數(shù)有關(guān)。

圖8為根據(jù)典型低負(fù)荷下CFD計(jì)算結(jié)果繪制的噴水引起動(dòng)葉水蝕的三維示意圖。在低負(fù)荷或高背壓(即小容積流量)工況下，動(dòng)葉根部出現(xiàn)負(fù)反動(dòng)度、鼓風(fēng)流動(dòng)，低壓缸噴水會(huì)有一部分被吸入動(dòng)葉流道，由于動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)，這部分水滴會(huì)以較大的相對(duì)速度撞擊在動(dòng)葉片出汽邊的背弧，造成水蝕。這種水蝕發(fā)生在動(dòng)葉根部出汽邊，比正常發(fā)生在頂部進(jìn)汽邊的水蝕更危險(xiǎn)，因?yàn)閯?dòng)葉出汽邊很薄且應(yīng)力水平較高。隨著容積流量的降低，動(dòng)葉根部的回流區(qū)增大，動(dòng)葉水蝕高度增大。圖9是某電廠200MW機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行后動(dòng)葉出汽邊的水蝕情況。

圖8 低壓缸噴水與葉片水蝕示意圖

圖9 某電廠末級(jí)動(dòng)葉出汽邊水蝕

1.3 機(jī)組深度調(diào)峰低壓末級(jí)葉片水蝕規(guī)律分析

圖10 末級(jí)動(dòng)葉相對(duì)水蝕率隨容積流量變化

2 減輕末級(jí)葉片水蝕的措施

根據(jù)以上分析，不同階段葉片水蝕的部位和原因不同，需要采取不同的預(yù)防措施。

從運(yùn)行角度看，要盡量降低背壓。在階段，降低背壓可以增加機(jī)組容積流量，降低水滴與動(dòng)葉片的相對(duì)速度，從而減輕水蝕；在其余階段，降低背壓可以減少鼓風(fēng)生熱，使噴水量減少，從而減輕水蝕。

對(duì)于以動(dòng)葉頂部水蝕為主的階段，常規(guī)的空心靜葉片結(jié)構(gòu)[21]、鑲嵌司太立合金片等手段均可采用。

對(duì)于動(dòng)葉根部水蝕，空心靜葉片幾乎沒(méi)有效果，而動(dòng)葉根部很薄，無(wú)法釬焊司太立合金片，淬火、激光強(qiáng)化等又會(huì)導(dǎo)致出汽邊變脆?？梢圆捎贸羲倩鹧鎳娡拷饘偬沾赏繉覽22-23]，這種方法既不會(huì)對(duì)基材造成太大損傷，又可以提高葉片的抗水蝕性能。涂層硬度HV3003700，遠(yuǎn)大于司太立合金片的硬度(HV300=360～490)，抗水蝕性能良好。也可以采用高強(qiáng)度材料提高葉片抗水蝕性能，如15Cr鋼。

對(duì)于階段，尤其階段，低壓缸噴水是葉片水蝕的根本原因，所以增加噴頭的霧化效果、降低水滴尺寸也是有效的措施。

3 結(jié)論

隨著清潔能源利用的增加，火電機(jī)組深度調(diào)峰日益頻繁，由此帶來(lái)的末級(jí)動(dòng)葉片水蝕問(wèn)題，不僅影響葉片壽命，更會(huì)帶來(lái)安全隱患。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，得出以下結(jié)論：

3）在任何工況下，降低機(jī)組背壓均可以減輕葉片水蝕。

4）對(duì)于正常的葉片頂部水蝕，傳統(tǒng)的空心靜葉效果明顯；但是對(duì)于低負(fù)荷下噴水引起的動(dòng)葉根部水蝕，傳統(tǒng)的空心靜葉效果略差，而釬焊司太立合金的措施無(wú)法采用，可以采用超音速火焰噴涂金屬陶瓷涂層、更換高硬度葉片材料等措施，同時(shí)要采用霧化效果較好的噴頭，降低低壓缸噴水水滴的直徑。

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Study on Water Erosion in Deep Peak Shaving of Steam Turbine

LIU Yunfeng, LI Yufeng, WANG Jian, MA Yiliang, GUAN Chun

(Harbin Turbine Co., Ltd., Harbin 150046, Heilongjiang Province, China)

In order to improve the life of the unit, and study the water erosion of the last stage moving blade caused by the deep peak shaving of steam turbine, this paper established a method to measure the water erosion of blade based on relative volumetric flow. The calculation analysis with operating experiences of the unit was employed. The influence of back pressure and load on water erosion comprehensively was taken into account. The results show that, with the decrease of relative volumetric flow rate, the water erosion part of the rotor blade is transferred from the top steam inlet side with lower stress to the root steam outlet side with higher stress. It results in the increase of risk. With the decrease of relative volume flow, the water erosion rate of moving blade shows three stages: first increasing, then decreasing, and rising finally. The turning point between stages corresponds to a balanced state.

steam turbine; deep peak shaving; water erosion of blade

2021-02-23。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21012

TK 26

(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))