饱和蒸汽工业汽轮机设计方法研究.pdf

收稿日期:基金项目:杭州市高层次人才特殊支持计划 作者简介:刘 曼()女湖南衡阳人中级工程师 主要从事汽轮机组的研发与设计工作饱和蒸汽工业汽轮机设计方法研究刘 曼王晓斐徐瑞铎岳树元苏舒扬刘象拯(杭州汽轮动力集团股份有限公司杭州)摘要:饱和蒸汽工业汽轮机设计方法需具有通用性广、精度高的特点 实践证明鲍曼经验公式对汽轮机气动效率的评估西门子经验公式对叶片水蚀和主要零部件金属腐蚀、侵蚀影响评估具有良好的效果 采用金属表面强化处理、设计除湿环等措施可有效防止叶片水蚀采用高铬合金钢材料对缝隙表面进行耐磨、耐蚀处理等措施可减缓金属的腐蚀和侵蚀合理设计疏水口可增加机组运行的安全性关键词:汽轮机饱和蒸汽水蚀侵蚀分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:前 言为提高能源的利用率、有效利用低品位能源核能、炼铜、煤化工、钢铁等领域产生的常压饱和蒸汽也逐渐被开发、利用 相比大型核电用饱和蒸汽汽轮机饱和蒸汽工业汽轮机具有参数多变、造价低、结构简单、配置和使用场合(发电和拖动均可)灵活等特点 因此其设计方法需具有通用性广、精度高的特点主要包括评估气动效率的方法饱和蒸汽对静、动部套侵蚀的影响和防水蚀、防侵蚀的措施 饱和蒸汽对汽轮机性能的影响饱和蒸汽会给工业汽轮机性能带来以下几方面影响:()降低汽轮机气动效率()蒸汽中的粗大水滴会与旋转叶片、转子碰撞破坏金属产生水蚀()蒸汽中的氯化物、硫酸盐等杂质腐蚀金属()蒸汽中的细微水滴快速流动冲刷、侵蚀金属使其变薄.饱和蒸汽对气动效率的影响饱和蒸汽产生的气动损失包括:()过冷饱和蒸汽非平衡态凝结带来的能量损失()水滴撞击叶片带来的制动损失()汽水两相流动汽流冲刷、加速水滴带来的损失()固体表面水膜沉积造成的损失针对以上损失鲍曼总结了一套半经验公式用以估计饱和蒸汽对汽机效率的影响:()式中 为过热蒸汽条件下气动效率 为汽轮机内进出口的平均湿度 为鲍曼系数取值范围.通常取 该公式易于应用且在很多工况下与实验是一致的但难以阐述湿气损失的本质 除此以外湿度还对流量系数、反动度、出口汽流角等特性均产生影响.饱和蒸汽对动叶片水蚀的影响末级动叶由于湿度大、旋转速度高尤其是叶顶水珠更多、速度更快最易在进汽侧背弧产生水蚀金属表面有凹坑、呈毛刺状 同时不可忽略的一点是叶片由于小流量或者出口底部受到导流板阻碍会产生大的回旋携带冷却的水珠砸向动叶出汽边产生一样的侵蚀 针对饱和蒸汽汽轮第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.机根据西门子经验公式动叶片的腐蚀系数可按下式计算:()式中 为动叶片腐蚀系数 为级前的静压 为级前的蒸汽干度 为转速/为沿叶片重心线测量的动叶外径根据腐蚀系数 末级低压扭叶片的侵蚀腐蚀程度可分为轻微、中等、严重为了防止叶片因严重腐蚀导致的危险相应地可采取下列措施:对于轻微情形末级动叶片进汽边允许不淬硬对于中等情形末级动叶片进汽边必须淬硬或镶嵌司太立合金对于严重情形必须在末级导叶前设去湿环或采取其它措施去湿.饱和蒸汽对金属侵蚀与腐蚀的影响当蒸汽进入湿汽区后在各压力级动叶顶部与导叶持环内壁间、汽封气流流动的饱和蒸汽对金属材料的侵蚀腐蚀程度可由金属材料的损耗深度来衡量 于 年提出的有关碳钢侵蚀腐蚀的经验公式为:.()式中 为材料损耗深度/()为计算系数如图 所示 、为动叶前、后的压力 为动叶前的蒸汽干度 为平均圆周速度/.为形状系数图 碳钢侵蚀腐蚀的计算系数实践证明由于金属材料表面的钝化作用只有当 超过一定限值时材料才会发生侵蚀腐蚀 这个极限值为./也就是说当.时即使碳钢材料能满足导叶持环的强度要求但由于存在腐蚀风险也应该使用合金钢材料或在危险表面处采用 钢与镍铬合金堆焊来防蚀 如果 .则不必考虑侵蚀腐蚀的影响上述公式主要适用于饱和蒸汽在静子部分以及汽封、动叶顶部与导叶持环内壁之间缝隙处的流动不同位置的形状系数是不同的采用的计算速度也不一样对通流内表面计算速度取汽流速度形状系数:直管内为.弯头处为.管道阻碍处为.因管道、汽缸内壁等处的汽流速度较低介质作用力不大金属的损耗主要取决于它的电化学腐蚀过程一般计算的材料损耗深度值 都较小而动叶顶部与导叶持环内壁处计算的 值一般较大 另一方面如图 所示当压力在 左右时此时温度在 碳钢侵蚀腐蚀的计算系数最大达到.左右因此侵蚀腐蚀主要出现在中压缸部分反而对低压缸部分影响不大由于介质对材料的腐蚀主要降低材料的疲劳强度因此在考核静强度时可以不考虑介质的腐蚀作用但在考核动强度(通过限制蒸汽弯应力来限制动应力)时必须考虑这种影响 对饱和蒸汽进汽的汽轮机调节级动叶一般工作在过渡区内 材 料 的 疲 劳 强 度 将 下 降 一 半 计 算 时 需 加 以 注意 饱和蒸汽工业汽轮机的防护措施.动叶片防护饱和蒸汽中运行的动叶片发生的水蚀主要存在于以下 个位置:()低压动叶顶部水蚀 蒸汽中的微小水滴附着于静叶之上形成水膜水膜被汽流吹向出口边破裂脱离后形成较大水滴称为二次水滴基于二次水滴与动叶相对速度差在叶片顶端位置的冲蚀最明显()低压动叶根部出汽边水蚀 容积流量较小情况下汽流在动叶片根部附近容易发生分离产生回流同时出口边由于湿度大或者排汽位置喷水的影响存在较多液滴回卷的汽流带动液滴冲击叶片因此在动叶根部出口边易发生水蚀现象如图 所示图 某低压动叶出汽边根部轻微水蚀()转子补汽点位置水蚀 此处若子午面扩张角过大又有补汽口汽流在外部底部水珠不易甩出易让转子表面形成水痕、凹坑如图 所示图 某工业汽轮机转子水蚀情况叶片防水蚀和去除粗大水滴常见解决方案有:()使用镀硬铬、火焰淬硬、激光硬化、表面喷涂、镶嵌硬质合金等方法对叶片表面尤其是进汽边背弧进行处理()增加除湿环图 所示为带有沟槽结构的除湿环()在无围带的叶片背面前缘加工径向沟槽以此使得叶片表面水滴沿沟槽甩出其除湿效果取决于蒸汽压力和湿度汽 轮 机 技 术 第 卷图 除湿环结构()设置去湿级在正常的叶片中间设置具有特殊叶型特殊围带或无围带的除湿级该级专门用于分离水汽基本没有做功能力其除湿效果据称可达()适当增大静动间隙当二次水滴脱落后受汽流冲击再次雾化雾化后对叶片冲击力降低间隙越大雾化越彻底()采用蜂窝汽封蜂窝眼可以收集饱和蒸汽中的水汽()采用具有抽吸缝隙和吸水孔的空心静叶结构工作时可抽吸走静叶表面水膜避免水膜撕裂产生二次液滴()改进冷凝机的喷淋装置避免水滴回卷冲击叶片()设计平顺的通道子午面防止动叶出汽边根部和转子水蚀对于可能存在回流的部位需限制通流最小流量以确保汽流有足够的速度和动力向前流动使其难以形成回流涡旋.金属腐蚀和侵蚀防护西门子根据实践经验指出高 合金钢材料能提高金属抗腐蚀性能.钢比碳钢损耗率下降 倍而钢几乎不发生侵蚀腐蚀因此防腐蚀最好的施就是采用高 不锈钢材料 金属侵蚀多发生在缸、管道、导叶持环的法兰缝隙处侵蚀速率高于采用本地参数预测的数据对于这些部件防止蒸汽泄漏重要泄漏量越大侵蚀越加剧 为防止结合面的侵蚀需加大汽缸中分面螺栓预紧力同时采用高耐磨材料对法兰进行表面处理对于正在服役的汽轮机在大修时采用耐蚀材料对汽缸、持环的水平结合面进行表面堆焊 除整机材料采用不锈钢外某些汽轮机生产厂家倾向于采用特殊护板或不锈镀层来保护危险部件如图 所示饱和蒸汽汽轮机的叶轮和转子最容易受到应力腐蚀产生腐蚀裂纹甚至最终失效这是除高温热应力外转子产生裂纹的最主要原因 裂纹多从蒸汽杂质液相浓缩物易聚集和高应力处开始如沟槽、凹口等处 影响应力腐蚀主要因素有:()蒸汽品质()转子材料成分()热处理工艺()转子结构特点 从目前掌握的资料而言整段转子几乎没有发现应力腐蚀裂纹因此做好结构设计如减少沟槽加强材料处理可以杜绝此类事件的发生汽轮机的蒸汽通道还可能受到所谓“停机腐蚀”破坏即机组长期停运堆积的水接触空气产生腐蚀它可能影响汽轮机本体、汽水系统各个管道和辅助设备 对此需对以上设备进行维护包括吹干空气、充氮、必要的冲洗以及停机前提前在工质中掺入可形成表面膜的表面活性剂.疏水设计饱和蒸汽工业汽轮机运行过程会析出水需通过疏水系图 饱和蒸汽汽轮机流道防侵蚀保护 特殊护板 不锈镀层统及时疏出从而保证机组安全运行设计时需注意:()各疏水口之间布置的叶片级数不宜过多()汽水管道应采用合金钢/不锈钢材质管件()应对冒汽管进行保温处理或采用 型冒汽管防止过热度低的冒汽遇冷凝结成水滴落回高速旋转转子产生水蚀()运行时疏水阀需常开或采用疏水器能及时排空凝结水 结 论本文总结的饱和蒸汽工业汽轮机设计方法具有通用性广、精度高的特点 实践证明鲍曼经验公式对汽轮机气动效率的评估西门子经验公式对叶片水蚀和主要零部件金属腐蚀、侵蚀影响的评估具有良好的效果饱和蒸汽工业汽轮机防护包括:采用金属表面强化处理、设计除湿环、叶片背面前缘加工径向沟槽、设置去湿级、适当增大静动间隙、采用蜂窝汽封、采用具有抽吸缝隙和吸水孔的空心静叶结构、改进冷凝机的喷淋装置、设计平顺的通道子午面等措施可有效防止叶片水蚀采用高 合金钢材料加大汽缸中分面螺栓预紧力采用高耐磨材料对法兰进行表面处理采用耐蚀材料对汽缸、持环的水平结合面进行表面堆焊等措施可减缓金属腐蚀和侵蚀合理设计疏水口、汽水管道可增加机组运行的安全性参 考 文 献 安宏伟李永华.低压饱和蒸汽回收利用技术分析.西部煤化工():.(下转第 页)第 期刘 曼等:饱和蒸汽工业汽轮机设计方法研究.控制策略与现有方案相比优化方案取消了平衡泵、冷却器及其附属设备因此减少了人工控制环节 从优化方案整体来看需要人工控制的设备主要集中在水位调节阀 阀门的控制主要用来满足以下几个工况的水位调节阀门要能随时开关以保证 号排汽装置的水位处于合理的区间 对此阀门的控制量可设置为排汽装置热井水位根据水位高低调节 阀门还需要满足以下几个工况的控制要求:()低真空供热系统启动工况 在该工况阀门应该是全开的 当低真空供热系统投入后随着高背压侧的压力逐渐升高流量逐渐增加高背压侧的水位将会迅速降低 在此时阀门的自动调节系统需要根据水位的变化情况自动地关小阀门 由于高背压侧的凝汽量基本上是不变的在重新达到稳态后阀门的流量不变但是阀前的压力升高()外界电负荷变化工况 在该工况阀门处于一定开度 当外界电负荷增加高背压侧的凝结量增加流量逐渐增加高背压的水位将会迅速升高 在此时阀门的自动调节系统需要根据水位的变化情况自动地开大阀门 在重新达到稳态后阀前的压力不变但是阀门的流量增加 电负荷减少的情况与此相反不再赘述 结 论本文指出了某电厂双背压低真空供热改造现有技术方案存在的不足提出了优化方案并对其中关键问题如联络管通流能力、调节阀选型、流体闪蒸影响及控制策略等进行了必要的计算及论证 结果表明联络管通流能力足够调节阀选型 值合理闪蒸过程产生的蒸汽比例有限 优化技术方案关键问题可解决设备可选型可降低造价及运行成本在技术上具有可行性参 考 文 献 舒印彪张丽英等.我国电力碳达峰、碳中和路径研究.中国工程科学():.陈建国谢争先等.机组汽轮机低压缸零出力技术.热力发电():.付怀仁包伟伟等.当前主流供热改造技术的灵活性及经济性分析.热力透平():.刘 刚.火电机组灵活性改造技术路线研究.电站系统工程():.陈永辉包伟伟等.超临界 机组低压缸切缸技术冷却蒸汽热力分析.热力发电():.王 力包伟伟等.超临界机组切缸技术供热特性分析.浙江电力():.谷伟伟张永海等.某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析.热力发电():.包伟伟裴东升等.超临界双转子低真空供热汽轮机热力设计.汽轮机技术():.包伟伟任 伟等.大型空冷机组低真空供热特性分析.区域供热():.包伟伟.大型汽轮发电机组变负荷工况经济性分析.热力透平():.刘立华魏 湘等.超临界 直接空冷机组双背压供热改造技术.热力发电():.包伟伟孙桂军等.超临界空冷机组双背压低真空供热改造.热力透平():.靖长财王凤池.超临界空冷机组提升供热经济性与灵活性研究.能源科技():.包伟伟黄 智等.某 超临界汽轮机上下缸温差大原因分析.热力透平():.(上接第 页)连红奎李 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