淺談工況變化對汽輪機工作的影響

王成軍

（華電能源牡丹江第二發電廠，黑龍江 牡丹江 157015）

1 概述

機組在運行中，隨著外界負荷以及鍋爐燃燒等工況的變化，勢必對機組的運行工況產生影響。在汽輪機運行時，如果運行參數和負荷都等于設計值，這種工況被稱為設計工況。這時機組的運行效率最高，稱為經濟工況。目前，機組的經濟工況和額定工況出力是相同的，但在汽輪機運行中不可能始終保持設計工況，當偏離設計運行工況時稱為汽輪機的變工況。變工況時，進入汽輪機的蒸汽參數和流量的變化，將引起各通流級溫度、壓力、焓降、效率、反動度和軸向推力等變化，影響到汽輪機的安全性和經濟性。所以，機組在運行中，運行人員應經常監視參數變化情況，分析變化產生的原因，根據原因及時采取相應的調整措施，并控制在規定的允許范圍內。

2 蒸汽參數變化對汽輪機工作的影響

2.1 主蒸汽溫度變化的影響

2.1.1 主蒸汽溫度升高，壓力不變時

主汽溫度從t0升高到t01時，理想焓降由H0增加到H01焓降增大，機組熱耗降低。200 MW汽輪機主蒸汽溫度每升高50℃，熱耗約降低0.12%～0.14%，但當主汽溫度超過允許范圍時，會對設備的安全運行造成威脅。

其危害主要表現在：主汽溫度過高，將造成金屬材料的機械強度降低，蠕變速度加快，縮短金屬材料的使用壽命，同時還會造成汽缸、閥門等承壓部件的緊固件產生應力松弛。這種現象隨工作溫度的升高和時間的增長而增加；主蒸汽溫度過高還會導致受熱部件的熱膨脹、熱變形加大，若膨脹受阻將會引起機組的振動；隨著蒸汽焓降的增加和在通流級中焓降的再分配，可能會造成某些級段的過負荷。因此，一般規定主汽溫度只允許比額定溫度高5℃，同時還規定了超溫持續的時間。

2.1.2 主蒸汽壓力不變，主蒸汽溫度降低時

這種情況不僅降低了機組運行的經濟性，還對機組的安全性產生很大的影響。危害主要表現在：末幾級蒸汽濕度增大，對末幾級長葉片的水沖刷加劇，降低了葉片的安全性和經濟性，并降低了機組的使用壽命；機組的汽耗增大，使機組的運行經濟性降低。如不降低，機組出力就要增加進氣量，這樣會導致某些通流級的應力增加；汽溫的急劇下降，將會造成機組熱沖擊，導致機組高溫部件產生很大的沖擊應力和熱變形，甚至造成動靜摩擦，嚴重威脅機組的使用壽命；機組的軸向推力增加，如汽溫過度降低將造成機組水沖擊事故的發生。

2.2 主蒸汽壓力變化的影響

當主蒸汽溫度不變、壓力變化時，主蒸汽壓力由額定值p0增加到p01，這時的熱力過程線由設計工況的A-B-C變化到A1-B1-C1，理想焓降由H0增加到H01。如負荷保持不變，變化后的主蒸汽流量D1與原設計的蒸汽流量D0的關系：D1=D0×H0/H01

由于壓力升高后的焓降H01大于設計值H0。流量D1就必然小于D0，這對機組的經濟性顯然是有利的。但當主蒸汽壓力升高超過允許的范圍時，將會對機組帶來嚴重的危害。主要表現在：主蒸汽溫度不變、壓力升高時，機組末幾級的濕度增大。蒸汽濕度的增大，將會加重末幾級長葉片的水沖刷，從而降低了長葉片工作的經濟性和安全性；主蒸汽壓力過高，將會引起主蒸汽管道、主汽門、調速汽門、汽缸等承壓部件的應力升高，縮短使用壽命，甚至直接造成設備的變形損壞；由于調速汽門前的蒸汽壓力升高，調節級噴嘴前后的壓差增大，焓降增加，將會造成調節級葉片的過負荷；在主蒸汽溫度不變、主蒸汽壓力降低時，除影響機組經濟性，還會降低機組出力和引起軸向推力的變化。

2.3 再熱蒸汽壓力和溫度變化對汽輪機工作的影響

在正常運行中，再熱蒸汽壓力是隨蒸汽流量變化的。再熱器的壓損亦隨著蒸汽流量的變化而變化，而再熱器壓損的大小，對整個汽輪機運行的經濟性有著顯著的影響。

進入中壓缸的蒸汽壓力只有在大幅度改變負荷和機組的故障狀態下才會產生較大的變化。當蒸汽流量不變時，如再熱蒸汽壓力升高，則說明中壓缸的阻力增大；如中壓主汽門和調節汽門的節流狀態變化，或通流部分結垢、機械雜質堵塞流道等，應及時查明原因并采取相應的處理措施。

同主蒸汽溫度一樣，再熱蒸汽溫度的變化也同樣直接影響汽輪機的經濟性和安全性。當再熱蒸汽溫度過高時，通常采用噴水減溫的方法來降低汽溫，但噴水減溫直接增加了中低壓缸的蒸汽量，一方面會引起中低壓缸各級前的壓力升高，造成隔板與動葉片的應力增加和軸向推力的增加；另一方面也降低了機組運行的經濟性。國產200 MW汽輪機再熱蒸汽的噴水量每增加1%，將導致機組熱耗增加0.1%～0.2%。因此，應盡量減小再熱蒸汽的減溫水量。

2.4 蒸汽流量變化對汽輪機工作的影響

2.4.1 流量變化對通流級組前后參數的影響

對通流面積不變的各壓力級，如沒有抽汽則各級組的流量相等。當進入汽輪機的流量發生變化時，級組內各級的噴嘴或動葉內流動的蒸汽未達到臨界狀態，級組前后的壓力、溫度與流量的關系可用弗留格爾公式表示，即式（1）：

式中：D0：設計工況下級組內各級的蒸汽流量；

D1：工況變化后級組內各級的蒸汽流量；

P0：設計工況下級組前的蒸汽壓力；

P01：工況變化后級組前的蒸汽壓力；

PZ：設計工況下級組后的蒸汽壓力；

PZ1：工況變化后級組后的蒸汽壓力；

T0：設計工況下級前的熱力學溫度；

T01：工況變化后級前的熱力學溫度。

當進入汽輪機的流量發生變化時，如果級組內噴嘴或葉片內蒸汽的流速達到了臨界狀態，級組前后的壓力、溫度與流量的關系可見式（2）：

另外，在汽輪機工況變化時，級前的蒸汽溫度變化很小，可認為T01≈T0，弗留格爾公式可簡化為式（3）：

對于凝汽式機組，因工況變化前后的排汽壓力很低，故距最末級三級以上時都可以近似地應用上式。

對于調節級情況比較復雜。當采用節流調節方式時，調節級（或稱第一級）通流面積不隨工況而變動，可把包括第一級在內的整個通流級組一同考慮，即第一級的變工況特性與中間級的相同。當采用噴嘴調節方式時，為了減少節流損失，每個調節汽閥控制著一組噴嘴，在變工況時，隨著調節汽閥開度變化，調節級的通流面積也隨之改變。當第一個調節汽閥全開時，只有第一組噴嘴進汽，進汽量較小，壓力級前的蒸汽壓力很低，噴嘴前后的壓差最大，該組噴嘴的焓降達到最大值；當流量繼續增大時，由于調節級后的壓力升高，調節級的焓降隨之下降。所以，調節級的噴嘴和葉片最嚴峻的工況不是最大流量，而是在第一個調節汽閥全開而其他調節汽閥尚未開啟時的工況?，F代大功率汽輪機為了減小在變工況時的工作應力，多采用截留和噴嘴混合調節方式。即第一和第二調節汽閥需同時開啟，因為兩調汽閥分別布置在上下缸，這樣既可以有效地減小調節級變工況時的工作應力，又可以使上下汽缸進汽均勻，減少工況變化時的上下缸溫差。因此，對現代大功率汽輪機要特別注意避免一個調節閥全開而其他調節閥未開的工況。

對末級葉片，級前壓力隨著蒸汽流量的增加而升高，而排汽壓力則變化很小。這樣，當蒸汽流量超過設計值后末級葉片的前后壓差將會超過設計值，末級葉片和末級隔板的工作應力超出設計值而處于過負荷狀態，對次末級也存在著類似的影響。

在級組的流量變化時，為了避免通流部分過負荷，要特別注意監視各階段的監視段壓力和壓差，尤其是對末級或末幾級更需要重點監視。

2.4.2 機組流量變化與反動度的關系

通過級組的流量發生變化時，級的理想焓降在噴嘴和葉片中的分配比例發生變化，級的反動度發生變化。當級的理想焓降減小時，級的反動度是增大的；級的理想焓降增大時，級的反動度是減小的。

凝汽式汽輪機的壓力級，可以近似地認為，在流量變化時級的理想焓降保持不變，級的反動度也保持不變。調節級的理想焓降隨著流量的變化而變化，級的反動度也隨之發生變化。最末幾級，尤其是最末一級流量變化時理想焓降變化最大，級的反動度也將產生較大幅度的變化。最末幾級在濕蒸汽區工作的長葉片，根部出現負的反動度，將會造成蒸汽回流，從而引起根部的沖刷。為了避免末級長葉片根部的沖刷現象，現代大功率汽輪機除了注意改進葉型外，還適當地加大了葉片根部的反動度。

當焓降變化不大時，沖動級反動度的變化數值可用式（4）進行近似的計算：

式中：Δρ：變工況后級的反動度ρ與設計工況下級的反動度ρ0的差值，Δρ=ρ－ρ0；

Δxt：變工況后的速度比xt與設計工況速度比（xt）0的差值，Δxt=xt－（xt）0。

從上式可以看出，級的反動度的變化，除與級的理想焓降變化有關外，還與設計工況所取的反動度大小有關。

對于反動級（ρ=0.5左右），工況變化時級的反動度基本不變。

2.4.3 流量變化對軸向推力的影響

汽輪機的軸向推力是蒸汽的壓力差作用在葉片、葉輪和不同直徑的軸肩等處產生的。當汽輪機的蒸汽流量改變時，通流級前后的壓差和反動度都有所變化，因此軸向推力也必然發生變化。軸向推力的變化，直接影響推力軸承的工作安全，而且往往成為制約機組出力的關鍵因素。

對于凝汽式噴嘴調節的汽輪機，流量變化時焓降的變化主要發生在調節級和最末級，負荷增大時，調節級焓降減小，最末級焓降增大，而中間各級的焓降近似保持不變。對于調節級，由于焓降減小反動度增大，將會致使軸向推力增大。對于最末級，由于焓降增大，反動度減小，致使軸向推力減小。但由于末級葉輪和葉片前后的壓差和壓差的變化都很小，所以對軸向推力影響不大。對于中間各級，雖然級前后的壓力比保持不變，但隨著調節級壓力的提高，各級的絕對壓差是增大的。所以，當流量增大時，中間各級的軸向推力也是增大的。為了減小級組的軸向推力，在級組的前汽封處都設有平衡活塞，平衡活塞前后壓差形成的軸向推力與級組通流部分產生的軸向推力方向相反。隨著流量的增大，平衡活塞和不同直徑的軸肩的壓差都會增大，從而抵消一部分軸向推力。故對整個機組來說，綜合上述的因素，軸向推力的變化時比較復雜的。每臺級組的情況也不盡相同。一般來說，機組的軸向推力隨著流量的增加而增大。反之，當流量減小時機組的推力也減小。

2.5 排汽壓力（真空）變化對汽輪機工作的影響

汽輪機排汽壓力的變化，對機組的安全經濟運行都有著較大影響。當排汽壓力降低即凝汽器真空升高時，汽輪機熱耗降低，或當蒸汽量不變時，機組的出力增加。當軸向排汽速度達到音速時功率不再增加，這時的排汽壓力稱為阻塞背壓。國產200MW汽輪機組，當凝汽器真空比設計值降低1%時，汽輪機熱耗要增加0.7%～0.8%。但當凝汽器真空過高時，隨著冷卻水耗電量的增加，總體經濟效益將會變差，存在著一個最經濟的真空值，隨著排汽壓力的下降，在未達到阻塞背壓以前，汽輪機發出的功率PT會有所增加，但循環水泵耗功率PP則增加更快，顯然只有ΔPT－ΔPP的差值最大時才是最經濟的真空值，如果ΔPP大于ΔPT，則反而不經濟了。

在機組運行中，真空過高的情況并不多見，而運行真空低于設計值的情況則比較普遍，尤其是北方缺水地區往往運行真空偏低過多。真空偏低將會給機組帶來如下的危害：

（1）排汽壓力過高，不但直接影響機組運行的經濟性，而且有時還會限制機組出力。

（2）排汽壓力過高，引起排汽溫度升高。對于非落地軸承的軸系支撐結構，排汽溫度升高將會引起軸系中心位置的變化，從而引起機組振動。

（3）排汽溫度過高，可能引起銅管脹口的松弛，影響凝汽器的嚴密性。

（4）引起機組軸向推力的變化。對沖動式汽輪機，當排汽壓力升高時，如要維持負荷不變，則要增加進汽量，從而軸向推力增大。對反動式汽輪機，排汽壓力升高時，隨著進汽量的增大，受轉自輪轂的影響，軸向推力將會有所降低。

（5）排汽壓力升高，排汽體積流量減小，末級葉片的汽流速度也隨之降低。流速降低到一定程度就會產生脫流及旋渦，從而產生較強的激振力，致使葉片產生顫振。這種顫振的頻率低、振幅大，極易損壞葉片，造成葉片斷裂事故。