試論汽輪機功率損失和效率提高

李現雄

摘要：N15-3.8型汽輪機是青島捷能汽輪機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組，它的本體是采用了最新的科技組成手法，核心設備包括靜子和轉子兩個部分。文章論述了汽輪機運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行中的問題提出合理的技術改造，提高機組的運行效率。

關鍵詞：汽輪機；功率損失；效率問題；設備運行；靜子；轉子 文獻標識碼：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 設備參數

本廠兩臺青島捷能汽輪機集團股份有限公司制造的15MW汽輪機組。N15-3.8型汽輪機是青島捷能汽輪機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組。它的本體采用了最新的科技組成手法，核心設備包括靜子和轉子兩個部分。顧名思義，在設備組成中，靜子指的是氣缸、隔板等常見的靜態化設備調節系統，而轉子則指的是主軸、葉片等運轉的動機設備，兩者相互作用、相互制衡，才形成了強大的汽輪機功率。

2 功耗損失

汽輪機的相對內效率是因為無效功耗的存在，通常情況下，在機組內部動能轉化的過程中，噴管、葉輪等機械設備相互作用，在進氣、出氣的過程中，容易產生一定的消耗和損傷。在物理作用力的推動下，在循環進出氣體的過程中，要注意如下方面：采用扭葉片的級不存在扇形損失的發生，采用轉鼓的反式汽輪機不需要考慮到葉輪摩擦產生的損失等。

2.1 葉片高度產生的損失

葉高損失又稱為端部損失。它實質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，就把它作為獨立單位，單獨分出來計算。在葉片高度產生的損耗上，葉片高度只有大于相對高度的時候，才能確保設備運作的準確性和安全性，否則極容易造成葉高極限高度的增加，導致運行故障。

2.2 扇形運轉造成的損耗

在汽輪機組的運作過程中，環列葉柵和平面葉柵具有重要的作用。一方面，葉柵的距離在內外直徑的發展中，呈現出等比例增加的發展趨勢。當在平面直徑截面處于最佳節點時，相應的葉型損失系數也在變化；另一方面，在汽輪機組空氣流動的過程中，葉柵出口氣流在軸向間隙中容易產生一定的空氣壓力，避免在內外壓力中產生較大的消耗，盡量減少扇形損失的發生發展。

2.3 葉輪轉動所造成的損耗

葉輪損耗在汽輪機組的運行過程中，又被稱為摩擦損失，指的是由葉輪轉動摩擦所引發的硬件消耗。當葉輪在充滿蒸汽的汽室內轉動時由于蒸汽的黏性和旋轉表面的粗糙度，黏附在葉輪兩側及外緣表面的蒸汽微團被葉輪帶著轉動，其圓周速度與葉輪表面相應點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的圓周速度為零。由葉輪表面至汽缸壁的間距上蒸汽微團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點運動，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的渦流運動引起的損失緊靠葉輪表面的蒸汽微團隨葉輪一起轉動，受到離心力的作用，產生向外的徑向流動。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微團由于速度小，受到的離心力也小，自然地向中心移動以填補葉輪處徑向外流的蒸汽，于是葉輪兩側的子午面內便形成了蒸汽的渦流運動。渦流本身要消耗一部分輪周功，而且還使摩擦阻力

增加。

3 部分進汽損失

在汽輪機功率的運行過程中，為了確保整體設備運作健康、高效，對設備部分進汽損耗也要進行充分的關注。例如，在小汽輪機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部分圓圈設備的圓周，在噴嘴葉柵的設置上，要進行科學的調節。調節級的配設方式要在整體圓周長度上有所表示，將原本的進出氣損耗逐步降低，減少因為進汽而帶來的能量損失。

3.1 鼓風損失問題

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

同時要認識到葉輪高速旋轉的發生作用，在車輪機的噴嘴出口的地方，進行常態的維護，防止在噴嘴葉柵與動葉葉柵之間的間隙中產生氣體泄露，干擾汽輪機的正常運行，引發不必要的損失。在彭嘴處的氣動功率上，由于端口的方向問題，容易產生一定的蒸汽廢氣，從而將一些無用的氣體帶入機內的動葉氣道中，引發不必要的設備損耗。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，其發生率比較高。由于汽輪機的動葉問題，經過噴嘴弧端的同時，在相同的汽輪汽度下，噴嘴分布的具體組數決定著蒸汽機組斥汽的壓力和損失。為了進一步改善設備運行問題，建議廣大工作者可以在相同的汽度下，盡量減少設備噴嘴周邊的噴嘴組數和損耗。

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，當蒸汽氣體開始運行時，隔板前的縫隙到葉輪之間產生一定的疏漏，從而使一部分蒸汽變成不具備實際功能的廢氣，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入動葉之中，從而擾亂動葉中的氣流的方向，造成汽輪機效率減少。在葉輪上開設平衡氣流的引導孔洞，使隔板氣流能夠對葉片的氣封現象加以控制，最大程度上弱化漏氣消耗這一問題的產生。

在動葉的頂端口處，為了減少轉子和氣缸的震動，要在動葉的頂部和隔板的持環之間，預留下相應距離，作為汽輪機橫、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，也會通過預留的空隙進行疏導，將氣體滯留在間隙級后，避免形成葉頂的漏氣損失。在漏氣量的預設中，要直接作用于預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，滿足減少汽輪機功率損耗的若干需求。除此之外，因為高低齒汽封的間隙可以做得很小，而且汽流每通過一個齒就發生一次節流作用，使壓力降低一次，故每個齒只承擔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算。對于反動級來說，當汽輪機功率的損失發生到一定層次時，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一些，具體分析如下：（1）在內徑的氣封過程中，其漏氣數量和沖動級的隔板漏氣具有很大的差距面積，這主要是因為內徑汽封直徑比隔板汽封直徑大，而汽封齒數又比較少；（2）動葉前后的壓差較大，所以葉頂漏汽量相當明顯。汽輪機在運作的過程中，靜止部分和轉動部分受熱不均，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構，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，從而達到封汽的作用。此外，還應盡量設法減小葉頂反動度，使動葉項部前后壓差不致

過大。

3.3 濕汽消耗問題

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

濕蒸汽的過飽和現象對噴嘴通流能力的影響。這種過飽和現象對級的能量轉換所產生的影響表現為理想比焓降的減少。由于過飽和現象的存在，蒸汽進入濕蒸汽區暫時仍按過熱蒸汽的規律膨脹，濕汽損失通常用下列公式計算：

式中，X——級的平均蒸汽干度；x=1∕2（xo+x2）

未計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，反而產生組織葉輪旋轉的反向作用力，使汽輪設備產生較大的制動損耗。

從汽輪機動葉里的水珠，其發生速度會比蒸汽速度要慢得多。但是，圓周速度u是一樣的，使絕對速度遠大于蒸汽的速度，當蒸汽進行運轉，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，當從級內排除部分液相的同時，都會產生一些發展問題，當蒸汽被抽出汽輪機的同時，容易造成設備工質損失的問題。在蒸汽濕氣的產生中，針對于氣體受到沖擊情況，葉片表面在長時間的損耗中，容易形成密集的毛細小孔，這些細小的空洞會造成汽輪機功率的故障，嚴重者甚至造成葉片缺損，對汽輪機的安全運產生有很大的威脅。隨著單機功率不斷增大，末級葉高和葉頂圓周速度也不斷增大，沖蝕程度就更嚴重，所以現代輕汽式汽輪機末級最大可見濕度限制在12%～14%范圍內。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，經過捕水口槽道l進入環形捕水室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。這種捕水裝置應用很廣泛，捕水效率可達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環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壓，這樣通過噴嘴上開的吸水縫就可將噴嘴表面上的凝結水膜吸走。吸水縫有的靠近進汽側，有的靠近出汽側（內弧或背弧），也有把吸水縫開在出汽邊上的。試驗表明，吸水縫布置在噴嘴的頂部附近去濕效果最好，因為在這里集中了水分的主要部分。這種結構的去濕效果比較好，因此被許多制造廠采用。它的缺點是，要有相當一部分蒸汽被同時抽出，這不僅使做功的工質減少，而且要求環形通道的截面必須設計得很大，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。空心噴嘴的內部空間與出汽邊的縫隙相通，縫隙最好設計成噴嘴狀。從壓力較高一級來的蒸汽經汽缸上的環形室引入空心噴嘴后由出汽邊的縫隙中噴射出去，使噴嘴的尾跡區消失，阻止該處大粒水珠的形成，同時使層跡區汽流速度均衡，這對提高級效率和改善動葉的應力狀況都是有利的。這種方法的另一個優點是，由壓力較高點送來的蒸汽，其能量并未損失，而是參加了本級的膨脹做功。

為了進一步強化汽輪機功率頁面的發展作用，建議廣大工作人員從如下方面進行探究：在設備材料的選取上，采用鈦合金等更具耐腐蝕性能的機械備件材料。在葉片進汽邊背弧上鑲焊硬質合金，常用的辦法是將司太立合金做成薄片焊在動葉頂部進汽邊的背弧上，對葉片表面鍍鉻、局部高頻淬硬、電火花強化、氮化等，這些都可增加動葉表面硬度，延長動葉使用壽命。

以上是對汽輪機功率損耗的一些淺見，下面是針對本廠機組運行的問題進行分析和建議，旨在提高汽輪機的工作效率。本廠汽輪機運行中真空一直不理想，冷凝器循環水采用的是冷卻塔水池循環方式冷卻。經過對機組真空系統查漏，未能找到漏點及可疑的地方。真空嚴密性試驗一直良好，下降率在0.27kPa之內。通過化學人員對循環水質進行化驗，發現水質濁度偏大，經過對機組冷凝器運行的一些參數分析，考慮到冷凝器內管子內壁清潔度不良，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動，它利用的是循環水流動中所產生的動力帶動裝置不間斷進行清理，使管道內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據對比：

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

以上為參考我公司一些運行情況，發表的一些個人淺見，還有很多不足，一些數據還需在實踐中獲取，水平有限，疏漏不足之處還敬望各專家及讀者批評指正。

參考文獻

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