周文远，朱正写，王 鹏，纪绣涛

(中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060)

烯烃装置裂解气压缩机101-J及其控制系统为从意大利新比隆公司引进的成套机械设备，汽轮机为抽汽凝汽式，利用裂解炉产生的10.2 MPa超高压蒸汽驱动，抽出1.55 MPa中压蒸汽进入中压蒸汽管网。该机采用505E调速器进行控制，具有较高的自动化水平，控制简单、操作方便。

裂解气压缩机自1996年投用以来一直运行很平稳，但由于受水质影响，曾多次发现透平机内部各机件上有溶性盐类垢层，使得透平机的效率降低，蒸汽耗量增加，影响透平正常的功率输出，甚至导致压缩机无法运行。针对这种情况，以往采取停车后进行N2开车，用湿蒸汽对透平进行除垢，取得了较好的效果。但此方法需停车后再开车，经济损失较大，且影响装置的连续、平稳运行。因此自2003年以后，在不停车的情况下用湿蒸汽吹扫的方法去除透平结垢，以提高压缩机长周期、高负荷的运行能力。

1 低压调节级动叶片腐蚀

在2011年大修期间，发现该汽轮机低压调节级动叶片蜂窝状点蚀现象比较严重，对应的静叶片及后2级静叶片也有点蚀现象。点蚀特征为:各叶片内、背弧分布有褐色铁锈样盐垢，表面除垢后叶片四周肉眼可见多处点状凹坑及锈斑，凹坑直径最大为1 mm，且外小内大，分布不均匀，深度、大小各异。此外，在不受蒸汽直接冲击的叶根、围带等处也发生了点蚀。起初怀疑是蒸汽品质有问题，因Cl－含量高而发生点蚀。调查蒸汽品质定期分析记录，发现Cl－等含量没有发生超标现象，说明蒸汽品质是合格的。

经过仔细观察发现这种现象仅发生在低压调节级附近，且集中在低压调节级动叶片背弧出汽边缘，约占整个叶片1/3高度范围内，见图1。在低压调节级静叶片及其后2级的静叶片上的内弧面上也发现了零星的点蚀坑，腐蚀程度由强到弱不规则的排列，见图2。在低压凝气侧动叶片上只有一层红褐色的氧化物，除去氧化物没有发现任何腐蚀坑点。

图1 动叶片背弧的水蚀情况Fig.1 The erosion phenomenon of the moving blades back orc

图2 静叶片水蚀现象Fig.2 The erosion phenomenon of the stationary blades

通过对以上现象的分析，初步判断为水蚀造成的。但查阅相关资料[1]，没有发现低压调节级发生水蚀现象的记载，所以本机组点蚀的原因需要进一步研究。

2 湿蒸汽吹扫透平

2.1 湿蒸汽吹扫透平的方法

利用原蒸汽管网，仅对炉区各炉及蒸汽管网作适当调整，保持主蒸汽压力和凝结真空不变，使原蒸汽管网的蒸汽满足吹扫所需的湿蒸汽条件。吹扫时调整透平的转速可增大蒸汽流量，加大对垢层的冲刷力度，使垢层随湿蒸汽一起脱离。

2.2 湿蒸汽吹扫存在的问题

由于是带负荷进行吹扫，蒸汽耗量以及转速较高，稍有不慎，可能造成设备的损坏。因此，在吹扫时一定要控制好蒸汽的温度，防止损坏设备。

3 水蚀原因分析

3.1 水蚀机理

该湿蒸汽吹扫汽轮机的方法恰好使机组处于低负荷运行，原设计流场被破坏，沿叶高的热力参数将重新分布，使沿汽缸壁和叶轮的气流发生了分离，在动叶片进汽角和最佳进汽角之间产生了一个冲角。气流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现气流脱离，由于蒸汽湿度大，气流中夹带的水滴随蒸汽倒流冲击叶栅。水滴以较大的相对速度撞击动叶背部很窄的一小块区域。大水滴高速撞击叶片表面会产生几倍于水锤的撞击力，同时以几倍于撞击速度向四方散流。在水滴的连续撞击下，叶片材料内部分子结构开裂，直至材料表面出现裂纹。由于裂纹内部的金属材料没有保护层，蒸汽夹带水滴继续吹扫，首先在裂纹内部发生了腐蚀，接着形成腐蚀坑—即点蚀[2]。

3.2 水蚀只发生在低压调节级的原因

水蚀只发生在低压调节级和湿蒸汽吹扫的操作方法有关。由于主蒸汽压力不变，而蒸汽温度降低时，低压区叶片的蒸汽湿度将要增加。这样除了增大低压区动叶的湿汽损失，同时还将加剧低压区动叶的水滴冲蚀[3]。由于该机组的抽汽背压恒定在1.7 MPa，主蒸汽温度降低时，低压调节级附近腔体内的蒸汽湿度就更大。

操作数据:高压蒸汽HS的平均消耗量为24.3 t/h，10 MPa，383 ℃，抽气量为 0。假设此时低压调节级部分蒸汽刚好达到饱和蒸汽，为了满足压缩机的功率，还需冷凝释放气化潜热做功的蒸汽量为:

4773.40 kW－2750.96 kW=2022.44 kW;

注:湿蒸汽吹扫前汽轮机功率为4773.40 kW，湿蒸汽吹扫后汽轮机功率为2750.76 kW;

被抽出的蒸汽状态参数1.7 MPa，230℃(假设即将达到饱和蒸汽温度)，气化潜热2651.22 kJ/kg;

还需冷凝释放气化潜热做功的蒸汽量为:

2022.44×3600÷2651.22÷1000=2.75 t/h

根据相关资料了解，为了不使低压级叶片发生水蚀，高压缸的末级(即低压调节级)处进汽湿度不可超过10%。经过计算吹扫透平蒸汽湿度可知，该蒸汽湿度高达12%以上。因此，高速运转的动叶片运行一段时间后就会产生水蚀，在叶片上端背弧出汽边处出现蜂窝状的凹坑甚至锯齿形腐蚀坑。

蒸汽通过高压缸的末级后，进入体积扩大抽汽腔内，蒸汽膨胀压力升高到抽汽背压后，另一部分经抽汽管线排除机体，另一部分经低压调节阀节流后进入低压调节级，蒸汽经调节级喷嘴减压扩容，在低压调节级动叶片内蒸汽进一步节流降压提速。低压调节级后的蒸汽压力降低较快，而蒸汽的温度相对降低较慢，使压力远低于该温度下的饱和蒸汽压，这就使部分中压凝液或饱和蒸汽经节流后变成了过热蒸汽[4]。调节级后的2～3级内蒸汽压力仍低于相应温度下的汽化压力，新形成的气泡将停留在蒸汽内，这就是说已经发生了“闪蒸”。闪蒸对节流断面即汽轮机静叶片会产生严重侵蚀，其特性是受侵蚀面上有光滑明亮的斑痕，这些现象与图2低压调节级静叶片斑痕现象是一致的。由于蒸汽压力进一步降低，在调节级后第3级至最末级，蒸汽处于过热状态或蒸汽的湿度很小以至于不可能发生水蚀现象。

4 解决低压调节级动叶片水蚀的措施

吹扫的核心问题在于操作参数及负荷的选择，以保证实现冲洗的条件。同时要保证汽轮机在吹扫工况下的安全运行。为了不使末级叶片发生水蚀，末级叶片的进汽湿度要控制在10%以内[5]。

该机组吹扫时的操作参数及负荷的选择，能够保证汽轮机的吹扫效果显著和在吹扫工况下的安全运行。在吹扫时应降低抽汽压力，保证进入低压调节级的蒸汽压力低于该温度下饱和蒸汽压力，减少蒸汽的湿度避免低压调节级动叶片水蚀发生。根据以往操作经验和现场温度计监测可知，吹扫工况下抽汽温度约220～230℃，此时的饱和蒸汽压力为2.4 MPa。根据相关资料为了避免水蚀发生，进汽温度一般要保证有50℃的富余量即超过饱和蒸汽温度50℃。吹扫工况时低压调节级的进汽压力应低于按照170℃蒸汽饱和压力，所以抽汽压力应低于0.8 MPa。

机组的抽汽压力必须实现可控操作。为了解决这个问题，2011年大检修期间，实行了101-J透平的抽汽管线与中压蒸汽(1.6 MPa)管网和低压蒸汽(0.4 MPa)管网并联的改造，实现了汽轮机抽汽压力可控操作。在今后汽轮机湿蒸汽吹扫工况下，可实现抽汽压力在0.4～1.6 MPa的范围内任意控制，通过优化操作参数完全可以避免低压调节级动叶片水蚀。

5 结束语

通过对汽轮机低压调节级动叶片水蚀现象的分析，发现湿蒸汽吹扫汽轮机的方法存在缺陷。汽轮机低负荷运行，吹扫蒸汽在动叶片进汽角和最佳进汽角之间产生了一个冲角，由于蒸汽湿度大，吹扫蒸汽夹带水滴冲击动叶片，造成水蚀。利用检修机会实现了汽轮机抽汽压力可控操作的改造，通过优化操作参数，完全避免低压调节级动叶片水蚀的危害。

[1]侯曼西.工业汽轮机[M].重庆:重庆大学出版社，1995，34-35.

[2]倪永君，秦华魂，钱国荣，等.叶片水蚀的发展过程[J].汽轮机技术，2006，48(2):460-461.

[3]金建国，姜铁骝，曹丽华，等.大型汽轮机组末级动叶出汽边水蚀的研究与分析[J].汽轮机技术，2011，53(3):199-201.

[4]张河，孙立德.防止汽轮机低压缸末级叶片水蚀的探讨[J]. 内蒙古科技与经济，2008，160(6):310-312.

[5]杨新生.汽轮机动叶片水蚀问题研究及对策[J].电力设备，2002，3(2):48-51.