李现雄

摘要：N15-3.8型汽轮机是青岛捷能汽轮机股份有限公司制造的中温、中压工作性能的单缸凝汽式汽轮机组，它的本体是采用了最新的科技组成手法，核心设备包括静子和转子两个部分。文章论述了汽轮机运行中的功率损失和改善措施，针对南海绿电再生能源有限公司运行中的问题提出合理的技术改造，提高机组的运行效率。

关键词：汽轮机；功率损失；效率问题；设备运行；静子；转子 文献标识码：A

中图分类号：TK264 文章编号：1009-2374（2016）20-0033-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.015

1 设备参数

本厂两台青岛捷能汽轮机集团股份有限公司制造的15MW汽轮机组。N15-3.8型汽轮机是青岛捷能汽轮机股份有限公司制造的中温、中压工作性能的单缸凝汽式汽轮机组。它的本体采用了最新的科技组成手法，核心设备包括静子和转子两个部分。顾名思义，在设备组成中，静子指的是气缸、隔板等常见的静态化设备调节系统，而转子则指的是主轴、叶片等运转的动机设备，两者相互作用、相互制衡，才形成了强大的汽轮机功率。

2 功耗损失

汽轮机的相对内效率是因为无效功耗的存在，通常情况下，在机组内部动能转化的过程中，喷管、叶轮等机械设备相互作用，在进气、出气的过程中，容易产生一定的消耗和损伤。在物理作用力的推动下，在循环进出气体的过程中，要注意如下方面：采用扭叶片的级不存在扇形损失的发生，采用转鼓的反式汽轮机不需要考虑到叶轮摩擦产生的损失等。

2.1 叶片高度产生的损失

叶高损失又称为端部损失。它实质上是属于喷嘴和动叶的流动损失。在具体的操作工程上为了方便，就把它作为独立单位，单独分出来计算。在叶片高度产生的损耗上，叶片高度只有大于相对高度的时候，才能确保设备运作的准确性和安全性，否则极容易造成叶高极限高度的增加，导致运行故障。

2.2 扇形运转造成的损耗

在汽轮机组的运作过程中，环列叶栅和平面叶栅具有重要的作用。一方面，叶栅的距离在内外直径的发展中，呈现出等比例增加的发展趋势。当在平面直径截面处于最佳节点时，相应的叶型损失系数也在变化；另一方面，在汽轮机组空气流动的过程中，叶栅出口气流在轴向间隙中容易产生一定的空气压力，避免在内外压力中产生较大的消耗，尽量减少扇形损失的发生发展。

2.3 叶轮转动所造成的损耗

叶轮损耗在汽轮机组的运行过程中，又被称为摩擦损失，指的是由叶轮转动摩擦所引发的硬件消耗。当叶轮在充满蒸汽的汽室内转动时由于蒸汽的黏性和旋转表面的粗糙度，黏附在叶轮两侧及外缘表面的蒸汽微团被叶轮带着转动，其圆周速度与叶轮表面相应点的圆周速度大致相等，紧贴在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团的圆周速度为零。由叶轮表面至汽缸壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在着速度梯度，因此造成了蒸汽微团之间和蒸汽与壁面之间的摩擦。为了克服摩擦和带动蒸汽质点运动，必然要消耗一部分轮周功。

除此之外，叶轮损耗还包括子午面内的涡流运动引起的损失紧靠叶轮表面的蒸汽微团随叶轮一起转动，受到离心力的作用，产生向外的径向流动。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团由于速度小，受到的离心力也小，自然地向中心移动以填补叶轮处径向外流的蒸汽，于是叶轮两侧的子午面内便形成了蒸汽的涡流运动。涡流本身要消耗一部分轮周功，而且还使摩擦阻力

增加。

3 部分进汽损失

在汽轮机功率的运行过程中，为了确保整体设备运作健康、高效，对设备部分进汽损耗也要进行充分的关注。例如，在小汽轮机高压级容积流量较小的情况下，为了确保喷嘴高度能够占据部分圆圈设备的圆周，在喷嘴叶栅的设置上，要进行科学的调节。调节级的配设方式要在整体圆周长度上有所表示，将原本的进出气损耗逐步降低，减少因为进汽而带来的能量损失。

3.1 鼓风损失问题

一般来说，鼓风损失多发生在不装设喷嘴的弧段内。当汽轮机功率损失逐渐加大时，动叶渠道通过蒸汽发动机时，处于静态的蒸汽要从发展的两项相互充鼓，在很大程度上消耗鼓风发动的能力。同时动叶两侧与充满在轴向间隙中的不工作蒸汽产生摩擦，从而带来了摩擦损失，在数值上比前者还大。由此，当汽轮机动率呈现上升趋势时，部分进汽度越小，鼓风损失越大。从这一机组现象不难得出研究理论，推行“防护罩”式的机组工作策略。为了减少鼓风损失，除了要合理选择部分进汽度外，还需要经常发挥鼓动蒸汽量的保护作用，通过限制“能动叶片”的发展形式，减少鼓动的蒸汽量和动能。尤其是在排汽损失与鼓风损失呈现反作用力的时候，要在一定的工作内，进行严密的监控。当动叶栅经过无喷嘴的弧段时，对应的汽道内被汽室中的呆滞蒸汽所充满。当动叶进入工作弧段时，喷嘴中射出的高速汽流要把汽轮机气道中的废气、无用蒸汽推动出去，并逐步促进蒸汽的排出速度，使这段工作机组能够接受蒸汽的推动作用。

同时要认识到叶轮高速旋转的发生作用，在车轮机的喷嘴出口的地方，进行常态的维护，防止在喷嘴叶栅与动叶叶栅之间的间隙中产生气体泄露，干扰汽轮机的正常运行，引发不必要的损失。在彭嘴处的气动功率上，由于端口的方向问题，容易产生一定的蒸汽废气，从而将一些无用的气体带入机内的动叶气道中，引发不必要的设备损耗。这种情况也是喷嘴弧段两端处较为常见的问题，也被称为是弧端损失，其发生率比较高。由于汽轮机的动叶问题，经过喷嘴弧端的同时，在相同的汽轮汽度下，喷嘴分布的具体组数决定着蒸汽机组斥汽的压力和损失。为了进一步改善设备运行问题，建议广大工作者可以在相同的汽度下，尽量减少设备喷嘴周边的喷嘴组数和损耗。

3.2 漏气损耗问题

在隔板前后距离中，具有一定的压力差，而在隔板的前后距离上，也存在着一定的间隔差。因此，当蒸汽气体开始运行时，隔板前的缝隙到叶轮之间产生一定的疏漏，从而使一部分蒸汽变成不具备实际功能的废气，造成隔板漏气。更甚者，就这一部分的蒸汽流散来说，它还将通过喷嘴间隙进入动叶之中，从而扰乱动叶中的气流的方向，造成汽轮机效率减少。在叶轮上开设平衡气流的引导孔洞，使隔板气流能够对叶片的气封现象加以控制，最大程度上弱化漏气消耗这一问题的产生。

在动叶的顶端口处，为了减少转子和气缸的震动，要在动叶的顶部和隔板的持环之间，预留下相应距离，作为汽轮机横、纵相间隙，减少动叶顶部的反动程度。这样即使从喷嘴中出来的蒸汽不能尽快通过动叶的启动，也会通过预留的空隙进行疏导，将气体滞留在间隙级后，避免形成叶顶的漏气损失。在漏气量的预设中，要直接作用于预留空隙的面积和压差，减少漏气的具体损失，并采用不同的汽封手段，满足减少汽轮机功率损耗的若干需求。除此之外，因为高低齿汽封的间隙可以做得很小，而且汽流每通过一个齿就发生一次节流作用，使压力降低一次，故每个齿只承担整个压差的一小部分。

由于每个汽封齿中蒸汽的流动情况都大致与蒸汽在渐缩喷嘴中的流动相似，所以漏汽量可以参照喷嘴流量公式计算。对于反动级来说，当汽轮机功率的损失发生到一定层次时，其工作属性和安全特性都在减弱，漏气损失比汽轮的冲动级要更强一些，具体分析如下：（1）在内径的气封过程中，其漏气数量和冲动级的隔板漏气具有很大的差距面积，这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数又比较少；（2）动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当明显。汽轮机在运作的过程中，静止部分和转动部分受热不均，温差较大，为避免两者摩擦，和又不能过小。因此采用径向和轴向汽封结构，以减少漏汽。对于较长的扭叶片级，在无围带的情况下，往往将动叶顶部削薄，缩短动叶与汽缸（或隔板套）的间隙，从而达到封汽的作用。此外，还应尽量设法减小叶顶反动度，使动叶项部前后压差不致

过大。

3.3 湿汽消耗问题

在蒸汽汽轮机的发动之下，饱和蒸汽机的若干工作都要建立在湿汽蒸汽运作的基础上，由于工作中设备受到较多潮湿气体的消耗，其蒸汽机的工作情况也表现出一定的波动。这一现象也被称为是汽轮机功率的损失，它的具体情况也分为以下方面：

湿蒸汽的过饱和现象对喷嘴通流能力的影响。这种过饱和现象对级的能量转换所产生的影响表现为理想比焓降的减少。由于过饱和现象的存在，蒸汽进入湿蒸汽区暂时仍按过热蒸汽的规律膨胀，湿汽损失通常用下列公式计算：

式中，X——级的平均蒸汽干度；x=1∕2（xo+x2）

未计算湿汽损失时级的有效比焓降。湿汽损失与级的平均干度成正比，湿度越大损失越大，级的效率就越低。

一般来说，湿蒸汽在膨胀过程中析出的水珠，尤其是聚集在喷嘴出汽边的水膜经汽流粉碎后所形成的较大颗粒的水珠，其速度比蒸汽的速度低得多。这样，在汽水两相流动中，低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动，从而消耗了汽流的一部分动能，称之为挟带损失。

在汽流的挟带下，水珠的速度虽有提高，但仍小于汽相的速度。水珠出喷嘴的速度只有蒸汽速度的10%～13%，而圆周速度u一样，水珠偏于原本的撞击轨道，反而产生组织叶轮旋转的反向作用力，使汽轮设备产生较大的制动损耗。

从汽轮机动叶里的水珠，其发生速度会比蒸汽速度要慢得多。但是，圆周速度u是一样的，使绝对速度远大于蒸汽的速度，当蒸汽进行运转，主流气体被干扰时，那么会造一定的损失效率，称之为扰流损失。

在湿蒸汽级中采用的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都会产生一些发展问题，当蒸汽被抽出汽轮机的同时，容易造成设备工质损失的问题。在蒸汽湿气的产生中，针对于气体受到冲击情况，叶片表面在长时间的损耗中，容易形成密集的毛细小孔，这些细小的空洞会造成汽轮机功率的故障，严重者甚至造成叶片缺损，对汽轮机的安全运产生有很大的威胁。随着单机功率不断增大，末级叶高和叶顶圆周速度也不断增大，冲蚀程度就更严重，所以现代轻汽式汽轮机末级最大可见湿度限制在12%～14%范围内。为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏，一方面可采取有效的去湿方法；另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力。

常用的去湿方法有：（1）由捕水口、捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置。它有喷嘴后和动叶后两种形式，水珠受离心力的作用被抛向外缘后，经过捕水口槽道l进入环形捕水室2，然后通过疏水通道3流入压力更低的低压加热器或凝汽器。这种捕水装置应用很广泛，捕水效率可达湿蒸汽中所含水分的20%～30%；（2）只有吸水缝的空心喷嘴。这种去湿装置是将空心喷嘴经环形通道与压力比它低的低压加热器或凝汽器连通而形成负压，这样通过喷嘴上开的吸水缝就可将喷嘴表面上的凝结水膜吸走。吸水缝有的靠近进汽侧，有的靠近出汽侧（内弧或背弧），也有把吸水缝开在出汽边上的。试验表明，吸水缝布置在喷嘴的顶部附近去湿效果最好，因为在这里集中了水分的主要部分。这种结构的去湿效果比较好，因此被许多制造厂采用。它的缺点是，要有相当一部分蒸汽被同时抽出，这不仅使做功的工质减少，而且要求环形通道的截面必须设计得很大，给制造带来了一定的困难；（3）采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴。空心喷嘴的内部空间与出汽边的缝隙相通，缝隙最好设计成喷嘴状。从压力较高一级来的蒸汽经汽缸上的环形室引入空心喷嘴后由出汽边的缝隙中喷射出去，使喷嘴的尾迹区消失，阻止该处大粒水珠的形成，同时使层迹区汽流速度均衡，这对提高级效率和改善动叶的应力状况都是有利的。这种方法的另一个优点是，由压力较高点送来的蒸汽，其能量并未损失，而是参加了本级的膨胀做功。

为了进一步强化汽轮机功率页面的发展作用，建议广大工作人员从如下方面进行探究：在设备材料的选取上，采用钛合金等更具耐腐蚀性能的机械备件材料。在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金，常用的办法是将司太立合金做成薄片焊在动叶顶部进汽边的背弧上，对叶片表面镀铬、局部高频淬硬、电火花强化、氮化等，这些都可增加动叶表面硬度，延长动叶使用寿命。

以上是对汽轮机功率损耗的一些浅见，下面是针对本厂机组运行的问题进行分析和建议，旨在提高汽轮机的工作效率。本厂汽轮机运行中真空一直不理想，冷凝器循环水采用的是冷却塔水池循环方式冷却。经过对机组真空系统查漏，未能找到漏点及可疑的地方。真空严密性试验一直良好，下降率在0.27kPa之内。通过化学人员对循环水质进行化验，发现水质浊度偏大，经过对机组冷凝器运行的一些参数分析，考虑到冷凝器内管子内壁清洁度不良，影响其换热效率而致真空不理想。建议采用加装冷凝器在线清洗装置，这种在线清洗装置清洗过程中无需外置动力驱动，它利用的是循环水流动中所产生的动力带动装置不间断进行清理，使管道内壁保持较高的清洁度。下面是加装冷凝器在线清洗装置前后的一些数据对比：

从以上数据分析得出，加装在线清洁装置后真空明显上升。令管道内壁保持较高的清洁度，使其换热能力大幅提高，使得机组整体效率明显提高，初步计算其能力大约提高了2%，每年为公司多创造200多万元效益。

以上为参考我公司一些运行情况，发表的一些个人浅见，还有很多不足，一些数据还需在实践中获取，水平有限，疏漏不足之处还敬望各专家及读者批评指正。

参考文献

[1] 余国泰.电厂热力设备运行[M].北京：中国电力出版社，1997.

[2] 王国清.汽轮机设备运行技术问答[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 于国强.单元机组运行[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4] 杨义波.热力发电厂（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5] 发电厂汽轮机运行教材[S].2001.

[6] 青汽厂家安装使用说明书[S].