关于饱和蒸汽汽轮机除水处理的探讨

摘要：对于饱和蒸汽汽轮机而言，汽轮机低压级动叶片水蚀是最主要的影响汽轮机安全运行的因素，本文从汽轮机设计过程中如何对蒸汽进行除水为出发点进行防水蚀的探讨及重点探讨是如何对饱和蒸汽汽轮机尤其是次中压以上参数饱和汽轮机进行除湿。

关键词：饱和蒸汽；动叶水蚀；蒸汽除湿；蒸汽再热

一、 低压饱和蒸汽汽轮机如何除水

对于低参数饱和蒸汽汽轮机而言，新蒸汽压力低，汽轮机整机焓降较小，在末级形成液态水与常规过热机组差距不大，因此该类机组内部采取适当除水措施便可大幅度避免水蚀危害。

作者根据多年汽机设计与采集運行数据，推导出近似公式估算汽轮机排汽湿度，如此无需进行热力计算可大致估出饱和汽轮机排汽含水量：

其中X（L）——含水量；η——汽机内效率；p0——主汽绝对压力；p2——排汽绝对压力。

一般大致可取η=0.77进行估算，则以上公式简化为：

以上两个公式仅适用于主汽压力在0.2～1.6MPa范围内饱和蒸汽汽机估算。

图1为汽轮机在不同压力下的蒸汽干度曲线，由图可知当进汽压力高于0.4MPa.a汽轮机尾部干度小于0.88（即含水量高于12%）。

图2是低参数饱和蒸汽汽轮机系统示意图，该类机组防水蚀措施如下：

1.如图2，汽机入口前设置汽水分离装置，保证汽机入口蒸汽干度在99%左右。

2.每级动叶进汽边进行激光淬硬处理以提高材料抗冲击性能。

3.相连级间都开有疏水口，及时疏走液态水以减少下一级入口含水量。（见图2及图3所示）

4.每级隔板底部开有疏水口，这样对于级间没有被疏水口疏走的水逐级汇流，最后流到排汽装置中。（见图3）

5.隔板上半部分都设有倒钩状的导水槽，可以更好的收集上一级叶顶甩出的凝结水，避免进入下一级。（见图4）

6.增大汽轮机级间距。根据日本的研究表明，流入动叶的水滴和蒸汽的绝对速度之比Cl/Cv，并且随着水滴直径D及动静叶间距△L的大小变化而变化。D=500μm的水滴，其Cl/Cv只有0.2，即水滴撞击叶面的法向速度很大。而△L增大，则Cl/Cv也大，故加大轴向间距往往是有利的。

7.通过合理的考虑汽轮机焓降分配，降低汽轮机尾部动叶片圆周速度来降低大水滴对叶片的冲击。

材料水蚀是冲击和化学复合作用的结果，通常以冲击作用为主，各种材料存在一个临界冲击速度Wcr，低于此限水蚀轻微，可以不计。不同典型防蚀材料的Wcr值如下：

一般12%的铬钢：140m/s；

优质司太立合金：210～300m/s；

一般硬质合金：190 m/s；

当法向冲撞速度Wcr大于450 m/s时，司太立合金也很快冲蚀。

一般汽轮机尾部叶片采用镶司太立合金或其他方式达到同等硬度，同时由以上数据表明，降低水滴的冲击速度也非常关键。相对速度包含两方面，其一是蒸汽从静叶喷出的绝对流速c1，其二是动叶顶部圆周速度u，当这两个数值同时较小时，直至低于Wcr，叶片便可基本安全。

对于汽轮机设计而言，当速比S=u/c1在最佳值Scr附近，则效率最高，因此在考虑减小c1、u的同时保持S值基本不变，而

c1=（2·△h）0.5，其中△h为汽轮机没级的焓降。

因此在考虑减小c1的同时不影响汽轮机效率，最终需要减小△h，由于汽轮机总的焓降不变，当每级焓降减小，最终使得汽轮机级数需增加。

一般对于低参数汽轮机而言，增加1个压力级即可实现降低u和保证效率的目的。

二、次中、中参数以上饱和蒸汽汽轮机如何除水

次中参数以上饱和蒸汽汽轮机比低参数机组在末级产生的水量更大，其含水量大致在17%～21%（如图5所示），饱和水液滴也随主汽压力升高呈变大趋势。因此，如何降低末级含水量至关重要。

该参数汽机设计，除需考虑上文所述措施外，需考虑如下措施：

（一）汽轮机中间除水装置

次中以上饱和蒸汽在汽机内压力下降到0.3MPa.a时，如在该压力位置将蒸汽中液态水除尽，则汽轮机排汽含水量将在12%以内（查图1可知）。对于次高压饱和汽机组，在汽机内03MPa.a压力位置，即使不采取任何除水措施，该处含水量也可控制在10%以内，即选择该处除水是可以兼顾保证除水位置前和后的通流级均处于安全状态。

中间除水机组分为外部除水和内部除水两种方式：

1.外部除水

图6为外部除水示意图，在汽轮机内部选择合适位置（即0.3MPa.a左右位置），将汽轮机内部蒸汽全部抽出，汽水分离分离后，干饱和蒸汽回到汽轮机后半部分，饱和水回除氧器。

外部除水方式具有系统较简单、安全稳定性高、除水性能可靠、维护方便等优点。

外部除水因需对汽缸开全流量抽汽口及补汽口，受汽轮机结构尺寸限制，以及用户现场布置的考虑，外部除水结构适合于主蒸汽量较小的汽轮机。

2.内部除水

图7为作者及团队研发的汽机内部除湿系统示意图，除水装置安装于汽轮机内0.3MPa.a左右压力位置，蒸汽通过除湿装置时，在“通流部分蒸汽区”内蒸汽具有足够离心速度将凝结水通过“汽水分离口”甩出进入“疏水装置汽水混合区”，最后液态水通过底部疏水口进入疏水膨胀箱。为保证除湿效果，在除湿装置底部设置蒸汽旁通口连接到冷凝器，如此在“汽水分离口”两侧建立一定压差，保证水不易附着在“汽水分离口”附近的金属表面。

内部除湿系统最为简单、安全稳定性较好、对于现场空间紧张的用户更为实用。

（二）汽轮机中间除水再热系统

纯中间除水装置抽汽口在0.3MPa.a左右压力位置除水效果较好，与外部除水方式一样除水性能虽好，但均难完全除净，且当蒸汽流量大时，在0.3MPa.a位置体积流量巨大，外部除水较难实现，内部除水则要求装置非常大，结构上较难实现。

对于一些流量较大的饱和蒸汽机组，最适宜采用外部除水再热系统，类似于核电用汽轮机系统。

图8为作者团队设计的除水再热系统示意图，中压缸排出大于0.7MPa.a的湿蒸汽，由汽水分离器对蒸汽除水后进入表面式换热器，一部分主蒸汽作为加热热源将0.7MPa蒸汽加热成过热蒸汽进入汽轮机低压缸。

其除水部分与上文的外部除水相同，考虑到低压处开口难，该除水选择在0.7～1.0MPa压力范围内位置，次中压以上饱和汽在经过几级做功后含水量在6%～10%，除水具有充分必要性，而如果压力更高，则除水量较少，且再热后的蒸汽过热度低，再热后蒸汽流通到末级的含水量甚至高于前面介绍的除湿方式，其次该处除水后，再经过表面式换热器用一部分主蒸汽对被除湿蒸汽再热后，蒸汽温度将可保证在220℃～250℃范围内，该参数在汽轮机内做功后到汽轮机末级能保证含湿量低于12%。

三、总结

总而言之，从安全运行角度出发，饱和蒸汽汽轮机除湿措施不可或缺，并且要从汽轮机每一级全方位考虑。当然，对于压力较高的饱和蒸汽，中间除湿处理是最为关键的步骤，在结构设计允许情况下，中间除湿位置选择越靠近汽轮机排汽口越好。

参考文献：

[1]李军普.汽轮机低压部分腐蚀分析.河北煤炭，2008（5）.

[2]胡平.汽轮机末级叶片表面防水蚀处理工艺及发展.表面技术，2008，（37）.

作者简介：唐真和（1984），男，汉族，江西星子人，工程師，本科，就职于杭州中能汽轮动力有限公司汽轮机研究所，主要从事工业余热发电与节能减排领域汽轮机研发工作。