王成軍

（華電能源牡丹江第二發(fā)電廠，黑龍江 牡丹江 157015）

1 概述

機(jī)組在運(yùn)行中，隨著外界負(fù)荷以及鍋爐燃燒等工況的變化，勢必對機(jī)組的運(yùn)行工況產(chǎn)生影響。在汽輪機(jī)運(yùn)行時，如果運(yùn)行參數(shù)和負(fù)荷都等于設(shè)計值，這種工況被稱為設(shè)計工況。這時機(jī)組的運(yùn)行效率最高，稱為經(jīng)濟(jì)工況。目前，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)工況和額定工況出力是相同的，但在汽輪機(jī)運(yùn)行中不可能始終保持設(shè)計工況，當(dāng)偏離設(shè)計運(yùn)行工況時稱為汽輪機(jī)的變工況。變工況時，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)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(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。所以，機(jī)組在運(yùn)行中，運(yùn)行人員應(yīng)經(jīng)常監(jiān)視參數(shù)變化情況，分析變化產(chǎn)生的原因，根據(jù)原因及時采取相應(yīng)的調(diào)整措施，并控制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

2 蒸汽參數(shù)變化對汽輪機(jī)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(jī)組熱耗降低。200 MW汽輪機(jī)主蒸汽溫度每升高50℃，熱耗約降低0.12%～0.14%，但當(dāng)主汽溫度超過允許范圍時，會對設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅。

其危害主要表現(xiàn)在：主汽溫度過高，將造成金屬材料的機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)生應(yīng)力松弛。這種現(xiàn)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(dǎo)致受熱部件的熱膨脹、熱變形加大，若膨脹受阻將會引起機(jī)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(fù)荷。因此，一般規(guī)定主汽溫度只允許比額定溫度高5℃，同時還規(guī)定了超溫持續(xù)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(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還對機(jī)組的安全性產(chǎn)生很大的影響。危害主要表現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性，并降低了機(jī)組的使用壽命；機(jī)組的汽耗增大，使機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。如不降低，機(jī)組出力就要增加進(jìn)氣量，這樣會導(dǎo)致某些通流級的應(yīng)力增加；汽溫的急劇下降，將會造成機(jī)組熱沖擊，導(dǎo)致機(jī)組高溫部件產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力和熱變形，甚至造成動靜摩擦，嚴(yán)重威脅機(jī)組的使用壽命；機(jī)組的軸向推力增加，如汽溫過度降低將造成機(jī)組水沖擊事故的發(fā)生。

2.2 主蒸汽壓力變化的影響

當(dāng)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(shè)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(fù)荷保持不變，變化后的主蒸汽流量D1與原設(shè)計的蒸汽流量D0的關(guān)系：D1=D0×H0/H01

由于壓力升高后的焓降H01大于設(shè)計值H0。流量D1就必然小于D0，這對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性顯然是有利的。但當(dāng)主蒸汽壓力升高超過允許的范圍時，將會對機(jī)組帶來嚴(yán)重的危害。主要表現(xiàn)在：主蒸汽溫度不變、壓力升高時，機(jī)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(jīng)濟(jì)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(diào)速汽門、汽缸等承壓部件的應(yīng)力升高，縮短使用壽命，甚至直接造成設(shè)備的變形損壞；由于調(diào)速汽門前的蒸汽壓力升高，調(diào)節(jié)級噴嘴前后的壓差增大，焓降增加，將會造成調(diào)節(jié)級葉片的過負(fù)荷；在主蒸汽溫度不變、主蒸汽壓力降低時，除影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，還會降低機(jī)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(jī)工作的影響

在正常運(yùn)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(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著顯著的影響。

進(jìn)入中壓缸的蒸汽壓力只有在大幅度改變負(fù)荷和機(jī)組的故障狀態(tài)下才會產(chǎn)生較大的變化。當(dāng)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(diào)節(jié)汽門的節(jié)流狀態(tài)變化，或通流部分結(jié)垢、機(jī)械雜質(zhì)堵塞流道等，應(yīng)及時查明原因并采取相應(yīng)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。當(dāng)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(yīng)力增加和軸向推力的增加；另一方面也降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。國產(chǎn)200 MW汽輪機(jī)再熱蒸汽的噴水量每增加1%，將導(dǎo)致機(jī)組熱耗增加0.1%～0.2%。因此，應(yīng)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(jī)工作的影響

2.4.1 流量變化對通流級組前后參數(shù)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(dāng)進(jìn)入汽輪機(jī)的流量發(fā)生變化時，級組內(nèi)各級的噴嘴或動葉內(nèi)流動的蒸汽未達(dá)到臨界狀態(tài)，級組前后的壓力、溫度與流量的關(guān)系可用弗留格爾公式表示，即式（1）：

式中：D0：設(shè)計工況下級組內(nèi)各級的蒸汽流量；

D1：工況變化后級組內(nèi)各級的蒸汽流量；

P0：設(shè)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(shè)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(shè)計工況下級前的熱力學(xué)溫度；

T01：工況變化后級前的熱力學(xué)溫度。

當(dāng)進(jìn)入汽輪機(jī)的流量發(fā)生變化時，如果級組內(nèi)噴嘴或葉片內(nèi)蒸汽的流速達(dá)到了臨界狀態(tài)，級組前后的壓力、溫度與流量的關(guān)系可見式（2）：

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

對于凝汽式機(jī)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(yīng)用上式。

對于調(diào)節(jié)級情況比較復(fù)雜。當(dāng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式時，調(diào)節(jié)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(nèi)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(dāng)采用噴嘴調(diào)節(jié)方式時，為了減少節(jié)流損失，每個調(diào)節(jié)汽閥控制著一組噴嘴，在變工況時，隨著調(diào)節(jié)汽閥開度變化，調(diào)節(jié)級的通流面積也隨之改變。當(dāng)?shù)谝粋€調(diào)節(jié)汽閥全開時，只有第一組噴嘴進(jìn)汽，進(jìn)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(dá)到最大值；當(dāng)流量繼續(xù)增大時，由于調(diào)節(jié)級后的壓力升高，調(diào)節(jié)級的焓降隨之下降。所以，調(diào)節(jié)級的噴嘴和葉片最嚴(yán)峻的工況不是最大流量，而是在第一個調(diào)節(jié)汽閥全開而其他調(diào)節(jié)汽閥尚未開啟時的工況。現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)為了減小在變工況時的工作應(yīng)力，多采用截留和噴嘴混合調(diào)節(jié)方式。即第一和第二調(diào)節(jié)汽閥需同時開啟，因為兩調(diào)汽閥分別布置在上下缸，這樣既可以有效地減小調(diào)節(jié)級變工況時的工作應(yīng)力，又可以使上下汽缸進(jìn)汽均勻，減少工況變化時的上下缸溫差。因此，對現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)要特別注意避免一個調(diào)節(jié)閥全開而其他調(diào)節(jié)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(dāng)蒸汽流量超過設(shè)計值后末級葉片的前后壓差將會超過設(shè)計值，末級葉片和末級隔板的工作應(yīng)力超出設(shè)計值而處于過負(fù)荷狀態(tài)，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(fù)荷，要特別注意監(jiān)視各階段的監(jiān)視段壓力和壓差，尤其是對末級或末幾級更需要重點監(jiān)視。

2.4.2 機(jī)組流量變化與反動度的關(guān)系

通過級組的流量發(fā)生變化時，級的理想焓降在噴嘴和葉片中的分配比例發(fā)生變化，級的反動度發(fā)生變化。當(dāng)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(jī)的壓力級，可以近似地認(rèn)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(diào)節(jié)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(fā)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(chǎn)生較大幅度的變化。最末幾級在濕蒸汽區(qū)工作的長葉片，根部出現(xiàn)負(fù)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(xiàn)象，現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)除了注意改進(jìn)葉型外，還適當(dāng)?shù)丶哟罅巳~片根部的反動度。

當(dāng)焓降變化不大時，沖動級反動度的變化數(shù)值可用式（4）進(jìn)行近似的計算：

式中：Δρ：變工況后級的反動度ρ與設(shè)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(shè)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(guān)外，還與設(shè)計工況所取的反動度大小有關(guān)。

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(jī)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(chǎn)生的。當(dāng)汽輪機(jī)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(fā)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(jī)組出力的關(guān)鍵因素。

對于凝汽式噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)，流量變化時焓降的變化主要發(fā)生在調(diào)節(jié)級和最末級，負(fù)荷增大時，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)級壓力的提高，各級的絕對壓差是增大的。所以，當(dāng)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(shè)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(chǎn)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(jī)組來說，綜合上述的因素，軸向推力的變化時比較復(fù)雜的。每臺級組的情況也不盡相同。一般來說，機(jī)組的軸向推力隨著流量的增加而增大。反之，當(dāng)流量減小時機(jī)組的推力也減小。

2.5 排汽壓力（真空）變化對汽輪機(jī)工作的影響

汽輪機(jī)排汽壓力的變化，對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著較大影響。當(dāng)排汽壓力降低即凝汽器真空升高時，汽輪機(jī)熱耗降低，或當(dāng)蒸汽量不變時，機(jī)組的出力增加。當(dāng)軸向排汽速度達(dá)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(chǎn)200MW汽輪機(jī)組，當(dāng)凝汽器真空比設(shè)計值降低1%時，汽輪機(jī)熱耗要增加0.7%～0.8%。但當(dāng)凝汽器真空過高時，隨著冷卻水耗電量的增加，總體經(jīng)濟(jì)效益將會變差，存在著一個最經(jīng)濟(jì)的真空值，隨著排汽壓力的下降，在未達(dá)到阻塞背壓以前，汽輪機(jī)發(fā)出的功率PT會有所增加，但循環(huán)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(jīng)濟(jì)的真空值，如果ΔPP大于ΔPT，則反而不經(jīng)濟(jì)了。

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

（1）排汽壓力過高，不但直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且有時還會限制機(jī)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(jié)構(gòu)，排汽溫度升高將會引起軸系中心位置的變化，從而引起機(jī)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(yán)密性。

（4）引起機(jī)組軸向推力的變化。對沖動式汽輪機(jī)，當(dāng)排汽壓力升高時，如要維持負(fù)荷不變，則要增加進(jìn)汽量，從而軸向推力增大。對反動式汽輪機(jī)，排汽壓力升高時，隨著進(jìn)汽量的增大，受轉(zhuǎn)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(chǎn)生脫流及旋渦，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的激振力，致使葉片產(chǎn)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。