浅谈工况变化对汽轮机工作的影响

王成军

（华电能源牡丹江第二发电厂，黑龙江 牡丹江 157015）

1 概述

机组在运行中，随着外界负荷以及锅炉燃烧等工况的变化，势必对机组的运行工况产生影响。在汽轮机运行时，如果运行参数和负荷都等于设计值，这种工况被称为设计工况。这时机组的运行效率最高，称为经济工况。目前，机组的经济工况和额定工况出力是相同的，但在汽轮机运行中不可能始终保持设计工况，当偏离设计运行工况时称为汽轮机的变工况。变工况时，进入汽轮机的蒸汽参数和流量的变化，将引起各通流级温度、压力、焓降、效率、反动度和轴向推力等变化，影响到汽轮机的安全性和经济性。所以，机组在运行中，运行人员应经常监视参数变化情况，分析变化产生的原因，根据原因及时采取相应的调整措施，并控制在规定的允许范围内。

2 蒸汽参数变化对汽轮机工作的影响

2.1 主蒸汽温度变化的影响

2.1.1 主蒸汽温度升高，压力不变时

主汽温度从t0升高到t01时，理想焓降由H0增加到H01焓降增大，机组热耗降低。200 MW汽轮机主蒸汽温度每升高50℃，热耗约降低0.12%～0.14%，但当主汽温度超过允许范围时，会对设备的安全运行造成威胁。

其危害主要表现在：主汽温度过高，将造成金属材料的机械强度降低，蠕变速度加快，缩短金属材料的使用寿命，同时还会造成汽缸、阀门等承压部件的紧固件产生应力松弛。这种现象随工作温度的升高和时间的增长而增加；主蒸汽温度过高还会导致受热部件的热膨胀、热变形加大，若膨胀受阻将会引起机组的振动；随着蒸汽焓降的增加和在通流级中焓降的再分配，可能会造成某些级段的过负荷。因此，一般规定主汽温度只允许比额定温度高5℃，同时还规定了超温持续的时间。

2.1.2 主蒸汽压力不变，主蒸汽温度降低时

这种情况不仅降低了机组运行的经济性，还对机组的安全性产生很大的影响。危害主要表现在：末几级蒸汽湿度增大，对末几级长叶片的水冲刷加剧，降低了叶片的安全性和经济性，并降低了机组的使用寿命；机组的汽耗增大，使机组的运行经济性降低。如不降低，机组出力就要增加进气量，这样会导致某些通流级的应力增加；汽温的急剧下降，将会造成机组热冲击，导致机组高温部件产生很大的冲击应力和热变形，甚至造成动静摩擦，严重威胁机组的使用寿命；机组的轴向推力增加，如汽温过度降低将造成机组水冲击事故的发生。

2.2 主蒸汽压力变化的影响

当主蒸汽温度不变、压力变化时，主蒸汽压力由额定值p0增加到p01，这时的热力过程线由设计工况的A-B-C变化到A1-B1-C1，理想焓降由H0增加到H01。如负荷保持不变，变化后的主蒸汽流量D1与原设计的蒸汽流量D0的关系：D1=D0×H0/H01

由于压力升高后的焓降H01大于设计值H0。流量D1就必然小于D0，这对机组的经济性显然是有利的。但当主蒸汽压力升高超过允许的范围时，将会对机组带来严重的危害。主要表现在：主蒸汽温度不变、压力升高时，机组末几级的湿度增大。蒸汽湿度的增大，将会加重末几级长叶片的水冲刷，从而降低了长叶片工作的经济性和安全性；主蒸汽压力过高，将会引起主蒸汽管道、主汽门、调速汽门、汽缸等承压部件的应力升高，缩短使用寿命，甚至直接造成设备的变形损坏；由于调速汽门前的蒸汽压力升高，调节级喷嘴前后的压差增大，焓降增加，将会造成调节级叶片的过负荷；在主蒸汽温度不变、主蒸汽压力降低时，除影响机组经济性，还会降低机组出力和引起轴向推力的变化。

2.3 再热蒸汽压力和温度变化对汽轮机工作的影响

在正常运行中，再热蒸汽压力是随蒸汽流量变化的。再热器的压损亦随着蒸汽流量的变化而变化，而再热器压损的大小，对整个汽轮机运行的经济性有着显著的影响。

进入中压缸的蒸汽压力只有在大幅度改变负荷和机组的故障状态下才会产生较大的变化。当蒸汽流量不变时，如再热蒸汽压力升高，则说明中压缸的阻力增大；如中压主汽门和调节汽门的节流状态变化，或通流部分结垢、机械杂质堵塞流道等，应及时查明原因并采取相应的处理措施。

同主蒸汽温度一样，再热蒸汽温度的变化也同样直接影响汽轮机的经济性和安全性。当再热蒸汽温度过高时，通常采用喷水减温的方法来降低汽温，但喷水减温直接增加了中低压缸的蒸汽量，一方面会引起中低压缸各级前的压力升高，造成隔板与动叶片的应力增加和轴向推力的增加；另一方面也降低了机组运行的经济性。国产200 MW汽轮机再热蒸汽的喷水量每增加1%，将导致机组热耗增加0.1%～0.2%。因此，应尽量减小再热蒸汽的减温水量。

2.4 蒸汽流量变化对汽轮机工作的影响

2.4.1 流量变化对通流级组前后参数的影响

对通流面积不变的各压力级，如没有抽汽则各级组的流量相等。当进入汽轮机的流量发生变化时，级组内各级的喷嘴或动叶内流动的蒸汽未达到临界状态，级组前后的压力、温度与流量的关系可用弗留格尔公式表示，即式（1）：

式中：D0：设计工况下级组内各级的蒸汽流量；

D1：工况变化后级组内各级的蒸汽流量；

P0：设计工况下级组前的蒸汽压力；

P01：工况变化后级组前的蒸汽压力；

PZ：设计工况下级组后的蒸汽压力；

PZ1：工况变化后级组后的蒸汽压力；

T0：设计工况下级前的热力学温度；

T01：工况变化后级前的热力学温度。

当进入汽轮机的流量发生变化时，如果级组内喷嘴或叶片内蒸汽的流速达到了临界状态，级组前后的压力、温度与流量的关系可见式（2）：

另外，在汽轮机工况变化时，级前的蒸汽温度变化很小，可认为T01≈T0，弗留格尔公式可简化为式（3）：

对于凝汽式机组，因工况变化前后的排汽压力很低，故距最末级三级以上时都可以近似地应用上式。

对于调节级情况比较复杂。当采用节流调节方式时，调节级（或称第一级）通流面积不随工况而变动，可把包括第一级在内的整个通流级组一同考虑，即第一级的变工况特性与中间级的相同。当采用喷嘴调节方式时，为了减少节流损失，每个调节汽阀控制着一组喷嘴，在变工况时，随着调节汽阀开度变化，调节级的通流面积也随之改变。当第一个调节汽阀全开时，只有第一组喷嘴进汽，进汽量较小，压力级前的蒸汽压力很低，喷嘴前后的压差最大，该组喷嘴的焓降达到最大值；当流量继续增大时，由于调节级后的压力升高，调节级的焓降随之下降。所以，调节级的喷嘴和叶片最严峻的工况不是最大流量，而是在第一个调节汽阀全开而其他调节汽阀尚未开启时的工况。现代大功率汽轮机为了减小在变工况时的工作应力，多采用截留和喷嘴混合调节方式。即第一和第二调节汽阀需同时开启，因为两调汽阀分别布置在上下缸，这样既可以有效地减小调节级变工况时的工作应力，又可以使上下汽缸进汽均匀，减少工况变化时的上下缸温差。因此，对现代大功率汽轮机要特别注意避免一个调节阀全开而其他调节阀未开的工况。

对末级叶片，级前压力随着蒸汽流量的增加而升高，而排汽压力则变化很小。这样，当蒸汽流量超过设计值后末级叶片的前后压差将会超过设计值，末级叶片和末级隔板的工作应力超出设计值而处于过负荷状态，对次末级也存在着类似的影响。

在级组的流量变化时，为了避免通流部分过负荷，要特别注意监视各阶段的监视段压力和压差，尤其是对末级或末几级更需要重点监视。

2.4.2 机组流量变化与反动度的关系

通过级组的流量发生变化时，级的理想焓降在喷嘴和叶片中的分配比例发生变化，级的反动度发生变化。当级的理想焓降减小时，级的反动度是增大的；级的理想焓降增大时，级的反动度是减小的。

凝汽式汽轮机的压力级，可以近似地认为，在流量变化时级的理想焓降保持不变，级的反动度也保持不变。调节级的理想焓降随着流量的变化而变化，级的反动度也随之发生变化。最末几级，尤其是最末一级流量变化时理想焓降变化最大，级的反动度也将产生较大幅度的变化。最末几级在湿蒸汽区工作的长叶片，根部出现负的反动度，将会造成蒸汽回流，从而引起根部的冲刷。为了避免末级长叶片根部的冲刷现象，现代大功率汽轮机除了注意改进叶型外，还适当地加大了叶片根部的反动度。

当焓降变化不大时，冲动级反动度的变化数值可用式（4）进行近似的计算：

式中：Δρ：变工况后级的反动度ρ与设计工况下级的反动度ρ0的差值，Δρ=ρ－ρ0；

Δxt：变工况后的速度比xt与设计工况速度比（xt）0的差值，Δxt=xt－（xt）0。

从上式可以看出，级的反动度的变化，除与级的理想焓降变化有关外，还与设计工况所取的反动度大小有关。

对于反动级（ρ=0.5左右），工况变化时级的反动度基本不变。

2.4.3 流量变化对轴向推力的影响

汽轮机的轴向推力是蒸汽的压力差作用在叶片、叶轮和不同直径的轴肩等处产生的。当汽轮机的蒸汽流量改变时，通流级前后的压差和反动度都有所变化，因此轴向推力也必然发生变化。轴向推力的变化，直接影响推力轴承的工作安全，而且往往成为制约机组出力的关键因素。

对于凝汽式喷嘴调节的汽轮机，流量变化时焓降的变化主要发生在调节级和最末级，负荷增大时，调节级焓降减小，最末级焓降增大，而中间各级的焓降近似保持不变。对于调节级，由于焓降减小反动度增大，将会致使轴向推力增大。对于最末级，由于焓降增大，反动度减小，致使轴向推力减小。但由于末级叶轮和叶片前后的压差和压差的变化都很小，所以对轴向推力影响不大。对于中间各级，虽然级前后的压力比保持不变，但随着调节级压力的提高，各级的绝对压差是增大的。所以，当流量增大时，中间各级的轴向推力也是增大的。为了减小级组的轴向推力，在级组的前汽封处都设有平衡活塞，平衡活塞前后压差形成的轴向推力与级组通流部分产生的轴向推力方向相反。随着流量的增大，平衡活塞和不同直径的轴肩的压差都会增大，从而抵消一部分轴向推力。故对整个机组来说，综合上述的因素，轴向推力的变化时比较复杂的。每台级组的情况也不尽相同。一般来说，机组的轴向推力随着流量的增加而增大。反之，当流量减小时机组的推力也减小。

2.5 排汽压力（真空）变化对汽轮机工作的影响

汽轮机排汽压力的变化，对机组的安全经济运行都有着较大影响。当排汽压力降低即凝汽器真空升高时，汽轮机热耗降低，或当蒸汽量不变时，机组的出力增加。当轴向排汽速度达到音速时功率不再增加，这时的排汽压力称为阻塞背压。国产200MW汽轮机组，当凝汽器真空比设计值降低1%时，汽轮机热耗要增加0.7%～0.8%。但当凝汽器真空过高时，随着冷却水耗电量的增加，总体经济效益将会变差，存在着一个最经济的真空值，随着排汽压力的下降，在未达到阻塞背压以前，汽轮机发出的功率PT会有所增加，但循环水泵耗功率PP则增加更快，显然只有ΔPT－ΔPP的差值最大时才是最经济的真空值，如果ΔPP大于ΔPT，则反而不经济了。

在机组运行中，真空过高的情况并不多见，而运行真空低于设计值的情况则比较普遍，尤其是北方缺水地区往往运行真空偏低过多。真空偏低将会给机组带来如下的危害：

（1）排汽压力过高，不但直接影响机组运行的经济性，而且有时还会限制机组出力。

（2）排汽压力过高，引起排汽温度升高。对于非落地轴承的轴系支撑结构，排汽温度升高将会引起轴系中心位置的变化，从而引起机组振动。

（3）排汽温度过高，可能引起铜管胀口的松弛，影响凝汽器的严密性。

（4）引起机组轴向推力的变化。对冲动式汽轮机，当排汽压力升高时，如要维持负荷不变，则要增加进汽量，从而轴向推力增大。对反动式汽轮机，排汽压力升高时，随着进汽量的增大，受转自轮毂的影响，轴向推力将会有所降低。

（5）排汽压力升高，排汽体积流量减小，末级叶片的汽流速度也随之降低。流速降低到一定程度就会产生脱流及旋涡，从而产生较强的激振力，致使叶片产生颤振。这种颤振的频率低、振幅大，极易损坏叶片，造成叶片断裂事故。