汽輪機(jī)低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕分析

周文遠(yuǎn)，朱正寫，王 鵬，紀(jì)繡濤

(中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060)

烯烴裝置裂解氣壓縮機(jī)101-J及其控制系統(tǒng)為從意大利新比隆公司引進(jìn)的成套機(jī)械設(shè)備，汽輪機(jī)為抽汽凝汽式，利用裂解爐產(chǎn)生的10.2 MPa超高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)，抽出1.55 MPa中壓蒸汽進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng)。該機(jī)采用505E調(diào)速器進(jìn)行控制，具有較高的自動(dòng)化水平，控制簡(jiǎn)單、操作方便。

裂解氣壓縮機(jī)自1996年投用以來一直運(yùn)行很平穩(wěn)，但由于受水質(zhì)影響，曾多次發(fā)現(xiàn)透平機(jī)內(nèi)部各機(jī)件上有溶性鹽類垢層，使得透平機(jī)的效率降低，蒸汽耗量增加，影響透平正常的功率輸出，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)無法運(yùn)行。針對(duì)這種情況，以往采取停車后進(jìn)行N2開車，用濕蒸汽對(duì)透平進(jìn)行除垢，取得了較好的效果。但此方法需停車后再開車，經(jīng)濟(jì)損失較大，且影響裝置的連續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行。因此自2003年以后，在不停車的情況下用濕蒸汽吹掃的方法去除透平結(jié)垢，以提高壓縮機(jī)長(zhǎng)周期、高負(fù)荷的運(yùn)行能力。

1 低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片腐蝕

在2011年大修期間，發(fā)現(xiàn)該汽輪機(jī)低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片蜂窩狀點(diǎn)蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的靜葉片及后2級(jí)靜葉片也有點(diǎn)蝕現(xiàn)象。點(diǎn)蝕特征為:各葉片內(nèi)、背弧分布有褐色鐵銹樣鹽垢，表面除垢后葉片四周肉眼可見多處點(diǎn)狀凹坑及銹斑，凹坑直徑最大為1 mm，且外小內(nèi)大，分布不均勻，深度、大小各異。此外，在不受蒸汽直接沖擊的葉根、圍帶等處也發(fā)生了點(diǎn)蝕。起初懷疑是蒸汽品質(zhì)有問題，因Cl－含量高而發(fā)生點(diǎn)蝕。調(diào)查蒸汽品質(zhì)定期分析記錄，發(fā)現(xiàn)Cl－等含量沒有發(fā)生超標(biāo)現(xiàn)象，說明蒸汽品質(zhì)是合格的。

經(jīng)過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象僅發(fā)生在低壓調(diào)節(jié)級(jí)附近，且集中在低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片背弧出汽邊緣，約占整個(gè)葉片1/3高度范圍內(nèi)，見圖1。在低壓調(diào)節(jié)級(jí)靜葉片及其后2級(jí)的靜葉片上的內(nèi)弧面上也發(fā)現(xiàn)了零星的點(diǎn)蝕坑，腐蝕程度由強(qiáng)到弱不規(guī)則的排列，見圖2。在低壓凝氣側(cè)動(dòng)葉片上只有一層紅褐色的氧化物，除去氧化物沒有發(fā)現(xiàn)任何腐蝕坑點(diǎn)。

圖1 動(dòng)葉片背弧的水蝕情況Fig.1 The erosion phenomenon of the moving blades back orc

圖2 靜葉片水蝕現(xiàn)象Fig.2 The erosion phenomenon of the stationary blades

通過對(duì)以上現(xiàn)象的分析，初步判斷為水蝕造成的。但查閱相關(guān)資料[1]，沒有發(fā)現(xiàn)低壓調(diào)節(jié)級(jí)發(fā)生水蝕現(xiàn)象的記載，所以本機(jī)組點(diǎn)蝕的原因需要進(jìn)一步研究。

2 濕蒸汽吹掃透平

2.1 濕蒸汽吹掃透平的方法

利用原蒸汽管網(wǎng)，僅對(duì)爐區(qū)各爐及蒸汽管網(wǎng)作適當(dāng)調(diào)整，保持主蒸汽壓力和凝結(jié)真空不變，使原蒸汽管網(wǎng)的蒸汽滿足吹掃所需的濕蒸汽條件。吹掃時(shí)調(diào)整透平的轉(zhuǎn)速可增大蒸汽流量，加大對(duì)垢層的沖刷力度，使垢層隨濕蒸汽一起脫離。

2.2 濕蒸汽吹掃存在的問題

由于是帶負(fù)荷進(jìn)行吹掃，蒸汽耗量以及轉(zhuǎn)速較高，稍有不慎，可能造成設(shè)備的損壞。因此，在吹掃時(shí)一定要控制好蒸汽的溫度，防止損壞設(shè)備。

3 水蝕原因分析

3.1 水蝕機(jī)理

該濕蒸汽吹掃汽輪機(jī)的方法恰好使機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行，原設(shè)計(jì)流場(chǎng)被破壞，沿葉高的熱力參數(shù)將重新分布，使沿汽缸壁和葉輪的氣流發(fā)生了分離，在動(dòng)葉片進(jìn)汽角和最佳進(jìn)汽角之間產(chǎn)生了一個(gè)沖角。氣流在動(dòng)葉片根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)氣流脫離，由于蒸汽濕度大，氣流中夾帶的水滴隨蒸汽倒流沖擊葉柵。水滴以較大的相對(duì)速度撞擊動(dòng)葉背部很窄的一小塊區(qū)域。大水滴高速撞擊葉片表面會(huì)產(chǎn)生幾倍于水錘的撞擊力，同時(shí)以幾倍于撞擊速度向四方散流。在水滴的連續(xù)撞擊下，葉片材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)開裂，直至材料表面出現(xiàn)裂紋。由于裂紋內(nèi)部的金屬材料沒有保護(hù)層，蒸汽夾帶水滴繼續(xù)吹掃，首先在裂紋內(nèi)部發(fā)生了腐蝕，接著形成腐蝕坑—即點(diǎn)蝕[2]。

3.2 水蝕只發(fā)生在低壓調(diào)節(jié)級(jí)的原因

水蝕只發(fā)生在低壓調(diào)節(jié)級(jí)和濕蒸汽吹掃的操作方法有關(guān)。由于主蒸汽壓力不變，而蒸汽溫度降低時(shí)，低壓區(qū)葉片的蒸汽濕度將要增加。這樣除了增大低壓區(qū)動(dòng)葉的濕汽損失，同時(shí)還將加劇低壓區(qū)動(dòng)葉的水滴沖蝕[3]。由于該機(jī)組的抽汽背壓恒定在1.7 MPa，主蒸汽溫度降低時(shí)，低壓調(diào)節(jié)級(jí)附近腔體內(nèi)的蒸汽濕度就更大。

操作數(shù)據(jù):高壓蒸汽HS的平均消耗量為24.3 t/h，10 MPa，383 ℃，抽氣量為 0。假設(shè)此時(shí)低壓調(diào)節(jié)級(jí)部分蒸汽剛好達(dá)到飽和蒸汽，為了滿足壓縮機(jī)的功率，還需冷凝釋放氣化潛熱做功的蒸汽量為:

4773.40 kW－2750.96 kW=2022.44 kW;

注:濕蒸汽吹掃前汽輪機(jī)功率為4773.40 kW，濕蒸汽吹掃后汽輪機(jī)功率為2750.76 kW;

被抽出的蒸汽狀態(tài)參數(shù)1.7 MPa，230℃(假設(shè)即將達(dá)到飽和蒸汽溫度)，氣化潛熱2651.22 kJ/kg;

還需冷凝釋放氣化潛熱做功的蒸汽量為:

2022.44×3600÷2651.22÷1000=2.75 t/h

根據(jù)相關(guān)資料了解，為了不使低壓級(jí)葉片發(fā)生水蝕，高壓缸的末級(jí)(即低壓調(diào)節(jié)級(jí))處進(jìn)汽濕度不可超過10%。經(jīng)過計(jì)算吹掃透平蒸汽濕度可知，該蒸汽濕度高達(dá)12%以上。因此，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)生水蝕，在葉片上端背弧出汽邊處出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑甚至鋸齒形腐蝕坑。

蒸汽通過高壓缸的末級(jí)后，進(jìn)入體積擴(kuò)大抽汽腔內(nèi)，蒸汽膨脹壓力升高到抽汽背壓后，另一部分經(jīng)抽汽管線排除機(jī)體，另一部分經(jīng)低壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入低壓調(diào)節(jié)級(jí)，蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴減壓擴(kuò)容，在低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片內(nèi)蒸汽進(jìn)一步節(jié)流降壓提速。低壓調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽壓力降低較快，而蒸汽的溫度相對(duì)降低較慢，使壓力遠(yuǎn)低于該溫度下的飽和蒸汽壓，這就使部分中壓凝液或飽和蒸汽經(jīng)節(jié)流后變成了過熱蒸汽[4]。調(diào)節(jié)級(jí)后的2～3級(jí)內(nèi)蒸汽壓力仍低于相應(yīng)溫度下的汽化壓力，新形成的氣泡將停留在蒸汽內(nèi)，這就是說已經(jīng)發(fā)生了“閃蒸”。閃蒸對(duì)節(jié)流斷面即汽輪機(jī)靜葉片會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕，其特性是受侵蝕面上有光滑明亮的斑痕，這些現(xiàn)象與圖2低壓調(diào)節(jié)級(jí)靜葉片斑痕現(xiàn)象是一致的。由于蒸汽壓力進(jìn)一步降低，在調(diào)節(jié)級(jí)后第3級(jí)至最末級(jí)，蒸汽處于過熱狀態(tài)或蒸汽的濕度很小以至于不可能發(fā)生水蝕現(xiàn)象。

4 解決低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕的措施

吹掃的核心問題在于操作參數(shù)及負(fù)荷的選擇，以保證實(shí)現(xiàn)沖洗的條件。同時(shí)要保證汽輪機(jī)在吹掃工況下的安全運(yùn)行。為了不使末級(jí)葉片發(fā)生水蝕，末級(jí)葉片的進(jìn)汽濕度要控制在10%以內(nèi)[5]。

該機(jī)組吹掃時(shí)的操作參數(shù)及負(fù)荷的選擇，能夠保證汽輪機(jī)的吹掃效果顯著和在吹掃工況下的安全運(yùn)行。在吹掃時(shí)應(yīng)降低抽汽壓力，保證進(jìn)入低壓調(diào)節(jié)級(jí)的蒸汽壓力低于該溫度下飽和蒸汽壓力，減少蒸汽的濕度避免低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕發(fā)生。根據(jù)以往操作經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)可知，吹掃工況下抽汽溫度約220～230℃，此時(shí)的飽和蒸汽壓力為2.4 MPa。根據(jù)相關(guān)資料為了避免水蝕發(fā)生，進(jìn)汽溫度一般要保證有50℃的富余量即超過飽和蒸汽溫度50℃。吹掃工況時(shí)低壓調(diào)節(jié)級(jí)的進(jìn)汽壓力應(yīng)低于按照170℃蒸汽飽和壓力，所以抽汽壓力應(yīng)低于0.8 MPa。

機(jī)組的抽汽壓力必須實(shí)現(xiàn)可控操作。為了解決這個(gè)問題，2011年大檢修期間，實(shí)行了101-J透平的抽汽管線與中壓蒸汽(1.6 MPa)管網(wǎng)和低壓蒸汽(0.4 MPa)管網(wǎng)并聯(lián)的改造，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)抽汽壓力可控操作。在今后汽輪機(jī)濕蒸汽吹掃工況下，可實(shí)現(xiàn)抽汽壓力在0.4～1.6 MPa的范圍內(nèi)任意控制，通過優(yōu)化操作參數(shù)完全可以避免低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕。

5 結(jié)束語

通過對(duì)汽輪機(jī)低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)濕蒸汽吹掃汽輪機(jī)的方法存在缺陷。汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，吹掃蒸汽在動(dòng)葉片進(jìn)汽角和最佳進(jìn)汽角之間產(chǎn)生了一個(gè)沖角，由于蒸汽濕度大，吹掃蒸汽夾帶水滴沖擊動(dòng)葉片，造成水蝕。利用檢修機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)抽汽壓力可控操作的改造，通過優(yōu)化操作參數(shù)，完全避免低壓調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉片水蝕的危害。

[1]侯曼西.工業(yè)汽輪機(jī)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，1995，34-35.

[2]倪永君，秦華魂，錢國榮，等.葉片水蝕的發(fā)展過程[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(2):460-461.

[3]金建國，姜鐵騮，曹麗華，等.大型汽輪機(jī)組末級(jí)動(dòng)葉出汽邊水蝕的研究與分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53(3):199-201.

[4]張河，孫立德.防止汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片水蝕的探討[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2008，160(6):310-312.

[5]楊新生.汽輪機(jī)動(dòng)葉片水蝕問題研究及對(duì)策[J].電力設(shè)備，2002，3(2):48-51.