浅析汽轮机通流系统结垢的原因及对策

浅析汽轮机通流系统结垢的原因及对策

马飞

齐鲁石化热电厂 山东省 淄博市 临淄区 255400

摘要：汽轮机转子结垢是热电厂普遍存在的问题，汽轮机结垢会导致热力参数发生变化，引起汽轮机轴位移增大、振动增加、阀门卡涩、调速安保系统失灵以及通流部件腐蚀等一系列问题，它既危及发电厂的安全生产运行，也影响发电效率的提高，是不可忽视的问题。通过对汽轮机转子结垢的成因、和危害方面的分析，总结出汽轮机结垢的处理方案和预防措施，以保证汽轮机设备的长周期稳定运行。

关键词：汽轮机；结垢；诊断；清洗；预防

• 引言

汽轮机是以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的高速旋转原动机。在现代化电厂和核电站中，汽轮机是用来驱动发电机生产电能的，故汽轮机和发电机的组合称为汽轮发电机组，全世界由汽轮发电机组发出的电量约占各种形式发电总量的80%左右。此外，汽轮机还可以用来驱动泵、风机、压缩机等，所以汽轮机是现代化国家中重要的动力机械设备。

汽轮机的通流部分即蒸汽流过并做功的部分，其中包括喷嘴、隔板以及静、动叶片以及相应的汽封装置。这些组件在汽轮机本体中占有重要的位置，直接影响着汽轮机的出力。而且它们在高温、高压、高腐蚀的工作环境之下，又由于锅炉产出的蒸汽品质不良，一些结垢物质在汽轮机内被分离出来，形成垢面。不良的锅炉水质或蒸汽带水等原因也会产生沿蒸汽通道上的结垢。

汽轮机通流部分结垢，将直接影响机组的安全经济运行，主要表现在以下几个方面：

• 结垢后使流通面积减少，若保持主蒸汽参数不变，则蒸汽流量将减少，机组出力则相应降低。

• 动静叶结垢，使其表面粗糙，增大了摩擦损失，加之机组出力偏离设计工况运行，致使汽轮机效率降低，实验表明，每结垢厚度0.1mm，将使级效率降低4%-5%^[1]。

• 某些级段结垢，则前面几级的理想焓减少，反动度增加，转子轴向推力增大，可能造成推力轴承过载损坏而发生事故。

• 主汽门、调速汽门等的门杆结垢，会造成阀门卡涩，进而引起汽轮机事故。

• 盐垢能改变隔板喷嘴和动叶的基本剖面,引起空气动力场和能量分布的变化。

• 通流系统结垢的原因分析

造成汽轮机通流系统结垢的主要原因是汽水品质不合格。

锅炉水质不合格，会导致锅炉产出蒸汽不良，比如：凝汽器铜管漏泄，而使循环冷却水进入凝汽器的凝结水中，污染凝结水；再有锅炉给水不合格，这与化学处理有直接关系。此外，锅炉构造不良，或运行方式不正确，产生汽水共腾现象，造成供给汽轮机的蒸汽品质下降，进而汽轮机结垢。

对于低温、低压蒸汽挟带盐分，是由于盐分溶解于水中所致，当进入汽轮机内，就造成叶片的结垢。

对于高温、高压蒸汽，那就是高温、高压蒸汽作为一种非水质溶剂，而挟带盐分进入汽轮机内，至于有的盐分可能从蒸汽的状态出现，随同蒸汽一同进入汽轮机内。汽轮机叶片结垢，分为可溶于水、少溶于水及不溶于水的物质。这些盐分进入汽轮机内，随着汽轮机内各级压力、温度的依次变化而沉积在汽叶上，但由于温度、压力的依次变化没有明显界限，所以结垢也没有明显界限。在高温高压段，常常积存硫酸钠，依次也有氢氧化钠、碳酸钠、氯化钠、硅酸钠等。低温、低压段是以氧化硅为主的积垢，这种积垢不溶于水，是难以清洗掉的。此外，还有铁、铜的氧化物及其它盐类存在的积垢。

汽轮机内盐类沉积形成的原因如下：当带有杂质的过热蒸汽进入汽轮机后，由于蒸汽在汽轮机内膨胀做功，蒸汽的压力和温度逐渐下降，蒸汽中的钠盐和硅酸等杂质的溶解度随压力降低而减小，故当其中某种物质的溶解度降低到低于蒸汽中该物质的含量时，该物质就以结晶的形式析出，并沉积在汽轮机的蒸汽通流的表面上，在蒸汽流过汽轮机的喷嘴和叶片时，那些细微的浓液滴还能把一些固体微粒一起粘附在蒸汽通流表面上。因此在汽轮机的每个隔板和叶片上便产生了盐类附着物。

• 通流系统结垢程度的诊断

热力过程参数的变化可以准确地反映有关系统地运行情况。重大事故发生前或出现前兆时，通过热力参数的异常变化就可以准确判断和预告，从而及时采取措施避免事故的发生和扩大。机组带负荷运行时，通流部分和转子结垢情况可以通过监视调节级(速度级)和某些级段(如旋转隔板前)的压力变化来进行诊断。诊断过程需要结合主蒸汽流量、汽耗量、热耗率和轴向位移等参数的变化情况综合分析，判断发生故障的原因，并采取相应的措施进行设备维护。下面介绍两种常用的简单诊断方法。

3．1初步判断机组通流部分结垢的方法

汽轮机结垢的判断依据在凝汽式汽轮机中，除最后一、二级外，调节级蒸汽室压力和各段抽汽压力均与主蒸汽流量成正比例变化。根据这个原理，在运行中通过监视调节级汽室压力和各段抽汽压力，就可以有效地监督通流部分工作是否正常。通常称各抽汽段和调节级汽室压力为监视段压力。如果在同一负荷(流量)下监视段压力升高，则说明该监视段以后通流面积减小，多数情况是结了盐垢。所以，根据监视段压力增长系数ΔP判断通流面积的变化情况来判断汽轮机结垢的严重程度。一般大型机组ΔP不超过5％，小型机组不超过20％

^【4】，超过该指标时，就有必要采取措施对汽轮机进行清洗。

3．2利用流量公式验证通流面积的变化诊断结垢情况

通过弗留格尔公式验证通流部分面积的变化程度

——工况变化前、后的流量

。——工况变化前、后的速度级前压力

——工况变化前、后的速度级后压力

——工况变化前、后的蒸汽温度

运行经验表明，汽轮机变工况运行时，机组内部各压力级前后的温度变化较小，可以忽略不计，多级汽轮机中和的值也可忽略不计。

则弗留格尔公式可以简化为

也就是说汽轮机变工况运行时级前压力与蒸汽流量成正比。弗留格尔公式在汽轮机通流面积不变的情况下适用，在实际运行中，由于各种原因导致通流面积出现变化(如通流部分结垢、叶片损伤、变形等情况)，应对上式进行修正；

——分别表示工况变化前后的通流部分面积

当叶片、喷嘴损伤或叶片结垢，是通流部分的面积缩小时，<1可由(2式)估算出汽轮机内部通流面积缩小的程度。一般来说，大机组不小于0.95，当a<0.95时说明机组通流面积由于某种原因减小已影响到机组安全、经济运行，必须采取措施进行处理，而小型机组则不允许超出0.75^[5]。此外，当汽轮机通流面积减小后，调节级焓降减少，反动度增加，压力及前后压差增大，从而造成轴向推力增大，轴向位移增加，导致动静部分发生碰磨造成推力事故。

• 汽轮机结垢清洗

汽轮机结垢严重(一般中、低压机组监视段压力增长系数 超过20%)时，必须进行清除。根据垢层的不同成分：大部分情况下结垢包括积盐和硅垢，积盐成分主要是可溶于水的NaCl、Na₂SO₄、硅酸盐等；硅垢成分中有不同晶态的SiO₂，SiO₂有很强的结垢能力，且非常坚硬，不溶于水，通常采用下列3种方法进行清除。

4.1物理(机械)清洗

汽轮机大修时，将汽缸打开，吊出转子，检查叶片、通流部分的结垢情况，采用手工清除、水力珩磨、打砂和喷丸等方法进行清洗。手工清除采用刮刀、金属丝刷、砂纸等工具进行手工除垢，适用于小型汽轮机的结垢清洗；水力珩磨采用压缩空气射流，将含有磨料粉末的水喷向金属表面，适用于大型汽轮机的清洗；打砂和喷丸清洗用压缩空气将50～100目的砂或者喷丸喷向金属表面进行清洗，此种方法力度较大，易伤到金属本体，一般不推荐采用。

4.2湿蒸汽清洗

湿蒸汽清洗法是一种经济的清洗方法，它是将饱和蒸汽或者一定过热度的湿蒸汽通入汽轮机，在盘车状态下或者在低负荷下对通流部分结垢进行冲洗。冲洗后，积盐被饱和蒸汽冷凝液溶解带走；盐类物及SiO2混合物结垢，当溶于水的盐类物被冲掉后，不溶于水的SiO₂垢层会随之剥离而被除去。

4.3化学清洗

当饱和蒸汽清洗不能有效清除垢层时，可考虑采用化学清洗。化学清洗是在清洗蒸汽中加入化学药品的清洗方法，如加入NaOH溶液，NaOH与SiO₂发生反应生成溶于水的Na₂Si₂O₅，而使硅垢被清除。由于化学药品会腐蚀汽轮机的构件，因此清洗时应严格控制药品的温度、浓度等关键指标，并且化学清洗后要用饱和蒸汽对汽轮机进行彻底清洗，防止残留药品对汽轮机造成腐蚀。

对于以上三种清洗方法，物理（机械）清洗虽然清理彻底，但需对汽轮机进行揭缸并吊出转子，每台汽轮机需10d左右的检修时间，检修清洗费用在15万元左右，耗时较长、费用较高。湿蒸汽清洗需要控制好蒸汽温度，如果控制不好，容易导致严重的水冲击事故，根据汽轮机的实际运行情况，可以采用滑参数启机与清洗叶片相结合，即达到启机的目的，又清除了叶片结的盐垢。

• 预防结垢的方法:

清洗的方法再好也不是目的，关键在于如何预防，要彻底根治就要从它的来源解决：

• 加强管理人员的技术培训工作，增强责任心，健全并严格执行各项有关标准，强调有关化学监督的规章制度及技术标准的严肃性和完整性，在全过程的化学监督中，不能随意更改或放宽技术标准，视水汽质量超标而不顾。

• 更新检测仪器，加大现有制水方式的检测力度，及时监视交换器各项运行指标，特别是阴床出口硅酸根离子浓度，及时将失效床退出运行，确保制水质量。建议在阴床出口管道上安装SiO₂检测仪，要充分发挥在线化学仪表的监视作用。

• 加大排污工作的管理力度，加强运行人员的责任心，通过定期排污和连续排污及时将含盐量浓度高的炉水排走，保证蒸汽品质。

• 加强运行监测，保证炉水PH值在10左右运行，因为提高炉水中的PH值时水中的OH-浓度增加，硅酸与硅酸盐处于水溶解平衡状态，即

SiO₃^2-+H₂O=HSiO₃^-+OH^-

HSiO₃^-+H₂O=H₂SiO₃^-+OH^-

使炉水中的硅酸减少，随着炉水中PH值的上升，饱和蒸汽中硅酸的溶解携带系数减少。所以提高炉水的PH值有利于减少蒸汽中硅酸盐的含量，减轻汽轮机结垢。

• 加强锅炉运行的监控，保持锅炉过热蒸汽温度在额定范围内运行，具有足够的过热度，减少蒸汽携带盐分。

• 加强除氧器的运行管理，投入溶解氧分析仪监视溶解氧指标。为保证除氧器的温度均衡要保证均匀上水，尽可能的延长上水时间，加强联系，特别是流量增大时必须提前开启再沸腾管加热，保证除氧效果。

• 稳定汽轮机的负荷运行，汽轮机的电负荷和热负荷变化速度太快或变化太频繁，都会导致锅炉负荷来不及调整，汽包液位难以稳定，汽水共腾、蒸汽带水现象就会发生，就会造成汽轮机通流部分积盐。

• 科学合理的调整汽轮机的运行方式，针对抽汽供热机组在电负荷低峰时，抽汽级后凝汽量减少易造成积垢的这一弊病，在用电低峰时可安排两台机组轮换带抽汽运行，制定合理的切换制度并严格执行。

• 结论

综上所述，蒸汽的品质对汽轮机的安全稳定运行具有重要的影响，是造成汽轮机结垢、运行效率降低的根本原因。汽轮机通流部分结垢，使通流部分面积减小，使汽轮机级效率降低，轴向推力增大，严重威胁汽轮机的安全经济运行。一旦汽轮机产生结垢时，要及时判断，选择合适的清垢方式，特别是在线清垢时，一定要控制好蒸汽温度，防止发生水击事故。防止汽轮机结垢，必须加强对机组运行蒸汽品质的化学监督，特别是硅的监督检测。同时，还要加强热力系统的运行管理与监督，改进给水处理工况的优化调整。另外，还要注重机组停机期间的停用保护措施。只有多方面采取措施，才能确保有效预防汽轮机的结垢问题。

参考文献

• 徐鸣.节能资料选编【R】.四川省电力工业局试验研究所.1990

• 张毅、杜秉晓. 汽轮机通流部分结垢变化特征参数提取.2008

• 苏红刚、隋志杰.汽轮机通流部分结垢诊断及应用。2012

• 王德荣.汽轮机积垢的处理【J】.2002

• 牛为东、丁翠兰.关于汽轮机通流部分热力检测及诊断的讨论.2001