摘要：汽轮机组是供给电网生产电力的主要设备，直接关系电网深度调峰与供热的实际效果。结合当前电网运行发展的实际情况，本文以汽轮机为主要研究对象，着重从汽轮机低压叶片的角度，在简单介绍汽轮机运行工况的基础上，探讨在电网深度调峰运行的工况下，影响汽轮机低压叶片安全性的主要因素，进而结合电厂运行的实际情况，提出能够有效保障汽轮机低压叶片安全的措施。

关键词：深度调峰；汽轮机；低压叶片

前言：低压叶片是汽轮机的重要组成构件，低压叶片的流通特性和运行安全性，直接关系汽轮机组整体的应用效果。在汽轮机组运行过程中，要求保证低压缸始终在低负荷，甚至零出力的工况条件下运行，才能够让汽轮机的排气压力维持在合理的标准范围内，从而保障整个汽轮机组的正常运行。基于此，对电网深度调峰运行情况下的低压叶片安全性进行分析，有助于保证电网供电生产的整体效果。

1汽轮机运行工况

某电厂生产供电主要选择1000MW等级高效超超临界二次再热汽轮机。这类汽轮机在生产期间已经考虑机组在深度调峰下的安全可靠性。这一汽轮机组具体为二次中间再热、五缸四排汽、凝汽式汽轮机组。采用全周进汽+补汽阀调节进汽方式，补汽阀开启点设置在THA工况，THA工况主蒸汽压力为32MPa.a。

在结合电厂实际运行需求的前提下，为了保证机组额定负荷及以上负荷安全运行，且最高给水温度不超过最大给水温度要求，设计点工况主蒸汽压力达到额定参数，减少主汽压力滑压损失，设计汽轮机工况为THA，即75%THA工况主蒸汽、再热蒸汽提高至额定参数。这一过程中，汽轮机主要应用1220mm等级末级叶片，保证调峰能力达到20%THA负荷。

2深度调峰运行时汽轮机低压叶片安全性影响因素

2.1叶片末端出口回流

在明确汽轮机运行工况的前提下，结合以往汽轮机的运行经验，探讨在电网深度调峰运行情况下，汽轮机低压叶片安全性的影响因素。当电网处于深度调峰运行状态时，汽轮机末级低压叶片的出口单位会产生一个回流区，而由于末级动叶片本身会受到背压条件变化的影响，结合以往汽轮机运行经验，明确回流区叶片受到蒸汽流的影响程度，与背压参数之间呈现出正相关的关系。

这一过程中，要求依据末级动叶片的扭矩以及型线压力分布情况，判断处于不同背压情况下，末级叶片是否进入鼓风工况。例如，若发现汽轮机组达到某一背压值后，末级动叶片的扭矩已经变为负数，且超过这一倍压值后，扭负矩也逐渐增大，则正是末级叶片进入鼓风工况。伴随背压不断增加，叶片主要做功区域的吸力面静压，也逐渐超过压力面的静压大小，使得二者之间的压差增大。而由于被压在超过一定标准后，产生的气流不会再对动叶片做功，则也可以证实叶片已经处于鼓风工况。

以上情况的存在会导致整个汽轮机组出现鼓风现象，气流流动速度加快，使得其与叶片之间的摩擦也增大，依据摩擦生热的原理，末级动叶片也会在这一情况的影响下促使气流温度上升，影响叶片的正常工作。

2.2气流压力集中

汽轮机组运行过程中，叶片的气流压力通常集中在90%叶高的位置，这种气流压力的分布情况使得叶片的吸力面与压力面压力值呈现出明显的差异，若叶片运行的背压值不断增加，很容易使得叶片出现更大频率的振动情况，影响低压叶片整体的安全性。

这一过程中，主要分析汽轮机末级动叶片表面的极限流线分布情况，明确以叶片进入鼓风状态的背压值为标准，在这一背压值下，叶片压力面会在叶根前边缘的位置产生气流分离的情况。分离的气流会分别朝叶高和叶根方向移动。其中，向叶高位置移动的气流，在到达接近叶顶位置后，会与叶顶位置的气流汇合。且在气体交汇的影响下，在末级叶片的吸力面叶根中部位置会产生涡旋；而向叶根方向移动的气流，则在有限的空间内呈现出分散流动的状态。这种涡旋也会导致吸力面尾部边缘位置产生流动分离。在汽轮机末级动叶叶顶流道本身较窄的情况下，很容易提高液顶区域的气流流动速度，进而在叶片的喉部区域呈现出明显高于周围流体流动速度的情况，产生气流激振力。

2.3气流密度

当电网处于深度调峰运行状态时，与汽轮机连接的凝汽器会受到汽轮机的影响，呈现出较小的稳定负荷运行状态，相应地汽轮机低压缸末级叶片位置的气流密度也较小，在温度较高的情况下，通常不会出现大面积的凝结和水蚀情况。若汽轮机运行期间的叶片气流密度降低，则相应的作用在动叶片上的气流激振力也会减小，能够满足不调频叶片状况下，气流弯应力的设计要求以此来保障整个汽轮机组运行的安全稳定效果。

若机组运行所在区域的冬季环境温度大幅降低，汽轮机的排汽压力也会受到影响而降低，使得汽轮机的末级叶片位置气流密度逐渐减小，则位于低压部分的摩擦鼓风损失也会减小，从而有效缓解由于鼓风发热问题导致气流弯应力降低的情况，从而保障低压叶片部分的安全稳定运行。

结合汽轮机组低压叶片的实际运行情况，明确气流密度通常在动叶片的液体前后位置时提升至最大值。在背压不断升高的情况下，末级动叶片叶栅通道内部的气流平均密度也会呈现出不断增加的趋势，进而导致鼓风损失的增加，产生更大的摩擦损耗能量，以增加末级动叶片附近气流温度的方式，将经由喷水降温装置喷出的雾化水滴在高温环境下，与处于高速转动的叶片发生碰撞，导致叶片受到水蚀影响。

依据以上原理，为分析低压叶片的安全效果，以预防末级动叶片发生颤振为目的，依据末级动叶片在汽轮机组运行期间产生的气流流量大小，在检测流程压力数据后，依据流程数据的变化情况，探讨气流弯应力的变化情况，进而以此为依据判断在实际工况下叶片是否能够处于正常稳定的工作状态。经研究发现，在背压不断增加时，气流外应力的变化会增加施加在叶片上的气流力，从而导致叶片更容易发生形变和颤振。依据这一原理，考虑在背压超过一定标准值的情况下，才会导致叶片其他参数发生变化，则可以维持机组在小流量工况下，以较低的背压条件来减少风涡流对叶片的影响，进而实现对气流弯应力的控制，让叶片呈现出良好的流动特性。而当背压超过标准值时，则需要基于叶片固有频率与叶高之间反比例的关系，通过对比检测到的叶片固有频率与低频激振力频率大小，判断叶片是否能够避开共振的影响[1]。

3深度调峰运行时汽轮机低压叶片的安全性措施

在明确以上汽轮机低压叶片安全性影响因素的前提下，以本文选择研究的汽轮机组型号为例，在结合该汽轮机运行工况的前提下，主要从以下几方面入手，采取维护汽轮机低压叶片运行安全的有效措施：

3.1低压叶片选型

本文选择研究的汽轮机在低压部分采用双轴承支撑系统，能够兼顾保证轴系稳定性和缩短机组跨距的需求。在这一系统结构前提下，在对汽轮机的低压叶片进行设计时，让末叶根部呈现出较高的反动度，延迟小负荷时倒流和脱流的出现，减小回流区的高度，能够有效防止末级根部水蚀，使其呈现出良好的调峰性能。

基于以上要求，明确汽轮机组的低压叶片设计，应以高效宽负荷后加载叶型为主，该叶型可合理控制通流内扩压段设计，使叶型的最大气动负荷主要集中在流道的后部，缓解由于进汽侧蒸汽的不规则流动对叶型效率的影响，叶型气动效率更高。同时，也要求对叶型进汽侧型线进行优化，提高叶型攻角适应性，提高各缸通流的变负荷适应特性，用于维持汽轮机高压缸和中压缸的通流效率，让其在40%-100%多宽负荷率下，也不会发生明显变化，同时该叶型设计有最佳的可扩散区和薄的尾缘，可有效降低蒸汽的尾迹损失。

依据以上思路，案例汽轮机应用的低压末级叶片，主要采用1220mm等级叶片，能够保证机组宽负荷率下（20%-100%负荷）运行安全性，且末叶采用枞树型叶根，小容积流量下，叶片和叶根的动应力低，能够呈现出良好的安全性。同时，末叶自带围带整圈联结，不存在铆接围带，拱形围带应力集中现象，实践证明自带围带叶片运行时动应力最小，能够呈现出良好的安全性效果。

3.2低压叶片设计与工艺优化

为保障汽轮机低压叶片的安全性，也主要考虑在汽轮机组运行期间，由于鼓风工况以及摩擦声热等可能对叶片造成的损失情况，以尽可能延长叶片的使用寿命，维护叶片正常使用状态为目的，通过对叶片型线的优化设计，兼顾叶片运行的安全性和经济性。例如，在叶片设计上应用高效宽负荷后加载叶型，可以实现对通流内扩压段的合理控制，使叶型的最大气动负荷（压降做功）主要集中在流道的后半部分，缓解由于叶片进汽侧蒸汽的不规则流动对叶型效率的影响，让叶型气动效率更高；由于汽轮机组本身进汽侧做功较小，可以设计优化叶型进汽侧型线，提高叶型攻角适应性与各缸通流的变负荷适应特性，维持汽轮机在宽负荷率下超高压缸、高压缸和中压缸通流效率，使其在汽轮机组运行过程中不会发生明显变化。同时，这种叶型设计能够以最佳的可扩散区和薄的尾缘，降低蒸汽的尾迹损失，从而有效延长叶片的使用寿命，维护保障叶片的运行安全。这一过程中，要求注意汽轮机低压缸部分的排汽侧，需要根据末叶优化设计新型排汽导流环，确保能够有效回收末级叶片出口蒸汽动能，提高蒸汽静叶恢复系数。

在对汽轮机低压叶片进行生产加工时，则主要考虑应用集成式五轴叶片加工工艺和预扭装配式动静叶片工艺，以装配式隔板替代原焊接隔板结构，避免由于焊接和焊接后的热处理产生的通流变形，预防机组无热处理位置热应力释放产生的二次变形情况，降低机组叶片老化速率，让机组长时保效性更好。且五轴加工的工艺，也可满足叶片加工精度、装配式结构、装配部件的精度要求。让叶片设计与加工制造实现完美匹配，提高机组运行效率。

3.3系统优化控制

以保障汽轮机低压叶片的安全性为目的，也要求加强对整个汽轮机组运行系统的优化控制。在汽轮机后汽缸喷水系统的控制阀部分，设计采用进口气动阀门。这种阀门具有高度的灵活性和可靠性，一旦机组系统运行时的排汽温度超过设计值，能够迅速投入，从而保证末叶片调峰运行的安全可靠性[2]。

在汽轮机组的滑销系统方面，规划汽轮机组主要采用N+1/2N融合型轴系支撑形式。其中，超高、高、中压采用N+1轴系提高机组轴系刚度，提高抗激振能力，提高轴系稳定性；而低压则采用2N支撑，可以有效避免深调鼓风带来的低压转子轴系变化问题，提高机组深调稳定性。且哈汽采用多死点滑销系统，每个死点成独立单元，变负荷适应性好，配合定中心梁结构可以更好的适应快速负荷响应。

3.4汽轮机组类型选择

以保障汽轮机低压叶片稳定性为目的，除对既有的汽轮机结构以及控制系统进行改进外，也可以结合电网深度调峰运行的实际需求，选择更合适的汽轮机类型。例如，相对常规二次再热1000MW超超临界机组五缸四排汽机组，若基于安全性考虑，尝试在电厂生产运行中应用二次再热六缸六排汽1000MW超超临界机组，需要在常规的五缸四排汽基础上，增加一个低压缸模块。低压缸轴系明显加长，轴系膨胀尺寸发生相应变化，需要对汽缸布置顺序和膨胀死点进行调整。且在低压缸排汽压力变化的情况下，要求优化末级叶片高度和叶型、优化轴系稳定性等方式，最终提高低压缸通流效率。而这一过程往往需要对汽轮机高压缸、超高压缸和中压缸的做功能力进行核算与重新设计，因而会增加汽轮机的设计与生产制造周期。

从这一方面来看，为保障汽轮机低压叶片的安全稳定运行，应结合电网深度调峰运行的实际情况，规划选择合理的汽轮机组类型与规模，对需要优化设计的汽轮机组而言，也要求在重点考虑保障整个周期稳定性以及末节叶片应用情况，分析新选择的汽轮机组类型是否符合运行安全性以及电厂运行生产的整体需要。

结论：综上所述，保证低压叶片的安全性，直接关系汽轮机整体的应用效果，也对电网深度调峰运行效果有着直接的影响。为保证汽轮机低压叶片的安全性，要求在明确电厂应用的汽轮机组类型以及运行工况的前提下，探讨容易影响低压叶片安全性的具体因素，进而以维护汽轮机整体运行安全和效果为目的。通过对汽轮机结构的优化改进，加强系统控制等方式，在保障低压叶片安全性的同时，也有助于维护整个汽轮机组的运行效果。

参考文献：

[1]宫啸宇，蒋楠，戴义平.深度调峰运行时汽轮机低压叶片的安全性分析[J].热能动力工程，2023，38（09）：21-29.DOI：10.16146/j.cnki.rndlgc.2023.09.003.

[2]史桓宇.小容积流量下汽轮机低压缸叶片的安全性分析[D].东北电力大学，2022.DOI：10.27008/d.cnki.gdbdc.2022.000201.