汽輪機(jī)背壓與機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性的分析

王雷

摘要：分析了背壓變化與機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的微增關(guān)系研究，并且采取對整個(gè)工況的詳細(xì)了解，從而獲得了背壓變化對機(jī)組功率變化影響的特性曲線。最后，以某電廠300MW臨界機(jī)組運(yùn)行及改進(jìn)后的數(shù)據(jù)比較，了解如何提高電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的安全性經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；背壓；經(jīng)濟(jì)性

1引言

火電機(jī)組的凝汽器工作的環(huán)境會經(jīng)常發(fā)生變化，由于背壓偏離了設(shè)計(jì)值從而引起機(jī)組功率和熱耗的變化。在汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員既要關(guān)注要著汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又關(guān)注著汽機(jī)工作過程中的損失的能量。在分析背壓的改變對汽機(jī)運(yùn)行的影響時(shí)，除了需要關(guān)注背壓改變對汽機(jī)運(yùn)行是否安全和是否成本最低之外，同時(shí)還要注意到其對環(huán)境造成的破壞和消耗水量產(chǎn)生的變化，最終可以對背壓改變?nèi)绾斡绊懼麢C(jī)運(yùn)行性能采取更加合理準(zhǔn)確地評價(jià)。

2背壓變化對經(jīng)濟(jì)性的影響

凝汽器壓力對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響可以從以下幾個(gè)方面來考慮。由于排汽焓的變化而引起機(jī)組有效焓降的變化。因凝結(jié)水溫度的變化，引起末級低壓加熱器抽汽系數(shù)的變化，從而引起凝汽系數(shù)的變化。當(dāng)軸加及末級加熱器疏水進(jìn)入凝汽器熱井時(shí)，同樣會引起凝結(jié)水溫度的變化，而影響相鄰加熱器抽汽量的變化，這在計(jì)算末抽抽汽量及末抽后通流部分蒸汽做功量時(shí)必須要加以考慮。

大機(jī)組的給水泵通常是用小汽機(jī)來驅(qū)動的，一般小機(jī)排汽也進(jìn)入凝汽器，主機(jī)背壓變化還會引起小機(jī)排汽壓力及排汽焓的變化。為保證小組輸出功率一定，需調(diào)整小機(jī)進(jìn)汽的流量系數(shù)以補(bǔ)償背壓變化對其輸出功率的影響。

小機(jī)流量系數(shù)變化了，改變了汽輪機(jī)通流部分的蒸汽流量，則汽機(jī)的功率也改變了。對于進(jìn)入軸封加熱器的軸封漏汽等輔助蒸汽，當(dāng)軸加疏水管路接到凝汽器熱井時(shí)，由凝結(jié)水焓的變化，改變輔助汽水在熱力系統(tǒng)中的放熱量，進(jìn)而影響與其相鄰的末級加熱器的抽汽量。

3背壓變化對安全性的影響

汽輪機(jī)背壓過高或過低時(shí)，都會對汽輪機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生很大的安全影響。汽輪機(jī)存在的這個(gè)壓力，在壓力低于了一個(gè)點(diǎn)時(shí)，再繼續(xù)降低這個(gè)壓力的話，就不能讓汽輪機(jī)的對熱量的消耗繼續(xù)的降低了。背壓不夠高在同等的條件下就會造成能耗的增加，就不經(jīng)濟(jì)了。

所謂極限真空是指低壓缸末級葉片前后差壓達(dá)到臨界壓力比時(shí)的真空，當(dāng)蒸汽在汽輪機(jī)末級動葉斜切部分已達(dá)膨脹極限時(shí)，汽輪機(jī)功率不會因再提高真空而增加。進(jìn)一步說，即使汽輪機(jī)末級尚未達(dá)膨脹極限，但由于隨著背壓的降低，排汽比容不斷增大，而末級排汽面積是一定的，于是末級排汽余速損失將不斷增加，當(dāng)由于背壓降低而增加的有效熱降等于余速損失的增量時(shí)，這時(shí)所達(dá)到的真空稱為極限真空。極限真空主要是由汽輪機(jī)末級葉片的尺寸所決定，已經(jīng)投產(chǎn)的機(jī)組是否能達(dá)到極限真空，則和機(jī)組負(fù)荷、冷卻水（量、溫度、壓力）、抽氣設(shè)備抽吸能力以及其他各種可能影響真空的方面考慮。運(yùn)行中的汽輪機(jī)極少能達(dá)到極限真空。

背壓過低有以下的幾點(diǎn)危害：

（1）可能會造成汽輪機(jī)排出的氣體的濕度變大，對機(jī)組最后一級的葉片那么就會產(chǎn)生一種沖擊，破壞了葉片，就會對汽輪機(jī)造成整個(gè)機(jī)組的震動非常大，增加了一個(gè)軸向的力，推力瓦的溫度上升。

（2）進(jìn)氣與排氣的差異增大，嚴(yán)重的時(shí)候會使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子造成串動，引起動部件和靜部件之間的摩擦從而造成了機(jī)組的損壞。除此之外，還會造成機(jī)組的工作不穩(wěn)定，如機(jī)組震蕩。

（3）在設(shè)計(jì)工況下，汽輪機(jī)的最后邊的一級流過的氣體通常的狀態(tài)是臨界的，背壓變小，會造成蒸汽在噴嘴斜切部位發(fā)生膨脹，最后一級的隔板前邊和后邊壓差增大，這樣就有可能使隔板負(fù)荷變大。最后一級的動葉片就會出現(xiàn)臨界的工況，這時(shí)動葉前邊的壓力就不會隨著背壓變小而變小，動葉后邊的壓力就會變小，使動葉前邊和它的后邊壓力的差值變得大，造成動葉的過負(fù)荷并引起軸向推力增大。蒸汽在動葉外膨脹不能產(chǎn)生有效功，背壓變小不能再增加汽輪機(jī)功率，這對汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)性都是無好處的。

（4）對于低壓缸與軸承座一體設(shè)計(jì)的機(jī)組來說，真空過高有可能使低壓缸中心發(fā)生偏移，是造成機(jī)組振動的一個(gè)原因。

背壓過高也會對汽輪機(jī)造成很大的影響：排汽壓力升高，可用焓降減小，不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)使機(jī)組出力降低，必須就要增加進(jìn)汽量來維持要求負(fù)荷，容易使調(diào)節(jié)級過負(fù)荷，機(jī)組軸向推力增加；排汽缸及軸承座受熱膨脹，可能引起中心變化，產(chǎn)生振動；排汽溫度過高可能引起凝汽器冷卻水管松弛，破壞嚴(yán)密性；可能使純沖動式汽輪機(jī)軸向推力增大；真空下降使排氣的容積流量減小，對末幾級葉片工作不利。末級要產(chǎn)生脫流及旋流，同時(shí)還會在葉片產(chǎn)生較大的激振力，有可能損壞葉片，造成事故。

4背壓變工況實(shí)例計(jì)算

以某 300MW 機(jī)組為例，THA 工況下，機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓值為5.2kPa，對應(yīng)的熱耗設(shè)計(jì)值為876.7kJ/（kW·h），當(dāng)背壓偏離設(shè)計(jì)值且增加時(shí)，機(jī)組的熱耗值、熱耗率就會增加，且近似為直線關(guān)系，原因在于背壓增加會使排汽焓增加，從而降低了機(jī)組的有效比焓降。當(dāng)背壓由設(shè)計(jì)值下降時(shí)，機(jī)組的熱耗值、熱耗率就會降低，原因在于背壓的降低會使得排汽焓降低，增加了機(jī)組的做功能力。大機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)末級動葉一般都處于臨界狀態(tài)，當(dāng)背壓繼續(xù)降低時(shí)，動葉出口蒸汽速度增加，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，動葉斜切部分會發(fā)生膨脹，當(dāng)背壓下降到斜切部分的膨脹能力用完時(shí)，則背壓已達(dá)到極限背壓，其壓力值為 2.65kPa。當(dāng)背壓下降時(shí)，因動葉斜切部分的膨脹能力已經(jīng)用完，蒸汽將在斜切部分外膨脹，汽機(jī)功率不會增加，反而因凝結(jié)水溫降低，使低壓回?zé)岢槠吭龃?，全機(jī)功率減少。

背壓計(jì)算區(qū)間為 2.5～5.2～12.0kPa，當(dāng)背壓偏離設(shè)計(jì)值越大，熱耗率計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的偏差也越大。熱耗率最大誤差為 0.5263%，對應(yīng)的壓力為 12.0kPa，但已完全能夠滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。不同工況下，背壓與熱耗的修正曲線是不同的，但其曲線形狀是相似的。圖中三種工況的背壓設(shè)計(jì)值都是相同的，當(dāng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中當(dāng)背壓偏離設(shè)計(jì)值的大小一定的前提下，負(fù)荷越小，熱耗修正率變化越大。因此對于低負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，就更應(yīng)該密切監(jiān)視凝汽器真空，確保機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5結(jié) 論

由于背壓升高會讓機(jī)組最佳的經(jīng)濟(jì)性減少，過低的背壓會嚴(yán)重危害機(jī)組運(yùn)行的安全。機(jī)組運(yùn)行過程中，蒸汽的濕度跟著背壓的減小而升高，最后一級的葉片受到的沖蝕帶來的危害也會跟著升高，如果該數(shù)值比較嚴(yán)重可能會造成葉片損壞，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來很大的威脅。

背壓變化對汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性有十分巨大的改變，熱力學(xué)的方法只能是一種大致的計(jì)算手段。在計(jì)算背壓改變量對汽機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性的改變的過程中必然會帶來一定的誤差。由于現(xiàn)在進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，汽機(jī)能夠使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行十分精密的熱力計(jì)算，在分析和推理背壓改變對汽機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性的改變時(shí)，可以采用精密的熱力計(jì)算的手段，能夠提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。背壓是基于標(biāo)準(zhǔn)值升高的，它導(dǎo)致機(jī)組的熱耗率以及發(fā)電所用的煤量的增加量都是正值；與它相對的是，背壓在基于標(biāo)準(zhǔn)值下降時(shí)，機(jī)組的熱耗率以及發(fā)電所用的煤量的增加量都是負(fù)值。由于背壓的升高，機(jī)組熱耗率和發(fā)電煤耗率上升。這說明機(jī)組背壓升高時(shí)機(jī)組等效焓降減少，從而使得機(jī)組的發(fā)電煤耗率增加，由熱耗率公式可得到背壓增大時(shí)，機(jī)組的熱耗量保持穩(wěn)定，但機(jī)組產(chǎn)生的電功率會減少，因此導(dǎo)致機(jī)組的熱耗率也是在不斷的升高。