蔣尋寒，阮圣奇

(安徽省電力科學(xué)研究院，合肥 230601)

隨著火電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，雙背壓汽輪機(jī)的應(yīng)用越來越多，目的是在凝汽器換熱面積相同的條件下節(jié)能，或者在背壓相同的條件下減少凝汽器換熱面積。但是，對(duì)于雙背壓設(shè)計(jì)所需要的循環(huán)水溫和水量條件，目前國內(nèi)并沒有一個(gè)統(tǒng)一、清晰的判斷依據(jù)。本文集中討論了這個(gè)問題，試圖提出一個(gè)一般性的方法，以判斷在給定的條件下，是否應(yīng)采用雙背壓設(shè)計(jì);指出汽輪機(jī)排汽面積越大，則適合雙背壓設(shè)計(jì)的水溫、水量范圍越大;通過實(shí)例，指出國內(nèi)汽輪機(jī)的排汽面積普遍較大，因此結(jié)論是，在4 排汽汽輪機(jī)中，只有很小比例的機(jī)組適合單背壓，在絕大多數(shù)情況下，采用雙背壓是合理的節(jié)能設(shè)計(jì)。

1 行業(yè)內(nèi)的一般認(rèn)識(shí)

雙背壓相對(duì)于單背壓，可以在凝汽器換熱面積不變的條件下，降低額定背壓0.2～0.3 kPa，但凝汽器水阻略有增加。

一般而言，循環(huán)水溫越高，水量越小，則雙背壓的節(jié)能優(yōu)勢(shì)越大。原因是，對(duì)于確定的低壓缸，在一定范圍內(nèi)，背壓越高則汽輪機(jī)熱耗－背壓修正曲線越陡，背壓變化對(duì)熱耗的影響越大;另一方面，在背低越低的位置上，背壓修正曲線就越彎曲，低背壓低壓缸得到的熱耗收益也就越小。這樣，在循環(huán)水溫較低，水量十分充沛的條件下，雙背壓會(huì)增加能耗，因而不宜采用，這是業(yè)內(nèi)所熟知的。但是，對(duì)于給定的循環(huán)水溫和水量條件，確定雙背壓設(shè)計(jì)是否節(jié)能，需要細(xì)致的計(jì)算分析，而目前缺少明確的方法和判斷依據(jù)，因此很多工程中出現(xiàn)了不合理的設(shè)計(jì)。比如，同樣的1 000 MW 機(jī)型，在海水冷卻水溫不足17 ℃的情況下采用雙背壓，或者在水溫超過23 ℃的條件下采用單背壓。

對(duì)于雙背壓汽輪機(jī)，在冬季，較低側(cè)的背壓相對(duì)容易達(dá)到甚至低于出力阻塞(膨脹極限)背壓，這將增加能耗。而單背壓汽輪機(jī)相對(duì)不容易出現(xiàn)這個(gè)問題。

在國內(nèi)，較低的循環(huán)水溫指的是年平均值低于20 ℃，特別是在18 ℃以內(nèi)。

2 一些被忽略的因素

換一個(gè)角度，循環(huán)水溫、水量為一定，則汽輪機(jī)排汽面積越大，越適合采用雙背壓。原因有以下兩點(diǎn):首先，如果排汽面積越大(設(shè)計(jì)余速損失越小)，則汽輪機(jī)出力阻塞背壓越低。一個(gè)比較極端的例子是，國產(chǎn)引進(jìn)型超臨界4 排汽600 MW汽輪機(jī)，一般配1 000 mm 級(jí)別末級(jí)葉片，滿負(fù)荷下出力阻塞背壓大約2 kPa;其次，排汽面積越大，則熱耗－背壓修正曲線總體越陡，降低背壓的收益也越大。這樣，低背壓低壓缸的收益相對(duì)較大。對(duì)這些因素，火電行業(yè)內(nèi)并不熟知。

美國全部和日本的一部分電網(wǎng)周波為60 Hz，相應(yīng)地，汽輪機(jī)末級(jí)葉片較短，排汽面積較小，那么技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果必然是冷端設(shè)備容量較小，額定背壓較高。歐洲電網(wǎng)周波一般是50 Hz，汽輪機(jī)末級(jí)葉片較長(zhǎng)，特別是德國新建的火電機(jī)組，強(qiáng)調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)，因此汽輪機(jī)排汽面積普遍很大，相應(yīng)地，冷端設(shè)備容量驚人，額定背壓極低。國內(nèi)總體情況是，冷端設(shè)備容量、額定背壓均居于兩者之間，而汽輪機(jī)末級(jí)葉片較長(zhǎng)，和歐洲機(jī)組條件相同，其中600 MW 等級(jí)4 排汽汽輪機(jī)比較特殊，幾乎都配備1 000 mm 末級(jí)葉片，排汽面積過大，在絕大多數(shù)情況下，這是明顯不均衡的冷端參數(shù)配置［1］，會(huì)增加能耗，但同時(shí)，適合雙背壓的循環(huán)水溫和水量范圍更寬。

對(duì)于單背壓4 排汽汽輪機(jī)，雙背壓改造未必都合理［2］，除了循環(huán)水溫較低、水量又較大以外，關(guān)鍵原因是，一些老的機(jī)型末級(jí)葉片較短，因此背壓修正曲線較為平緩，出力阻塞背壓也較高。國內(nèi)這些600 MW 機(jī)型大多已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)行了技術(shù)改造，并改用較長(zhǎng)的1 000 mm 級(jí)別末級(jí)葉片，在這種條件下，就可能適合進(jìn)行雙背壓改造。

在循環(huán)水調(diào)度方面，國內(nèi)電廠不注重維持凝汽器內(nèi)水速以減緩管束腐蝕，而是重視循環(huán)水泵耗電變化以及背壓變化引起的汽輪機(jī)熱耗變化之間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，多數(shù)電廠實(shí)際更重視節(jié)約廠用電。這是明顯不同于發(fā)達(dá)國家電廠的特點(diǎn)。例如，外高橋二廠機(jī)組投產(chǎn)時(shí)，德方要求所有循環(huán)水泵隨機(jī)組保持運(yùn)行，但不久電廠就改變了循環(huán)水調(diào)度策略［3］。由于這個(gè)原因，國內(nèi)機(jī)組運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)平均背壓往往明顯高于額定背壓，需要有所改進(jìn)。

在冬季，對(duì)于雙背壓汽輪機(jī)，當(dāng)?shù)蛡?cè)背壓確實(shí)低于出力阻塞背壓時(shí)，打開抽空氣管道聯(lián)絡(luò)閥(圖1 中的閥1 和閥2)，讓低壓凝汽器壓力接近高壓凝汽器壓力，汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性可能稍好一點(diǎn)或壞一點(diǎn)，一般變化很小。在夏季，雙背壓獲益相對(duì)較大。

圖1 并聯(lián)抽空氣管道系統(tǒng)

以上各項(xiàng)因素，都直接影響雙背壓設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，但往往被忽略。

為了實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)，下面通過一個(gè)實(shí)例，提出具有一般性的方法，以確定在給定的循環(huán)水溫和水量條件下，是否應(yīng)采用雙背壓。

3 一個(gè)例子

3.1 問題和已知條件

考慮1 臺(tái)引進(jìn)型超臨界4 排汽600 MW 汽輪機(jī)，采用900 mm 級(jí)別末級(jí)葉片，熱耗－背壓修正曲線如圖2 所示。原額定背壓為5.88 kPa，汽輪機(jī)廠商為適應(yīng)南方較高的循環(huán)水溫和背壓條件，有意識(shí)地配置了較小的排汽面積，但這里是假定用于循環(huán)水溫較低、水量較大的環(huán)境。假設(shè)循環(huán)水為直流系統(tǒng)，水源為長(zhǎng)江水，年平均水溫為17℃，凝汽器設(shè)計(jì)冷卻倍率為60，凝汽器換熱面積固定。以下的計(jì)算都基于HEI 標(biāo)準(zhǔn)［4］。額定背壓計(jì)算結(jié)果是:單背壓4.3 kPa，雙背壓4.12 kPa。

圖2 背壓修正曲線

按目前國內(nèi)一般的設(shè)計(jì)理念，在這樣的循環(huán)水濕和水量條件下，采用雙背壓設(shè)計(jì)，則背壓降低幅度有限，凝汽器水阻增加，冬季低背壓低壓缸還會(huì)面臨出力阻塞的問題，因此單背壓設(shè)計(jì)更合理。那么，在這樣水溫較低、水量較大的條件下，是否應(yīng)當(dāng)采用雙背壓?如何進(jìn)行判斷?

3.2 出力阻塞背壓

從圖2 可以看到，在滿負(fù)荷條件下，出力阻塞背壓約為2.8 kPa，那么在80%負(fù)荷下，出力阻塞背壓更低，冬季運(yùn)行中并不容易達(dá)到，即使達(dá)到了，危害也很小，因?yàn)楸硥旱陀诔隽ψ枞硥旱姆纫欢ê苄?。即便按水? ℃考慮，機(jī)組在滿負(fù)荷、冬季循環(huán)水調(diào)度方式下，由計(jì)算可知，循環(huán)水溫上升13.5℃，平均背壓為2.9 kPa，低側(cè)背壓為2.6 kPa，高側(cè)背壓為3.3 kPa，無論是否打開抽空氣聯(lián)絡(luò)閥，相對(duì)于單背壓結(jié)果3.3 kPa，都無實(shí)際熱耗損失。

雙背壓的平均背壓2.9 kPa 比單背壓結(jié)果3.3 kPa 偏低較多，原因是進(jìn)水溫度極低時(shí)凝汽器傳熱系數(shù)很低，而高壓凝汽器進(jìn)水溫度較高，傳熱系數(shù)增加幅度較大。依據(jù)HEI 標(biāo)準(zhǔn)［4］，凝汽器換熱系數(shù)K 可寫為:

式中:a1為管材和壁厚系數(shù)，無量綱;a2為管子外徑系數(shù)，無量綱;a3為清潔系數(shù)，無量綱;a4為進(jìn)水溫度系數(shù)，無量綱，和水溫的關(guān)系如圖3 所示;V為管束內(nèi)平均水速，m/s;a4為與進(jìn)水溫度的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 進(jìn)水溫度系數(shù)

國內(nèi)火電機(jī)組的年平均循環(huán)水溫都高于15℃，在這個(gè)水溫條件下，凝汽器換熱系數(shù)變化不大，計(jì)算結(jié)果是，水溫越高，雙背壓相對(duì)單背壓的背壓降低幅度越大。

3.3 額定背壓

額定背壓4.3 kPa 是按標(biāo)準(zhǔn)流程計(jì)算的，這個(gè)流程的依據(jù)是:機(jī)組滿負(fù)荷、循環(huán)水溫取年平均值、循環(huán)水泵全開。這個(gè)流程忽略了一個(gè)重要的因素，即額定背壓結(jié)果偏低。

如果考慮額定背壓的代表性，應(yīng)當(dāng)以80%負(fù)荷、春秋季節(jié)循環(huán)水調(diào)度方式為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，額定背壓結(jié)果略微升高，可以認(rèn)為不變。

但是，循環(huán)水溫和背壓的關(guān)系并非線性。我們知道，以一年為依據(jù)，在實(shí)際運(yùn)行中，背壓低于額定背壓的時(shí)間較短，冬季背壓低于額定背壓的幅度相對(duì)較小;背壓高于額定背壓的時(shí)間較長(zhǎng)，夏季背壓高于額定背壓的幅度也較大。這樣，根據(jù)年平均水溫計(jì)算的額定背壓，結(jié)果必然偏低，如果以逼近統(tǒng)計(jì)平均背壓的真實(shí)結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)，則客觀的額定背壓結(jié)果應(yīng)當(dāng)是4.7 kPa。

還有，背壓和汽輪機(jī)熱耗的關(guān)系也不是線性的，在額定背壓以下，降低背壓的作用較小，但在額定背壓以上，背壓變化對(duì)熱耗的影響較大。因此在理論上，如果以客觀評(píng)價(jià)機(jī)組能耗為出發(fā)點(diǎn)，那么更應(yīng)當(dāng)把額定背壓定得略高一點(diǎn)才比較客觀。

3.4 結(jié)果和推論

假定凝汽器面積不變，計(jì)算結(jié)果是，采用雙背壓設(shè)計(jì)，額定背壓從4.3 kPa 降低0.18 kPa，已經(jīng)是節(jié)能設(shè)計(jì);如果考慮采用雙背壓設(shè)計(jì)，背壓從4.7 kPa 降低0.2 kPa，則節(jié)能效果更好，肯定優(yōu)于單背壓。評(píng)估結(jié)果中節(jié)能效益增加的原因有兩個(gè)方面:背壓起點(diǎn)較高(4.7 kPa)，則雙背壓降低幅度大一些;而且，相對(duì)于4.3 kPa，4.7 kPa 處的熱耗－背壓修正曲線較陡。采用雙背壓設(shè)計(jì)，凝汽器水阻增加不足1 m，廠用電率增加約0.04%，而汽輪機(jī)熱耗獲益約0.12%，明顯大于耗費(fèi)。

所以，對(duì)于這個(gè)例子的循環(huán)水溫和水量條件，采用雙背壓是合理的節(jié)能設(shè)計(jì)。實(shí)際上，國內(nèi)的引進(jìn)型4 排汽600 MW 汽輪機(jī)，絕大多數(shù)都配置1 000 mm 級(jí)別的末級(jí)葉片，排汽面積比上面的例子大得多，因此，雙背壓設(shè)計(jì)的適用范圍是相當(dāng)大的。用同樣的方法可以確定，對(duì)于引進(jìn)型1 000 MW 汽輪機(jī)，哈爾濱汽輪機(jī)廠的機(jī)型配1 219 mm末級(jí)葉片，設(shè)計(jì)余速損失與上面的例子相當(dāng)，其余機(jī)型的排汽面積相對(duì)小一些，對(duì)于18～19 ℃的水溫條件，在絕大多數(shù)情況下，雙背壓仍是合理的選擇。汽輪機(jī)廠家提供準(zhǔn)確可靠的熱耗－背壓修正曲線，是計(jì)算中的關(guān)鍵條件。

4 一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)雙背壓凝汽器，必須采用并聯(lián)抽空氣管道系統(tǒng)(見圖1)，才能充分發(fā)揮雙背壓的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

如果布置方便，建議將低背壓低壓缸設(shè)置為靠近中壓缸，這樣，由于中、低壓缸連通管有壓損，低背壓低壓缸進(jìn)汽壓力相對(duì)稍高，因此進(jìn)汽量稍大，這對(duì)節(jié)能有益。

5 結(jié)論

在循環(huán)水溫、流量確定的條件下，汽輪機(jī)排汽面積越大，相對(duì)地也就越適合雙背壓設(shè)計(jì)。

國內(nèi)600 MW 及以上的4 排汽汽輪機(jī)，排汽面積普遍較大，其中絕大多數(shù)適合雙背壓設(shè)計(jì)，而實(shí)際是否采用，應(yīng)通過細(xì)致的計(jì)算分析確定。國內(nèi)目前的設(shè)計(jì)流程忽略了一些重要因素，缺乏細(xì)致的定量分析，需要改進(jìn)。本文給出了一般性的方法。

［1］蔣尋寒，曹祖慶.火電機(jī)組汽輪機(jī)末級(jí)葉片的選擇［J］.熱力透平，2009，3(4):226-228.

［2］王興平，黃功文.汽輪機(jī)凝汽器雙背壓改造的經(jīng)濟(jì)性探討［J］.發(fā)電設(shè)備，2010(4):241-243.

［3］戴岳，虞美萍，陳剛.上海外高橋電廠900 MW 機(jī)組節(jié)能降耗［J］.上海電力，2007(5):447-449.

［4］Heat Exchange Institute，ING.Standards for Steam Surface Condenser［S］.10thed.America :Heat Exchange institute，ING:2006.