机组的额定背压、设计水温计算的探讨

王颖华，王明韧

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院，上海 200063)

汽轮机组的发电功率一致的为THA与TRL工况，由于其所对应的环境条件的差异，TRL工况所对应的冷却介质温度较高，蒸汽的做功过程焓降小，功率是焓降与蒸汽量的乘积成正比，所以要达到THA的相同功率，TRL工况其汽轮机组进汽量要比THA工况来得大。根据我国的电网相关政策规定，该TRL功率是作为机组的能力工况，是电网分配给电厂发电容量小时数的基础；而机组主蒸汽量一致的工况为TRL与TMCR工况，TMCR作为机组可长期连续运行的保证工况；背压一致的工况为THA与TMCR工况，也称为额定(设计)背压，额定(设计)背压是以年平均背压概念为基础的，它是一个统计学上的平均考核点，也可称之为机组平均背压，额定(设计)背压是体现机组实际经济运行水平的工况点，把它定得过高和过低，其都不能体现机组实际的技术经济运行水平。

1 现行规范的有关规定

2012年颁布的《大中型火力发电厂设计规范》(以下简称规范)GB50660中规定如下：

“规范12.1.2条，汽轮机额定背压的确定应符合下列规定：1、汽轮机的额定背压宜对应冷却介质的全年平均计算温度，夏季背压宜对应冷却介质的最高计算温度。2、湿冷汽轮机的额定背压应根据本规范17.3节的有关规定。”

规范17.3条中，对循环供水系统汽轮机背压有关的主要涉及2条，分别如下：

“规范17.3.3条循环供水系统机组的汽轮机背压、凝汽器面积、冷却水量、水泵、冷却塔选型经济配置，应根据多年月平均气象条件，并结合汽轮机特性和系统布置进行优化计算确定。”

规范17.3.6条，当采用循环供水系统时，冷却水的最高计算水温应符合下列规定：“1、宜采用按湿球温度频率统计方法计算频率为10%的日平均气象条件。2、气象资料应采用近期连续不少于5年、每年最热时期的日平均值，每年最热时期可采用夏季3个月。”

2 循环供水系统优化所需参数输入

以某660MW燃煤机组为例，该工程采用带排烟冷却塔的循环供水系统，根据制造厂提供的热平衡图，整理结果见表1，作为循环供水系统优化的输入表。

表1 汽轮机组工况表(机组额定(设计)背压值4.80kPa)

3 额定(设计)背压和冷却介质的全年平均计算温度计算方式

设计规范并没有对冷却介质的全年平均计算温度进行定义或给出计算方式，下面以某工程为例，讨论几种额定(设计)背压和冷却介质的全年平均计算温度计算方式，推荐一种作为工程应用的计算方式。

3.1 热力计算相关关系式

汽轮机组的额定(设计)背压PS与蒸汽的凝结水温TS是指数函数关系：PS=f(TS)；

蒸汽的凝结水温与循环冷却水温T1的关系式：TS=T1+Dt+dt；

上式中：T1为冷却塔出塔温度，也是凝汽器进口水温：T1= f(Q，Dt ，RAUZ，RAUC，RAUL，RAUE，T，P，F)，Q 为循环水量，冷却塔塔型参数:塔高与塔底直径之比为RAUZ，喉部直径与塔底直径之比为RAUC，进风口高度与塔底直径之比为RAUL，填料高度为RAUE；T，P，F为环境温度、气压和湿度；

Dt为凝汽器冷却水进出水温差(Dt =T2－T1)，T1，T2为凝汽器进出水温；

dt为凝汽器端差dt =f(Dt，Q，Fn)，Q 为循环水量，Fn为凝汽器冷却面积。

从上述一系列关系式中可以看出，对于循环供水系统来说，汽轮机组的额定(设计)背压与环境气象条件、循环水量、凝汽器冷却面积和冷却塔塔型参数等有着密切关系，这些也就组成了电厂的冷端，冷端系统的优化课题涉及到机组多组背压的比较，涉及的内容太多，本文假定额定(设计)背压已经确定的条件下，对假定的额定背压(设计)背压的合理性进行探讨，即对循环供水系统优化进行额定(设计)背压的计算合理性进行探讨，有关循环供水系统优化采用年费用最小法。

3.2 实例

某660MW燃煤机组工程，经过循环供水系统优化后，得到在某机组额定背压的优化计算结果见表2。

表2 汽轮机组额定背压和设计水温计算成果

3.3 计算方式

3.3.1 计算方式一

循环供水系统优化是根据历年月平均的气象条件进行计算的，其在系统配置一定的条件下，对应月平均气象条件，也就是有12个月的运行背压，月平均背压是根据机组微增功率减去循环水泵耗功为最大的目标函数，得出月平均的最佳结果，该结果考虑到自然气象条件的状况，该种方式较能切合实际反映机组每月的实际运行情况，如果以历年逐月月平均的背压进行计算平均后作为机组的额定背压基本上能够反映汽轮机组的平均热耗情况的，也是能满足汽轮机设备的考核情况的，但欠缺的是冷却介质的全年平均计算温度，需要循环供水系统优化完成以后，根据计算平均背压进行反推(5.16kPa相对应设计水温为22.5℃)。

3.3.2 计算方式二

在循环供水系统优化完成以后，以历年月平均气象条件作为基础，根据自然条件情况采用不同循环水量计算出月平均冷却塔出塔水温，进行计算平均得到平均水温；再通过最大循环水量参与计算，得到的平均背压就非常低。计算方式中由于与背压有关的凝结水温是按照下列方式进行的，TS=T1+Dt+dt，而背压PS=f(TS)是指数函数关系，其中T1为冷却塔出水温度，Dt为凝汽器冷却水进出水温差，dt为凝汽器端差，Dt水温差与水量有关，如果直接以出塔水温进行平均，也就是把年平均水温降低了，从物理意义上也是不可取的，因为不同水量其温差是不同的，该种方式应该舍去。

表3 计算方式二的汽轮机组额定背压和设计水温计算成果

3.3.3 计算方式三

在循环供水系统优化完成以后，以历年月平均气象条件作为基础，计算出月平均冷却塔出塔水温，根据自然条件情况采用相同最大循环水量计算出月平均冷却塔出塔水温，进行算术平均，该种方式物理意义上是行得通的，并且去除了机组阻塞背压的因素，得出的平均背压与实际运行背压应该最接近，是由于设计水温与设计背压是指数关系，使得设计背压相对有些低，但与平均背压的概念上是最接近的，也与新颁布的大火规的原意接近，即先确定冷却介质平均水温，再确定设计背压，见表4。

表4 计算方式三的汽轮机组额定背压和设计水温计算成果

3.3.4 计算方式四

在循环供水系统优化完成以后，该方式是过去较常用的一种简单方式，与运行的实际运行的背压差距比较大，类似于直流循环，根据自然条件情况先确定年平均气象条件，然后根据最大循环水量得出相应的年平均水温和平均背压，虽然其作为实际运行平均背压有些差距，但其作为汽轮机组和凝汽器的某考核点，其物理意义还是非常清晰的。与平均背压的概念有些偏差。

表5 计算方式四的汽轮机组额定背压和设计水温计算成果

4 结论

根据上述四种额定(设计)背压和设计水温的计算方式分析，计算方式一、三的方式相对合理，也与机组实际运行的平均背压概念最接近，也考虑了现有工程开展实施的工作流程，也与汽轮机组设计时假定的额定(设计)背压较接近，可满足了循环供水系统优化正常开展的要求，计算方式一为先计算平均背压，计算方式三为先计算平均水温，由于设计水温与设计背压由于是指数函数关系，计算方式一与计算方式三两者之间相差0.2kPa ～ 0.3kPa，其中计算方式三与平均背压的概念最接近，也与假定的额定(设计)最接近，也符合统计意义上的概念，相对来说更合理些；计算方式四相对比较简单，上述前三种方式对汽轮机和凝汽器考核点的物理概念是清晰的，计算方式四与机组实际运行的平均背压偏差稍大些，主要是气象条件与设计背压间是非线性关系。

本文推荐计算方式三作为机组额定(设计)背压和设计水温的计算方式，该计算方式也是与平均背压的概念最接近的，该设计点也可作为汽轮机组和凝汽器的设计考核点，也符合国标规范要求，对循环供水系统来说，额定(设计)背压与冷却介质的全年平均计算温度的确定，实际是先假定后计算的一个不断耦合过程，其不但要在物理意义上经得起推敲，也应符合电厂实际运行的情况，对循环供水系统而言，设计背压的降低都是需花费投资作为代价的，对循环供水系统来说，选取技术经济点的合适背压应与主机厂多次协调，建议在规范修订时对额定(设计)背压和设计水温的计算方式予以进一步明确。

[1]DL5000－2000，火力发电厂设计技术规程[S]．

[2]GB50660－2011，大中型火力发电厂设计规范[S]．

[3]DL/T5339－2006，火力发电厂水工设计规范[S]．