基于局部热平衡的直冷机组背压修正曲线计算

石红晖，曹蓉秀，卢家勇

（1.国网山西电力科学研究院，太原 030001；2.山西电力勘测设计院，太原 030001）

在汽轮发电机组的所有运行热力参数中，运行背压是对机组运行经济性能影响最大的主要参数之一［1－2］，机组运行背压与出力的变化特性修正曲线对汽轮机组的经济性诊断、性能考核、运行调整优化均有着重要的意义。对于直接空冷机组，由于机组运行背压受到环境参数的影响变化很大，且背压值变化幅度较大、更为频繁，其对机组运行经济性的影响也就更为频繁和显著［3－5］。因此，研究直接空冷机组背压变化对机组经济性影响的定量计算方法有着重要的现实意义。

目前工程上常用的机组背压修正计算方法是等效焓降法［6－7］和曲线法［8］，工程上应用较多的是曲线法，它是汽轮机制造厂在特定工况下模拟设计条件逐级变工况计算得到的，所给定的修正曲线通常有限。当机组热力系统特性发生变化、机组运行年久老化后或者在机组非设计工况下，如果仍采用查询原提供的设计特性曲线来进行修正计算，不可避免会产生的较大计算误差，从而影响机组的经济性判断。本文建立了一种基于热力系统末级级组局部热平衡的背压变化定量计算模型，并考虑余速损失和湿汽损失的影响变化，完善和方便了机组运行背压变化时对机组热经济性能影响的修正计算，为现场试验核算和电厂经济性运行指导提供了新途径。

1 背压变化局部热平衡的定量计算方法

汽轮机运行背压变化对机组实际出力的影响有两方面因素：一是由于低压缸有用能排汽点（used energy end point，ueep）的焓值变化引起机组的有效焓降做功量的变化；二是由于排汽装置凝结水温度的改变而引起末端低压加热器抽汽量的变化，从而导致机组出力的变化。

由文献［9－10］可知，在机组新蒸汽流量一定的条件下，机组背压变化时，可以认为机组中间各压力级的效率不变，即机组做功能力的影响仅作用于低压缸部分，仅影响末级组（最后一个抽汽口和末级之间的所有各级）的运行工况，对于直接空冷机组而言，一般指七段抽汽至低压缸排汽口。

根据汽轮机变工况原理，末级变工况［10－14］影响其效率的主要因素是余速损失和湿汽损失。这样，当机组背压发生变化时，将末级作为中间级之一来考虑，它的余速损失也就成了汽轮机的一项外部损失，可以利用制造厂提供的排汽损失曲线查询或者利用排汽容积流量进行计算；在忽略机组低压缸膨胀线终点（expansion line end point，elep）效率ηelep的细微变化时，低压缸的内效率ηueep将随着低压缸排汽损失的变化而改变。而对应湿汽损失的变化可利用低压缸排汽湿度的相对于设计状态时排汽湿度的比值K 进行修正。

低压缸膨胀过程线如图1 所示。Ploip、P7、Pe分别为低压缸进汽压力、七抽压力、低压缸排汽压力，hloip、hueep、hleep分别为低压缸进汽焓值、排汽有用能终点焓值、膨胀线终点焓值。带上角标符号表示背压改变后的变工况数值。

图1 低压缸膨胀过程线示意图

从图1可知，在进汽参数不变，机组运行背压变化时，低压缸排汽容积流量发生改变，从而导致排汽损失EL变化，低压缸的有用能焓值随之变化。有用能焓值可以按照如下式计算得：

式中：X为排汽干度，无量纲参数；EL为查询的排汽损失，kJ／kg。

末级机组的有效焓降为：

式中：Δh为末级级组有效焓降，kJ／kg。

依据上式中所得的变化后机组排汽焓值，重新建立7号低压加热器至低压缸排汽口间热力系统的局部热平衡，计算出变工况下的新的七抽流量q7′，并由变工况计算得七抽新的抽汽压力p7′［15－16］，这样背压变化后末级机组的有效焓降可表示为：

由于机组背压变化而导致的机组出力变化计算公式为：

式中：ΔW为机组出力变化量，kW；k为排汽湿度修正系数，无量纲参数；ηm为发电机综合效率。

该计算方法以机组变工况计算为依据，结合制造厂所提供的机组末级排汽损失曲线和排汽点湿度的变化，建立机组热力系统末级级组的局部热平衡，计算出机组运行背压变化而导致的机组出力变化，这是一种较为全面、简洁的方法。

2 计算方法的实例分析

使用本文所提出的计算方法，对国产某典型600MW 亚临界三缸四排汽直接空冷机组进行了实例分析计算，分别计算了机组设计状态下、3 VWO 运行工况下和80%额定负荷率运行工况下，机组出力随运行背压变化的特性曲线，并与制造厂所提供的原始修正曲线进行对比分析。

机组设计额定工况的主要参数如表1所示。

表1 额定工况的主要参数

制造厂所提供的热力特性修正曲线中仅为机组在设计额定工况下的背压修正曲线，即下文中的曲线。考虑到直接空冷机组的实际运行工况，背压特性计算时背压变化范围在7～35kPa之间，各工况计算结果如下图2至图4所示。

图2 机组设计工况下计算曲线与提供的曲线比较

图2为机组在设计工况下使用本方法所计算的曲线与制造商提供的曲线比较。在10～25 kPa之间的运行背压，计算特性曲线与提供特性曲线有着很好的吻合度，该背压区域也正是机组正常运行的频繁区域，这充分说明了本计算方法的可行性和可靠性；而在两端的低背压运行和高背压运行区域，计算曲线与提供曲线有所偏差，且呈现两侧扩大趋势。此特性为汽轮机性能考核试验时有效开展高精度的机组运行背压调整提供了参考依据。

图3 机组3VWO 工况下计算曲线与提供曲线比较

图3为机组在3VWO 运行工况下使用本方法所计算的曲线与制造商提供的曲线比较，反映了机组实际运行状态下背压特性与设计状态下的背压特性差异。结合图2比较，由于机组实际运行热力特性与设计状态下的热力特性存在差异，机组的背压特性也将有所变化，在同一运行背压条件下，背压变化对机组出力的修正量有0.45%～0.75%的差异。

进一步计算机组在80%额定负荷率运行工况下的背压特性，并与制造商提供的背压修正曲线比较，如图4 所示。在80%额定负荷率运行时，机组的背压变化对机组出力的影响值较设计状态下有所增大，如在25kPa时，制造商提供曲线的出力修正量为－2.78%，而计算得其对出力的修正量为－3.44%，由此产生近0.66%的误差。这对于直接空冷机组的性能诊断、优化运行等节能工作的有效开展将造成技术性误差。

图4 机组80%额定负荷率下计算曲线与提供曲线比较

3 结论

1）采用本文的基于热力系统局部热平衡的背压特性曲线计算方法，综合考虑机组末级组焓降的变化、末级排汽损失、末加热器抽汽量变化以及排汽湿度变化等各因素，可方便有效地对机组背压变化引起的出力变化特性进行计算。

2）该计算方法不仅适用于机组额定工况，也适用于部分负荷工况计算，是对制造商提供背压修正曲线的有益补充和完善，为直接空冷机组精确开展节能诊断、优化运行调整以及机组热力试验的背压偏差修正提供了计算手段。

3）该计算方法同样可推广应用于湿冷机组背压特性计算。

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