600 MW直接空冷机组背压修正曲线及经济运行背压研究

张学海

(华能铜川照金电厂，陕西 铜川 727100)

600 MW直接空冷机组背压修正曲线及经济运行背压研究

张学海

(华能铜川照金电厂，陕西 铜川 727100)

为研究600 MW直接空冷机组的经济运行背压，采用等效热降法计算了变工况下的阻塞背压并得出了不同负荷下的背压修正曲线，采用汽轮机的净功率增量法计算得出了不同负荷、不同环境温度下空冷风机经济运行频率曲线并拟合了公式，可为同类型直接空冷机组的经济运行提供参考。

直接空冷机组；阻塞背压；背压修正曲线；等效热降法；经济运行频率

0 引言

直接空冷机组具有散热器面积庞大、风机采用变频调速方式且数量众多、空冷系统环境因素敏感性强(主要为环境温度)、机组负荷变化频繁、运行控制复杂等特性，在机组负荷和环境温度一定时，存在一个最佳的空冷风机运行频率。对于已经投运的直接空冷机组，如何在尽可能减少风机出力的同时增加机组的出力，获得大型空冷机组在不同运行负荷、不同环境温度下的最优空冷岛风机运行方式，提高直接空冷机组运行的经济性，成为亟须解决的问题。

1 机组概况

某电厂2×600 MW亚临界直接空冷燃煤发电机组汽轮机为东方汽轮机厂设计制造的NZK600-16.67/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。主机直接空冷系统由哈尔滨空调股份有限公司负责设计及供货。汽轮机采用专用的空冷661末级叶片，叶高为661 mm，排汽面积为4.85 m2，设计背压为13.5 kPa。当主蒸汽流量为2 017 t/h时，汽轮机厂提供的阻塞背压为5.93 kPa。

直接空冷机组在冬季较低环境温度下运行时，在满足防冻要求的前提下，为了提高机组的经济性，应保持较低的背压运行。但通过总结近几年的运行情况看，在环境温度较低且机组满负荷运行时，将空冷机组背压降至8.5 kPa以下，空冷风机频率大幅度升高直至满频率运行，但此时机组的功率没有增加。该现象严重困扰着专业技术人员，无法提出有效及合理的理论依据来解释。该现象说明该汽轮机背压尚未降至汽轮机厂提供的阻塞背压时，已出现了“阻塞背压”现象，即汽轮机背压降到一定数值时，再降低背压，汽轮机功率已不再增加。

另外，汽轮机厂给电厂提供的背压修正曲线一般为通用曲线，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，给定的修正曲线通常有限，也没有各负荷下的背压修正曲线，在研究空冷经济运行背压时存在很大的困扰。

该厂2台机组的运行背压设定参考值是在某一特定环境温度、机组负荷及厂用电率的情况下得出的，是依据历年运行经验或借助相关论文所取得的成果，没有相关理论支撑，存在一定的盲目性。

2 背压修正曲线的计算

目前，工程上在确定背压变化对汽轮发电机组电功率的影响时通常采用以下几种方法：热力学方法、回热系统热平衡法、汽轮机原理方法和等效热降法。曹丽华等人[1]用4种方法计算了背压变化对汽轮机发电机组电功率的影响，并对计算结果进行比较和分析。热力学方法和汽轮机原理方法计算结果误差较大，不能满足工程计算与分析的精度要求；回热系统热平衡法虽然计算精度较高，但涉及的变量太多，计算过于繁琐，而等效热降法是一种既便捷又准确的计算方法。

2.1 空冷机组阻塞背压的概念[2]

当汽轮机背压降低到一定数值时，再降低背压，汽轮机功率已不再增加，汽轮机末级叶栅发生“阻塞”，即蒸汽在叶栅的斜切部分之外膨胀，末级焓降不再增加；再降低汽轮机背压，汽轮机功率不再增加，反而由于背压降低，凝结水温度下降，最末级低压加热器的抽汽量增大，又使末级功率减小，此时汽轮机的背压称为极限背压，即阻塞背压。

阻塞背压还可以从汽轮机热力循环的角度来理解。当背压降低时，汽轮机的理想循环热效率提高，但最末级的余速损失增大，汽轮机相对内效率降低。在背压降低的初始阶段，理想循环热效率的升高起主要作用，故随着背压的降低，汽轮机电功率增大；但当背压降到一定程度时，汽轮机相对内效率降低起主要作用，实际循环热效率开始降低。汽轮机实际循环热效率开始降低时的背压称为阻塞背压。

2.2 等效热降法计算方法

等效热降法是在回热系统热平衡方法基础上发展起来的热力系统定量分析方法[3]。当背压变化时，其对汽轮机发电机组电功率的影响可以从两方面来考虑。

一是排汽焓变化所引起机组有效焓降的变化Δh01

(1)

式中：αc为排入凝汽器的蒸汽流量份额；hc′为变工况下的低压缸排汽焓，kJ/kg；hc为额定工况下的排汽焓，kJ/kg。

二是凝结水温度的改变引起最末级回热抽汽量改变，从而影响了做功量的改变

(2)

式中：αnn为通过最末级加热器的凝结水流量份额；Δhn为最末级加热器焓升变化额；η1′为背压变化后最末级加热器的抽汽效率。

(3)

式中：h1为最末级加热器的抽汽焓，kJ/kg；Q1为最末级加热器抽汽的放热量，kJ/kg。

因抽汽压力不变，则末级加热器的出口水温也不变，其加热器的疏水温度和疏水焓不变，所以变工况后的最末级加热器抽汽的放热量Q11=Q1=h1-hs1(hs1为最末级加热器的疏水焓，kJ/kg)。

由式(1)、式(2)可知，背压变化引起的新蒸汽等效热降变化为

(4)

汽轮机装置效率的相对变化为

(5)

式中：h为新蒸汽等效焓降。

等效热降法需进一步计算的参数有：新蒸汽等效热降h以及变工况下的低压缸排汽焓hc′。

2.2.1 新蒸汽等效热降的计算[4]

对于再热机组，考虑蒸汽在再热器中的吸热量及全部成分的做功损失，新蒸汽等效热降为

式中：h0为新蒸汽初焓，kJ/kg；Q为蒸汽在再热器中的吸热量，kJ/kg；hi为各级抽汽焓值，kJ/kg ；αi为各级抽汽份额；∑为门杆漏汽、轴封漏汽、给水泵功损等的代数和，kJ/kg。

依据厂家提供的热平衡图，计算出不同工况下的新蒸汽等效热降值。

2.2.2 低压缸排汽焓的计算[5]

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，机组做功能力仅作用于低压缸部分。当背压由pc降至pc′ 时，可认为背压变化时低压缸对膨胀线终点的效率保持不变，则低压缸膨胀线延长与压力为pc′的等压线相交。图1中背压变化后的排汽膨胀终点焓可以按下式进行计算

(7)

式中：hjq为低压缸进汽焓值，kJ/kg ；Δhjr′为变工况后的低压缸绝热焓降，kJ/kg ；ηelep为低压缸设计效率，%。

图1 低压缸排汽焓的确定

变工况下的蒸汽干度按下式计算

(8)

式中：hs′，hw′分别为变工况背压下的饱和蒸汽焓、饱和水焓，kJ/kg。

变工况下的排汽比体积

(9)

式中：vs′为变工况背压下的干饱和蒸汽比体积，m3/kg。

根据变工况下的排汽比体积和低压缸排汽流量可求出低压缸末级叶片轴向排汽速度

(10)

式中：qm为低压缸排汽流量，kg/s；A为低压缸末级叶片的排汽面积，m2。

变工况下的排汽焓

(11)

式中：hel′为排汽损失。

由式(10)求出低压缸末级叶片轴向排汽速度，依据汽轮机厂家提供的排汽损失曲线查出 。

2.3 阻塞背压计算结果及背压修正曲线

汽轮机的设计背压为13.5 kPa,在汽轮机的排汽背压为5～30 kPa的范围内进行变工况计算，当汽轮机装置效率的相对变化值最大时，对应的背压即为阻塞背压。采用这种方法，计算机组在600，510，450，360，300 MW负荷下的阻塞背压及汽轮机装置效率的相对变化值，得出阻塞背压计算结果(见表1)、机组不同负荷下的背压修正曲线(如图2所示)。

表1 600 MW直接空冷机组阻塞背压计算值

图2 机组不同负荷下的背压修正曲线

从表1可以看出，阻塞背压的计算结果与汽轮机厂提供的阻塞背压设计值5.93 kPa有较大的差距。杨海生在国产660 MW超临界直接空冷汽轮机开展了阻塞背压测试工作，实际测试得到的100%负荷下的空冷机组阻塞背压为8.5 kPa，与厂家提供的数据(7.4 kPa)有较大差别[6]。

3 直接空冷机组经济运行背压的计算

3.1 空冷凝汽器能量平衡方程与传热速率方程[6]

汽轮机排汽放热量方程为

(12)

式中：qmn为汽轮机排汽量，kg/s；hn为汽轮机排汽焓(由排汽干度和排汽温度确定)，kJ/kg；hsn为空冷凝汽器的凝结水焓，kJ/kg。

空冷凝汽器传热方程为

Q=1 000KA1Δtm，

(13)

式中：K为空冷凝汽器传热系数，W/(m2·℃)；A1为空冷凝汽器换热面积，m2； Δtm为对数平均温差，℃。

由式(12)、式(13)求解出Δtm。

根据空冷凝汽器传热过程的特点，对数平均温差为

(14)

式中：tn为水蒸气的饱和温度，℃；ta1为环境空气进入空冷凝汽器的温度，℃；ta2为环境空气离开空冷凝汽器的温度，℃；Δta为空气温升，℃。

选取不同的ta1进行变工况计算，即ta1分别为-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃；由式(14)求解出环境空气离开空冷凝汽器的温度ta2。

空冷散热器空气吸热方程

(15)

式中：qma为空气流量，kg/s；cp为空气定压热容，kJ/(kg·K)。

由式(15)求解出空冷风机实际空气流量qma。

根据空冷风机相似定律，可得出空冷风机功耗

(16)

式中：Pa为空冷风机功耗，kW；Pad为空冷风机设计功耗，kW；ρa为空气密度，kg/m3；ρad为空冷风机设计工况下的空气密度，kg/m3；qmad为空冷风机设计工况下的空气流量，kg/s。

由式(16)求解出变工况下空冷风机功耗Pa。

根据空冷风机相似定律，可得出空冷风机频率

(17)

3.2 汽轮机的净功率增量

汽轮机的净功率增量可表示为

(18)

式中：ΔPe为降低空冷凝汽器背压后机组发电功率增量，kW；ΔPse为降低空冷凝汽器背压所耗厂用电功率增量，kW。

由式(18)求解出Pnet。在最佳风机运行工况，即Pnet达到最大值时，风机运行频率f为最佳风机运行频率，背压为机组经济运行背压。

3.3 直接空冷机组经济运行背压及空冷风机经济运行频率

依据汽轮机厂提供的热平衡图，分别按照上文所述的计算方法，求解出机组负荷为600，510，450，360，300 MW，环境温度为-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃工况下的经济运行背压及对应的空冷风机经济运行频率,其他负荷工况进行线性插值。不同负荷、不同环境温度下机组经济运行背压曲线如图3所示、空冷风机经济运行频率曲线如图4所示。

图3 不同负荷、不同环境温度下机组经济运行背压曲线

图4 不同负荷、不同环境温度下空冷风机经济运行频率曲线

从图3可以得出以下规律。

(1)当环境温度低于5 ℃时，各负荷工况的经济运行背压与阻塞背压一致。

(2)当环境温度低于10 ℃时，环境温度对经济运行背压的影响不明显，若要实现空冷机组的经济运行，必须尽可能降低空冷运行背压。

(3)当环境温度温度高于10 ℃时，环境温度对经济运行背压的影响十分明显，环境温度越高，经济运行背压的上升幅度越大。

从图4可以得出以下规律。

(1)当环境温度高于10 ℃时，600 MW负荷工况时的空冷风机经济运行频率已至满频50 Hz。

(2)当环境温度高于15 ℃时，510～600 MW负荷工况的空冷风机经济运行频率已至满频50 Hz。

(3)当环境温度高于20 ℃时，各个负荷工况的空冷风机经济运行频率已至满频50 Hz。

(4)空冷风机的经济运行区间段为环境温度为0～20 ℃，当环境温度低于0 ℃时，需考虑空冷岛的防冻问题。

3.4 不同负荷、不同环境温度下空冷风机经济运行频率曲线拟合公式

将不同负荷、不同环境温度下对应的空冷风机经济运行频率的结果拟合成公式(见表2)，编写进机组分散控制系统(DCS)控制逻辑中，使空冷系统自动经济运行。

表2 空冷风机经济运行频率曲线拟合公式

注：y为最佳空冷风机运行频率；x为环境温度；y的最高限值为50 Hz，最低限值为15 Hz。

4 结论

(1)通过理论计算得出各负荷工况下直接空冷机组的阻塞背压值，与汽轮机厂提供的阻塞背压有较大的差距，计算结果合理地解释了“在机组背压尚未达到汽轮机厂提供的阻塞背压值，已出现阻塞背压的现象”，为指导电厂经济运行提供了参考，也为开展直接空冷机组经济运行背压的研究提供了理论依据。

(2)通过理论计算得出600 MW直接空冷机组不同负荷下的背压修正曲线。

(3)将不同负荷、不同环境温度下空冷风机经济运行频率曲线拟合为公式，为指导电厂运行、提高机组运行的经济性提供详尽及可供借鉴的数据。

[1]曹丽华，金建国，李勇.背压变化对汽轮发电机组电功率影响的计算方法研究[J].汽轮机技术，2006，48(1)：11-13.

[2]冉景煜.热力发电厂[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]李秀云，严俊杰，林万超.用等效热降法确定排汽压力变化对机组经济性的影响[J].热能动力工程，1999，14(5)：353-355.

[4]林万超.火电厂热系统节能理论[M].西安：西安交通大学出版社，1994.

[5]石红晖，曹蓉秀，卢家勇.基于局部热平衡的直冷机组背压修正曲线计算[J].热力透平，2014，43(4)：291-293.

[6]杨海生.直接空冷机组空冷岛运行优化的研究[D].保定：华北电力大学，2010.

(本文责编：刘芳)

2017-02-09；

2017-02-24

TK 262

A

1674-1951(2017)03-0001-04

张学海(1985—)，男，宁夏中卫人，工程师，从事汽轮机技术管理工作(E-mail:249532536@qq.com)。