引风机驱动汽轮机排汽压力高原因分析

张家宽， 张友辉， 程东涛

(1. 华能汕头海门发电有限责任公司，广东汕头 515132； 2. 华能太仓发电有限责任公司，江苏太仓 215424； 3. 西安热工研究院有限公司，西安 710054)

引风机是火力发电机组的重要辅助设备，传统引风机主要由电动机驱动，其耗电量大；在机组中低负荷工况引风机降速运行时理论上可以降低机组能耗。随着机组负荷率降低，以及降低机组厂用电率、提高机组供电能力的需求增大，部分600 MW等级及以上机组进行了将引风机由电动机驱动改为汽轮机驱动[1-2]的改造，该汽轮机称为引风机驱动汽轮机，部分新建机组在设计选型阶段直接按汽轮机驱动设计。引风机驱动汽轮机的冷端系统一般设计独立凝汽器和抽真空系统，在实际运行中经常出现引风机驱动汽轮机排汽压力高的问题，会增大引风机驱动汽轮机进汽流量、增大机组能耗，在夏季严重时会由于影响引风机出力从而导致机组无法带满负荷运行，影响机组运行经济性[3-4]。引风机驱动汽轮机与给水泵驱动汽轮机较类似，其设计制造经验较成熟，而引风机驱动汽轮机冷端系统的设计和运行维护经验均相对较少。

笔者结合实际案例，对引风机驱动汽轮机机组存在的问题进行原因分析并提出改进建议。

1 引风机驱动汽轮机排汽压力影响因素

引风机驱动汽轮机排汽压力(即凝汽器压力)由引风机驱动汽轮机冷端系统的工作状态[5-6]决定。凝汽器压力对应饱和温度的计算公式为：

ts=tw1+Δtc+δtc

(1)

式中：ts为凝汽器压力对应饱和温度，℃；tw1为凝汽器冷却水进口温度，℃；Δtc为凝汽器冷却水温升，K，Q为凝汽器热负荷，W；qm为凝汽器冷却水质量流量，kg/s，cp为冷却水比定压热容，J/(kg·K)；δtc为凝汽器传热端差，K。

凝汽器传热端差由凝汽器传热性能决定，在凝汽器冷却面积、冷却水温度和冷却水流量已定的情况下，凝汽器传热端差主要受凝汽器运行清洁系数和凝汽器内空气聚积程度的影响。凝汽器内空气聚积程度可结合真空严密性试验及抽空气系统运行状态进行定性和定量判定。

在进行实际案例分析时，可根据运行参数进行凝汽器运行性能计算，通过对凝汽器设计参数、设计性能的对比分析和修正计算[7]，进行各影响因素的定量分析计算，进而查找出影响引风机驱动汽轮机排汽压力升高的主要问题，并针对性地提出改进建议。

2 实际案例

某电厂1 000 MW机组引风机由汽轮机驱动，该机组在建成投产后就出现引风机驱动汽轮机排汽压力相对偏高的问题，在夏季运行工况受引风机出力影响导致机组不能带满负荷。

2.1 设备概况

该机组配置2台50%容量汽动引风机，引风机驱动汽轮机为单轴、反动、纯凝式，可以变参数、变功率、变转速运行，进汽汽源为机组四段抽汽，2台引风机驱动汽轮机各设置1台凝汽器，凝汽器冷却水取自主机冷却水系统，主机冷却水为海水冷却开式循环冷却水。引风机驱动汽轮机及凝汽器技术规范分别见表1和表2。

表1 引风机驱动汽轮机设计技术规范

表2 凝汽器设计技术规范

该机组建成投产后就出现引风机驱动汽轮机排汽压力相对偏高的问题，引风机驱动汽轮机进汽流量一直偏大，引风机驱动汽轮机耗汽量偏大，影响机组经济运行。机组在夏季运行时，当循环冷却水温度接近30 ℃时，引风机驱动汽轮机排汽压力达20 kPa以上，严重偏离了设计值，此时引风机驱动汽轮机出力也大幅下降，直接影响引风机出力，进而导致机组不能带满负荷。

2.2 性能试验

针对该机组引风机驱动汽轮机排汽压力高的问题，前期进行了大量的分析工作，通过引风机驱动汽轮机性能试验基本排除了引风机驱动汽轮机自身性能差的问题，导致其排汽压力高的原因基本锁定在引风机驱动汽轮机冷端系统方面。

该机组2台引风机系统工作状态接近，以A引风机系统为例进行分析。A引风机驱动汽轮机冷端系统性能试验结果见表3。

表3 A引风机驱动汽轮机冷端系统性能试验结果

由表3可以看出：将引风机驱动汽轮机冷端系统性能试验结果与原设计参数相比，引风机驱动汽轮机排汽压力偏高，冷却水流量偏低、冷却水温升偏高、凝汽器传热端差偏高、运行清洁系数偏低，且各参数偏离幅度均相对较大。

2.3 原因分析

在引风机驱动汽轮机冷端系统性能试验的基础上，将凝汽器冷却水体积流量和运行清洁系数分别修正到设计值，即3 038 m3/h和0.85，得出冷却水流量和运行清洁系数对冷端系统性能修正后的结果(见表4)。

表4 引风机驱动汽轮机冷端系统性能修正结果

根据引风机驱动汽轮机冷端系统性能试验结果和修正计算结果，按照引风机驱动汽轮机排汽压力影响因素定性分析方法，初步可判断凝汽器冷却水温升偏高和运行清洁系数偏低是引风机驱动汽轮机排汽压力偏高的直接原因，而运行清洁系数又是凝汽器传热性能的综合反映。

需要说明的是，由于冷却水流量和运行清洁系数均与其设计值偏差较大，在一个因素与设计值偏差较大的基础上对另外一个影响因素单独进行修正，得出的修正量相对偏大；冷却水流量和运行清洁系数分别单独修正后两者对凝汽器压力的影响总和大于两者同时修正对凝汽器压力的影响。修正方式引起的修正量偏差不影响分析结果。

对导致引风机驱动汽轮机排汽压力偏高的直接原因进行进一步分析。

(1) 凝汽器冷却水温升偏高。

凝汽器冷却水温升偏高的主要原因为凝汽器冷却水流量偏小，通过试验调整主机循环水系统运行方式，引风机驱动汽轮机的凝汽器冷却水流量均比设计值偏低较多。根据冷端系统性能修正结果可以看出，不同负荷工况下影响凝汽器压力升高8.6～12.8 kPa，冷却水流量偏低是引风机驱动汽轮机排汽压力高的主要原因。

进一步分析可以发现，引风机驱动汽轮机的凝汽器冷却水取自主机循环冷却水，而该机组循环冷却水为海水冷却开式循环冷却水系统，该类型冷却水系统本身就存在循环水压力相对较低的特点。从设备现场布置来看，主机循环水泵及取水、供水系统靠近汽轮机侧，而引风机及其驱动汽轮机和凝汽器在锅炉侧，冷却水管线较长、沿程阻力损失大。如果在机组设计阶段未充分考虑主机循环水和引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水系统的水力平衡，将很容易出现引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水流量偏低的问题。

(2) 凝汽器传热性能差。

根据冷端系统性能修正结果可以看出，不同负荷工况下凝汽器传热性能差影响凝汽器压力升高7.6～12.3 kPa，凝汽器传热性能差也是造成驱动汽轮机排汽压力高的一个主要原因。

造成凝汽器传热性能差的原因主要是凝汽器冷却管脏污和凝汽器内空气聚积。由于该机组为新建机组，结合已经进行的检修维护工作，基本可以排除凝汽器冷却管脏污的问题，初步判断凝汽器传热性能差的原因为凝汽器内空气聚积严重。

通过调整真空泵运行台数可以发现，随着真空泵运行台数增多，凝汽器压力相对降低，同时真空泵存在工作液温度偏高现象，说明存在真空泵抽吸能力相对不足的问题。测试发现真空泵换热器传热端差约20 K，严重高于正常值。进一步检查发现，真空泵换热器冷却水设计质量流量为10 t/h，但实测冷却水质量流量约为3 t/h。

由于真空泵冷却水取自引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水，根据以上分析，凝汽器冷却水本身就存在流量相对偏低的问题，同时由于整个循环冷却水系统压力相对偏低、引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水又存在沿程阻力大的问题，导致引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水在凝汽器进水处更是存在压力偏低的问题，导致真空泵冷却水流量偏低，同时真空泵冷却水管道偏细，进一步造成真空泵冷却水流量偏小，抽吸能力不足。

3 改进建议

根据引风机驱动汽轮机排汽压力高原因分析结果，结合机组实际情况，针对冷却水流量不足的问题，建议增设管道泵，以提高引风机驱动汽轮机凝汽器冷却水流量。同时，在以后的设计选型或改造时，应充分考虑冷却水管道沿程阻力和整个冷却水系统的水力平衡问题，保障冷却水流量达到设计值。

针对真空泵抽吸能力不足引起的凝汽器内空气聚积、传热性能变差的问题，从理论上分析增大凝汽器冷却水流量可以缓解真空泵冷却水流量不足的问题，但由于所配置真空泵本身存在冷却水管道偏细的问题，建议对真空泵冷却水系统进行改造，对冷却水管道进行扩容，根据扩容后运行效果考虑是否对换热器进行改造。

4 结语

汽动引风机相对电动引风机具有降低机组厂用电率、在机组中低负荷工况可相对节能的优势，但是汽动引风机系统复杂，如果不能做好设计选型和运行维护工作，容易引起汽动引风机系统运行性能、工作状态变差，不仅影响机组运行经济性，还可能会影响机组带负荷能力。

通过引风机驱动汽轮机排汽压力影响因素定性和定量分析，查找出冷却水流量偏小和真空泵抽吸能力不足是引风机驱动汽轮机排汽压力高的主要原因，为引风机驱动汽轮机机组工作状态分析提供了分析思路和方法，可为同类型机组设计选型及改造方案制定提供参考，避免类似问题再次发生。