張學(xué)海

(華能銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

600 MW直接空冷機(jī)組背壓修正曲線及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓研究

張學(xué)海

(華能銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

為研究600 MW直接空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓，采用等效熱降法計(jì)算了變工況下的阻塞背壓并得出了不同負(fù)荷下的背壓修正曲線，采用汽輪機(jī)的凈功率增量法計(jì)算得出了不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線并擬合了公式，可為同類型直接空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

直接空冷機(jī)組；阻塞背壓；背壓修正曲線；等效熱降法；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率

0 引言

直接空冷機(jī)組具有散熱器面積龐大、風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速方式且數(shù)量眾多、空冷系統(tǒng)環(huán)境因素敏感性強(qiáng)(主要為環(huán)境溫度)、機(jī)組負(fù)荷變化頻繁、運(yùn)行控制復(fù)雜等特性，在機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境溫度一定時(shí)，存在一個(gè)最佳的空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率。對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的直接空冷機(jī)組，如何在盡可能減少風(fēng)機(jī)出力的同時(shí)增加機(jī)組的出力，獲得大型空冷機(jī)組在不同運(yùn)行負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下的最優(yōu)空冷島風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式，提高直接空冷機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，成為亟須解決的問題。

1 機(jī)組概況

某電廠2×600 MW亞臨界直接空冷燃煤發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的NZK600-16.67/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。主機(jī)直接空冷系統(tǒng)由哈爾濱空調(diào)股份有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)及供貨。汽輪機(jī)采用專用的空冷661末級(jí)葉片，葉高為661 mm，排汽面積為4.85 m2，設(shè)計(jì)背壓為13.5 kPa。當(dāng)主蒸汽流量為2 017 t/h時(shí)，汽輪機(jī)廠提供的阻塞背壓為5.93 kPa。

直接空冷機(jī)組在冬季較低環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，在滿足防凍要求的前提下，為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)保持較低的背壓運(yùn)行。但通過總結(jié)近幾年的運(yùn)行情況看，在環(huán)境溫度較低且機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，將空冷機(jī)組背壓降至8.5 kPa以下，空冷風(fēng)機(jī)頻率大幅度升高直至滿頻率運(yùn)行，但此時(shí)機(jī)組的功率沒有增加。該現(xiàn)象嚴(yán)重困擾著專業(yè)技術(shù)人員，無法提出有效及合理的理論依據(jù)來解釋。該現(xiàn)象說明該汽輪機(jī)背壓尚未降至汽輪機(jī)廠提供的阻塞背壓時(shí)，已出現(xiàn)了“阻塞背壓”現(xiàn)象，即汽輪機(jī)背壓降到一定數(shù)值時(shí)，再降低背壓，汽輪機(jī)功率已不再增加。

另外，汽輪機(jī)廠給電廠提供的背壓修正曲線一般為通用曲線，它是汽輪機(jī)制造廠在特定工況下模擬設(shè)計(jì)條件逐級(jí)變工況計(jì)算得到的，給定的修正曲線通常有限，也沒有各負(fù)荷下的背壓修正曲線，在研究空冷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓時(shí)存在很大的困擾。

該廠2臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行背壓設(shè)定參考值是在某一特定環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷及廠用電率的情況下得出的，是依據(jù)歷年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或借助相關(guān)論文所取得的成果，沒有相關(guān)理論支撐，存在一定的盲目性。

2 背壓修正曲線的計(jì)算

目前，工程上在確定背壓變化對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組電功率的影響時(shí)通常采用以下幾種方法：熱力學(xué)方法、回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡法、汽輪機(jī)原理方法和等效熱降法。曹麗華等人[1]用4種方法計(jì)算了背壓變化對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組電功率的影響，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析。熱力學(xué)方法和汽輪機(jī)原理方法計(jì)算結(jié)果誤差較大，不能滿足工程計(jì)算與分析的精度要求；回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡法雖然計(jì)算精度較高，但涉及的變量太多，計(jì)算過于繁瑣，而等效熱降法是一種既便捷又準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

2.1 空冷機(jī)組阻塞背壓的概念[2]

當(dāng)汽輪機(jī)背壓降低到一定數(shù)值時(shí)，再降低背壓，汽輪機(jī)功率已不再增加，汽輪機(jī)末級(jí)葉柵發(fā)生“阻塞”，即蒸汽在葉柵的斜切部分之外膨脹，末級(jí)焓降不再增加；再降低汽輪機(jī)背壓，汽輪機(jī)功率不再增加，反而由于背壓降低，凝結(jié)水溫度下降，最末級(jí)低壓加熱器的抽汽量增大，又使末級(jí)功率減小，此時(shí)汽輪機(jī)的背壓稱為極限背壓，即阻塞背壓。

阻塞背壓還可以從汽輪機(jī)熱力循環(huán)的角度來理解。當(dāng)背壓降低時(shí)，汽輪機(jī)的理想循環(huán)熱效率提高，但最末級(jí)的余速損失增大，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率降低。在背壓降低的初始階段，理想循環(huán)熱效率的升高起主要作用，故隨著背壓的降低，汽輪機(jī)電功率增大；但當(dāng)背壓降到一定程度時(shí)，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率降低起主要作用，實(shí)際循環(huán)熱效率開始降低。汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率開始降低時(shí)的背壓稱為阻塞背壓。

2.2 等效熱降法計(jì)算方法

等效熱降法是在回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱力系統(tǒng)定量分析方法[3]。當(dāng)背壓變化時(shí)，其對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組電功率的影響可以從兩方面來考慮。

一是排汽焓變化所引起機(jī)組有效焓降的變化Δh01

(1)

式中：αc為排入凝汽器的蒸汽流量份額；hc′為變工況下的低壓缸排汽焓，kJ/kg；hc為額定工況下的排汽焓，kJ/kg。

二是凝結(jié)水溫度的改變引起最末級(jí)回?zé)岢槠扛淖?，從而影響了做功量的改?/p>

(2)

式中：αnn為通過最末級(jí)加熱器的凝結(jié)水流量份額；Δhn為最末級(jí)加熱器焓升變化額；η1′為背壓變化后最末級(jí)加熱器的抽汽效率。

(3)

式中：h1為最末級(jí)加熱器的抽汽焓，kJ/kg；Q1為最末級(jí)加熱器抽汽的放熱量，kJ/kg。

因抽汽壓力不變，則末級(jí)加熱器的出口水溫也不變，其加熱器的疏水溫度和疏水焓不變，所以變工況后的最末級(jí)加熱器抽汽的放熱量Q11=Q1=h1-hs1(hs1為最末級(jí)加熱器的疏水焓，kJ/kg)。

由式(1)、式(2)可知，背壓變化引起的新蒸汽等效熱降變化為

(4)

汽輪機(jī)裝置效率的相對(duì)變化為

(5)

式中：h為新蒸汽等效焓降。

等效熱降法需進(jìn)一步計(jì)算的參數(shù)有：新蒸汽等效熱降h以及變工況下的低壓缸排汽焓hc′。

2.2.1 新蒸汽等效熱降的計(jì)算[4]

對(duì)于再熱機(jī)組，考慮蒸汽在再熱器中的吸熱量及全部成分的做功損失，新蒸汽等效熱降為

式中：h0為新蒸汽初焓，kJ/kg；Q為蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg；hi為各級(jí)抽汽焓值，kJ/kg ；αi為各級(jí)抽汽份額；∑為門桿漏汽、軸封漏汽、給水泵功損等的代數(shù)和，kJ/kg。

依據(jù)廠家提供的熱平衡圖，計(jì)算出不同工況下的新蒸汽等效熱降值。

2.2.2 低壓缸排汽焓的計(jì)算[5]

在機(jī)組新蒸汽流量一定的條件下，機(jī)組背壓變化時(shí)，可以認(rèn)為機(jī)組中間各壓力級(jí)的效率不變，機(jī)組做功能力僅作用于低壓缸部分。當(dāng)背壓由pc降至pc′ 時(shí)，可認(rèn)為背壓變化時(shí)低壓缸對(duì)膨脹線終點(diǎn)的效率保持不變，則低壓缸膨脹線延長與壓力為pc′的等壓線相交。圖1中背壓變化后的排汽膨脹終點(diǎn)焓可以按下式進(jìn)行計(jì)算

(7)

式中：hjq為低壓缸進(jìn)汽焓值，kJ/kg ；Δhjr′為變工況后的低壓缸絕熱焓降，kJ/kg ；ηelep為低壓缸設(shè)計(jì)效率，%。

圖1 低壓缸排汽焓的確定

變工況下的蒸汽干度按下式計(jì)算

(8)

式中：hs′，hw′分別為變工況背壓下的飽和蒸汽焓、飽和水焓，kJ/kg。

變工況下的排汽比體積

(9)

式中：vs′為變工況背壓下的干飽和蒸汽比體積，m3/kg。

根據(jù)變工況下的排汽比體積和低壓缸排汽流量可求出低壓缸末級(jí)葉片軸向排汽速度

(10)

式中：qm為低壓缸排汽流量，kg/s；A為低壓缸末級(jí)葉片的排汽面積，m2。

變工況下的排汽焓

(11)

式中：hel′為排汽損失。

由式(10)求出低壓缸末級(jí)葉片軸向排汽速度，依據(jù)汽輪機(jī)廠家提供的排汽損失曲線查出 。

2.3 阻塞背壓計(jì)算結(jié)果及背壓修正曲線

汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)背壓為13.5 kPa,在汽輪機(jī)的排汽背壓為5～30 kPa的范圍內(nèi)進(jìn)行變工況計(jì)算，當(dāng)汽輪機(jī)裝置效率的相對(duì)變化值最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的背壓即為阻塞背壓。采用這種方法，計(jì)算機(jī)組在600，510，450，360，300 MW負(fù)荷下的阻塞背壓及汽輪機(jī)裝置效率的相對(duì)變化值，得出阻塞背壓計(jì)算結(jié)果(見表1)、機(jī)組不同負(fù)荷下的背壓修正曲線(如圖2所示)。

表1 600 MW直接空冷機(jī)組阻塞背壓計(jì)算值

圖2 機(jī)組不同負(fù)荷下的背壓修正曲線

從表1可以看出，阻塞背壓的計(jì)算結(jié)果與汽輪機(jī)廠提供的阻塞背壓設(shè)計(jì)值5.93 kPa有較大的差距。楊海生在國產(chǎn)660 MW超臨界直接空冷汽輪機(jī)開展了阻塞背壓測(cè)試工作，實(shí)際測(cè)試得到的100%負(fù)荷下的空冷機(jī)組阻塞背壓為8.5 kPa，與廠家提供的數(shù)據(jù)(7.4 kPa)有較大差別[6]。

3 直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓的計(jì)算

3.1 空冷凝汽器能量平衡方程與傳熱速率方程[6]

汽輪機(jī)排汽放熱量方程為

(12)

式中：qmn為汽輪機(jī)排汽量，kg/s；hn為汽輪機(jī)排汽焓(由排汽干度和排汽溫度確定)，kJ/kg；hsn為空冷凝汽器的凝結(jié)水焓，kJ/kg。

空冷凝汽器傳熱方程為

Q=1 000KA1Δtm，

(13)

式中：K為空冷凝汽器傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A1為空冷凝汽器換熱面積，m2； Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

由式(12)、式(13)求解出Δtm。

根據(jù)空冷凝汽器傳熱過程的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)平均溫差為

(14)

式中：tn為水蒸氣的飽和溫度，℃；ta1為環(huán)境空氣進(jìn)入空冷凝汽器的溫度，℃；ta2為環(huán)境空氣離開空冷凝汽器的溫度，℃；Δta為空氣溫升，℃。

選取不同的ta1進(jìn)行變工況計(jì)算，即ta1分別為-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃；由式(14)求解出環(huán)境空氣離開空冷凝汽器的溫度ta2。

空冷散熱器空氣吸熱方程

(15)

式中：qma為空氣流量，kg/s；cp為空氣定壓熱容，kJ/(kg·K)。

由式(15)求解出空冷風(fēng)機(jī)實(shí)際空氣流量qma。

根據(jù)空冷風(fēng)機(jī)相似定律，可得出空冷風(fēng)機(jī)功耗

(16)

式中：Pa為空冷風(fēng)機(jī)功耗，kW；Pad為空冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)功耗，kW；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；ρa(bǔ)d為空冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的空氣密度，kg/m3；qmad為空冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的空氣流量，kg/s。

由式(16)求解出變工況下空冷風(fēng)機(jī)功耗Pa。

根據(jù)空冷風(fēng)機(jī)相似定律，可得出空冷風(fēng)機(jī)頻率

(17)

3.2 汽輪機(jī)的凈功率增量

汽輪機(jī)的凈功率增量可表示為

(18)

式中：ΔPe為降低空冷凝汽器背壓后機(jī)組發(fā)電功率增量，kW；ΔPse為降低空冷凝汽器背壓所耗廠用電功率增量，kW。

由式(18)求解出Pnet。在最佳風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，即Pnet達(dá)到最大值時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率f為最佳風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，背壓為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓。

3.3 直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓及空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率

依據(jù)汽輪機(jī)廠提供的熱平衡圖，分別按照上文所述的計(jì)算方法，求解出機(jī)組負(fù)荷為600，510，450，360，300 MW，環(huán)境溫度為-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃工況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓及對(duì)應(yīng)的空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率,其他負(fù)荷工況進(jìn)行線性插值。不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓曲線如圖3所示、空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線如圖4所示。

圖3 不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓曲線

圖4 不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線

從圖3可以得出以下規(guī)律。

(1)當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，各負(fù)荷工況的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓與阻塞背壓一致。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓的影響不明顯，若要實(shí)現(xiàn)空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須盡可能降低空冷運(yùn)行背壓。

(3)當(dāng)環(huán)境溫度溫度高于10 ℃時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓的影響十分明顯，環(huán)境溫度越高，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓的上升幅度越大。

從圖4可以得出以下規(guī)律。

(1)當(dāng)環(huán)境溫度高于10 ℃時(shí)，600 MW負(fù)荷工況時(shí)的空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率已至滿頻50 Hz。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度高于15 ℃時(shí)，510～600 MW負(fù)荷工況的空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率已至滿頻50 Hz。

(3)當(dāng)環(huán)境溫度高于20 ℃時(shí)，各個(gè)負(fù)荷工況的空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率已至滿頻50 Hz。

(4)空冷風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間段為環(huán)境溫度為0～20 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，需考慮空冷島的防凍問題。

3.4 不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線擬合公式

將不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率的結(jié)果擬合成公式(見表2)，編寫進(jìn)機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)控制邏輯中，使空冷系統(tǒng)自動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線擬合公式

注：y為最佳空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率；x為環(huán)境溫度；y的最高限值為50 Hz，最低限值為15 Hz。

4 結(jié)論

(1)通過理論計(jì)算得出各負(fù)荷工況下直接空冷機(jī)組的阻塞背壓值，與汽輪機(jī)廠提供的阻塞背壓有較大的差距，計(jì)算結(jié)果合理地解釋了“在機(jī)組背壓尚未達(dá)到汽輪機(jī)廠提供的阻塞背壓值，已出現(xiàn)阻塞背壓的現(xiàn)象”，為指導(dǎo)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了參考，也為開展直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行背壓的研究提供了理論依據(jù)。

(2)通過理論計(jì)算得出600 MW直接空冷機(jī)組不同負(fù)荷下的背壓修正曲線。

(3)將不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下空冷風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行頻率曲線擬合為公式，為指導(dǎo)電廠運(yùn)行、提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性提供詳盡及可供借鑒的數(shù)據(jù)。

[1]曹麗華，金建國，李勇.背壓變化對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組電功率影響的計(jì)算方法研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(1)：11-13.

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(本文責(zé)編：劉芳)

2017-02-09；

2017-02-24

TK 262

A

1674-1951(2017)03-0001-04

張學(xué)海(1985—)，男，寧夏中衛(wèi)人，工程師，從事汽輪機(jī)技術(shù)管理工作(E-mail:249532536@qq.com)。