寧哲 ， 陳卓

(1、西安熱工研究院有限公司，陜西 西安，710054； 2、西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安，710054；3、西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安，710075)

0 引言

目前，直接空冷機(jī)組給水泵汽輪機(jī)排汽常見(jiàn)的冷卻方式有獨(dú)立濕冷（小汽輪機(jī)配備單獨(dú)濕冷凝汽器）、獨(dú)立空冷（小汽輪機(jī)配備單獨(dú)空冷凝汽器）和直排大機(jī) （小汽輪機(jī)排汽至大機(jī)空冷凝汽器）等型式。采用獨(dú)立濕冷方式時(shí)，小汽輪機(jī)背壓較低而且受環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素的影響較小，背壓較為穩(wěn)定，但小汽輪機(jī)循環(huán)冷卻要耗水，與大機(jī)采用直接空冷機(jī)組的節(jié)水宗旨不符。采用獨(dú)立空冷方式時(shí)，小機(jī)凝汽器需要配備獨(dú)立的真空系統(tǒng)、空冷控制系統(tǒng)等，相對(duì)于直排大機(jī)方案投資增加較多，而且小汽輪機(jī)背壓對(duì)環(huán)境條件也較為敏感，故獨(dú)立空冷方案相對(duì)于直排大機(jī)方案沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。采用直排大機(jī)方案時(shí)，小汽輪機(jī)排汽直接排入大機(jī)凝汽器，小機(jī)背壓及出力與大機(jī)耦合性較強(qiáng)，受環(huán)境風(fēng)速風(fēng)溫影響較大，以往空冷機(jī)組主流汽動(dòng)給水泵組配置方式較少采用直排大機(jī)冷卻方式[1-5]。隨著空冷機(jī)組和小汽輪機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直排大機(jī)方案的研究近年來(lái)逐漸增多[2,6-7]，而關(guān)于大機(jī)背壓變化對(duì)小汽輪機(jī)出力波動(dòng)、直排大機(jī)方案中小汽輪機(jī)的容量選擇等問(wèn)題的研究還較少，本文以某350 MW空冷機(jī)組為例，對(duì)直排大機(jī)方案存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析討論，并給出解決方案。

1 直排大機(jī)冷卻方案的問(wèn)題分析

1.1 大機(jī)背壓變化對(duì)小機(jī)系統(tǒng)安全性的影響

直接空冷系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度、風(fēng)速的影響較為敏感，環(huán)境溫度、風(fēng)速升高可導(dǎo)致風(fēng)機(jī)、空冷平臺(tái)供風(fēng)能力下降，在高溫極大風(fēng)工況下，風(fēng)機(jī)有可能進(jìn)入喘振區(qū)，造成風(fēng)機(jī)出力突然迅速下降、供風(fēng)能力急劇惡化，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。

圖1所示為某350 MW空冷機(jī)組不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)背壓的變化情況，根據(jù)國(guó)內(nèi)直接空冷機(jī)組運(yùn)行的情況，在高溫大風(fēng)情況下，大機(jī)背壓升高10～20 kPa，此背壓距離大機(jī)報(bào)警背壓 （60 kPa左右）尚有一定安全空間，小機(jī)跳機(jī)背壓一般高于大機(jī)跳機(jī)背壓，因此，由背壓變化引發(fā)的給水泵汽輪機(jī)跳機(jī)的可能性幾乎為零。

圖1 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)背壓的影響

1.2 大機(jī)背壓變化對(duì)汽動(dòng)給水泵組出力的影響

對(duì)于配備獨(dú)立濕冷凝汽器的常規(guī)空冷機(jī)組，小汽輪機(jī)背壓與大機(jī)耦合性較小，大機(jī)背壓變化對(duì)小汽輪機(jī)出力影響較小，只需采取相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)手段，消除由于背壓變化引起的機(jī)組發(fā)電功率擾動(dòng)即可。而對(duì)于采用給水泵汽輪機(jī)排汽直排大機(jī)直接空冷凝汽器的機(jī)組，給水泵汽輪機(jī)的背壓會(huì)隨大機(jī)背壓的變化而同步變化，進(jìn)而引起給水泵汽輪機(jī)出力的改變。

以某350 MW空冷機(jī)組為例，其VWO工況下給水泵小汽輪機(jī)設(shè)計(jì)出力為12.47 MW、工作背壓12 kPa。受風(fēng)向、風(fēng)速等氣象條件變化的影響，直接空冷的背壓變化較為頻繁，圖2模擬了極端天氣時(shí)5個(gè)小時(shí)內(nèi)機(jī)組背壓變化（12～40 kPa）對(duì)給水泵汽輪機(jī)出力的影響。由圖2可知，隨著背壓變化給水泵汽輪機(jī)由于有效焓降的波動(dòng)，出力出現(xiàn)明顯的震蕩。

圖2 背壓波動(dòng)對(duì)給水泵汽輪機(jī)出力的影響

采用直排大機(jī)方案，背壓變化時(shí)，不僅需要消除由于背壓變化引起的機(jī)組出力頻繁擾動(dòng)，而且同時(shí)需要消除由于背壓變化引起的小機(jī)出力變化導(dǎo)致的給水系統(tǒng)頻繁擾動(dòng)。因此，小機(jī)直排方案需面對(duì)兩個(gè)互相 “疊加”的高頻次擾動(dòng)，在設(shè)計(jì)之初，需從設(shè)備選型、汽源備用切換等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以維持小機(jī)給水泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 直排大機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

考慮到背壓升高對(duì)給水泵汽輪機(jī)出力的影響，采用直排大機(jī)方案時(shí)，應(yīng)增大給水泵汽輪機(jī)的出力應(yīng)變能力，保證極端工況下仍能滿足給水泵的功率需求。

2.1 增加給水泵汽輪機(jī)通流裕量

根據(jù)圖2，如果給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)出力裕量不夠，在夏季受環(huán)境、風(fēng)向等因素影響引起機(jī)組背壓迅速升高超過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)限定值時(shí)，機(jī)組需降負(fù)荷運(yùn)行。某2×350 MW空冷機(jī)組所處區(qū)域，極端不利氣候條件下，大風(fēng)風(fēng)速較高且較頻繁，表1所示為額定負(fù)荷不同背壓下給水泵汽輪機(jī)出力與給水泵功率需求的差值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)背壓提高時(shí)，小汽輪機(jī)進(jìn)汽量需增加，但受小汽輪機(jī)通流裕量的限制，小機(jī)進(jìn)汽增量帶來(lái)的出力增加不足以抵消有效焓降減少帶來(lái)的影響。

表1 額定負(fù)荷不同背壓下給水泵汽輪機(jī)出力與給水泵功率需求的差值

為保證高背壓工況下給水泵汽輪機(jī)仍然能滿足給水泵的功率需求，在選型及設(shè)計(jì)階段，應(yīng)適當(dāng)增加小機(jī)的通流面積，同時(shí)，在正常工作時(shí)給水泵汽輪機(jī)采用進(jìn)汽閥節(jié)流的方式運(yùn)行。假設(shè)正常工況下給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力節(jié)流10%，由表2計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)背壓在10～40 kPa變化時(shí)，借助于節(jié)流程度的調(diào)整可使給水泵汽輪機(jī)均能滿足給水泵功率需求。

表2 給水泵汽輪機(jī)增加通流裕量后的工作參數(shù)

2.2 汽源切換

采用上述增加給水泵汽輪機(jī)通流裕量的方法會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)日常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)的蒸汽不得不進(jìn)行節(jié)流，為避免節(jié)流損失，可考慮采用在高背壓工況下切換給水泵汽輪機(jī)汽源 （使用再熱冷段蒸汽）的方案，即提高小機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力，進(jìn)而提高給水泵汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量，表3為不同背壓下切換汽源后的工作參數(shù)。

表3 給水泵汽輪機(jī)切換汽源后的工作參數(shù)

根據(jù)熱平衡分析計(jì)算，小汽機(jī)進(jìn)汽汽源改為再熱冷段蒸汽后，影響了鍋爐再熱器的進(jìn)汽量，在背壓分別為20 kPa、30 kPa、40 kPa三個(gè)運(yùn)行工況下，小汽機(jī)進(jìn)汽量占再熱器進(jìn)汽量的比例依次為2.15%、2.74%和3.43%。根據(jù)運(yùn)行要求，再熱器進(jìn)汽量變化應(yīng)控制在6%以內(nèi)，此時(shí)再熱器的壁溫雖然會(huì)升高，但是再熱器仍能在設(shè)計(jì)要求內(nèi)安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

（1）給水泵汽輪機(jī)的排汽冷卻采用 “小機(jī)排汽至大機(jī)直接空冷凝汽器”方案，在極端不利氣候條件下，背壓變化較為頻繁，有引起給水系統(tǒng)頻繁擾動(dòng)、機(jī)組出力波動(dòng)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，必須經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)加以應(yīng)對(duì)。

（2）針對(duì)直排大機(jī)冷卻方案存在的問(wèn)題，提出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，一是增加給水泵汽輪機(jī)通流裕量，二是在高背壓工況下切換給水泵汽輪機(jī)汽源至再熱冷段。

（3）額定工作背壓下給水泵汽輪機(jī)預(yù)留10%的進(jìn)汽節(jié)流裕量，當(dāng)背壓在10～40 kPa變化時(shí)，借助于節(jié)流程度的調(diào)整可使給水泵汽輪機(jī)滿足給水泵功率需求。

（4）高背壓工況下切換給水泵汽輪機(jī)汽源至再熱冷段，引起的再熱器進(jìn)汽量變化在允許的6%限制以內(nèi)。