李國慶，徐 威，王 永，陳雅麗

(1.中電華創(chuàng)(蘇州)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.安徽蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000；3.大同電力高級技工學(xué)校，山西 大同 037039)

0 引 言

直接空冷機(jī)組具有汽輪機(jī)排汽壓力高、空冷風(fēng)機(jī)耗電量大、背壓波動幅度大等顯著特點(diǎn)。機(jī)組能否安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接受到機(jī)組背壓高低的影響[1]。同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行背壓易受環(huán)境因素干擾，存在夏季機(jī)組背壓高，負(fù)荷受限，冬季空冷換熱面凍結(jié)的現(xiàn)象[2-3]。

直接空冷系統(tǒng)中，降低汽輪機(jī)的排汽壓力可以增加機(jī)組的發(fā)電功率，但并不是冷凝器背壓越低越好。在一定的環(huán)境溫度和冷凝流量下，要想使得凝汽器背壓降低，只能通過提高迎面風(fēng)速，即增大冷卻風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)，而增大冷卻風(fēng)量會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的功耗升高。因此存在一個(gè)被稱為“最佳背壓”的凝汽器壓力，在該壓力情況下，提高風(fēng)量降低冷凝器排汽壓力所多出的電功率ΔPe與風(fēng)機(jī)提速導(dǎo)致多消耗的電功率ΔPfan之差達(dá)到最大值。所以，確定機(jī)組的最佳背壓有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)組的節(jié)能降耗以及優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行[4-5]。

將某電廠600 MW機(jī)組作為算例，計(jì)算不同運(yùn)行工況下機(jī)組最佳的背壓情況，以分析環(huán)境溫度和當(dāng)前運(yùn)行背壓對最佳背壓的影響。

1 最佳背壓的計(jì)算方法

設(shè)定凝汽器背壓為pc，最佳背壓為pc,op，兩者相等時(shí)汽輪機(jī)功率P相對最大，其定義式可寫為

P|pc=pc,op=max(ΔPe-ΔPfan)

式中：ΔPe為汽輪機(jī)的微增功率；ΔPfan為風(fēng)機(jī)提速導(dǎo)致多消耗的電功率。

圖1為凝汽器最佳背壓的確定示意圖[6]。

因此，計(jì)算直接空冷機(jī)組冷凝器最佳背壓就轉(zhuǎn)換為計(jì)算汽輪機(jī)的微增功率ΔPe以及風(fēng)機(jī)提速導(dǎo)致多消耗的電功率ΔPfan。

1.1 機(jī)組微增功率計(jì)算

工程上用來計(jì)算由排汽壓力改變而導(dǎo)致機(jī)組功率變化主要有4種方法，不同方法根據(jù)機(jī)組各有應(yīng)用。結(jié)合某電廠600 MW的直接空冷系統(tǒng)工作特性，選擇等效熱降法進(jìn)行計(jì)算。

1.1.1 等效熱降法

等效熱降法是以回?zé)嵯到y(tǒng)的熱力平衡為基本原理的一種計(jì)算方法，這種計(jì)算方法與其他方法的區(qū)別在于對整個(gè)熱力系統(tǒng)的部分進(jìn)行分析時(shí)，將重點(diǎn)放在整體中出現(xiàn)變化的局部，進(jìn)一步分析出因?yàn)椴糠肿兓鸬恼麄€(gè)空冷機(jī)組的影響。

對于純凝汽式機(jī)組，由于不存在抽汽等損失，蒸汽通過汽輪葉片所減少的焓值就轉(zhuǎn)換成對機(jī)組的做功，所以對于單位質(zhì)量蒸汽，有：

H=h0-hc

式中：h0為蒸汽的初始焓值，kJ/kg；hc為乏汽的焓值，kJ/kg。

而對于具有回?zé)岬臋C(jī)組，單位質(zhì)量蒸汽經(jīng)過機(jī)組葉片的做功為

H=(h0-hc)-α1(h1-hc)-…-αz(hz-hc)

1.1.2 排汽壓力變化的等效熱降計(jì)算

如果汽輪機(jī)的背壓發(fā)生改變，其對發(fā)電系統(tǒng)功率的影響主要體現(xiàn)在兩方面，其一為乏汽的焓改變導(dǎo)致整個(gè)汽輪機(jī)有效焓的變化值ΔH01；另一個(gè)則為由于冷凝循環(huán)水溫度的改變導(dǎo)致最后一級低溫加熱器的蒸汽抽汽份額出現(xiàn)的變化值ΔH02。排汽壓力做功分析如圖2所示。

圖2 排汽壓力做功分析圖

另外，凝結(jié)水溫度變化引起機(jī)組內(nèi)蒸汽做功量的變化。根據(jù)等效熱降原理，就相對于蒸汽產(chǎn)生的αnnΔτn焓值變化。那么此時(shí)抽汽份額發(fā)生改變導(dǎo)致機(jī)組做功的變化為

ΔH02=αnnΔτnη′1

式中：αnn為流經(jīng)低加的凝結(jié)水份額；Δτn是最后一級的加熱器凝結(jié)水焓的上升值，kJ/kg；η′1是機(jī)組背壓改變之后末級低壓加熱器的抽汽效率，不同的加熱器有不同低加抽汽效率。

通常加熱器可以分為疏水自流型加熱器和匯集型加熱器，若為前者，則可以按照式(1)得出低加抽汽效率[7]：

(1)

式中：η1為運(yùn)行工況下1號加熱器的抽汽效率,%；H′1為變工況下抽汽焓降，kJ/kg；q′1為變工況下1級抽汽在加熱器中的放熱量，kJ/kg；H1為第1級抽汽的焓降，kJ/kg。

而如果加熱器選擇后者，那么可以按照式(2)計(jì)算抽汽效率：

(2)

式中：q1為運(yùn)行工況下1級抽汽在該加熱器中的放熱量，kJ/kg。

所以因?yàn)槠啓C(jī)背壓變化而引起的單位質(zhì)量蒸汽焓值改變?yōu)?/p>

ΔHi=ΔH01-ΔH02

則由機(jī)組排汽壓力改變引起蒸汽焓降改變?yōu)?/p>

如果汽輪機(jī)的主蒸汽量是D0，則機(jī)組背壓改變時(shí)，汽輪機(jī)電功率的改變量能夠根據(jù)式(3)得出：

ΔPe=D0(ΔH02-ΔH01)ηmηg/3.6

(3)

式中：ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

(4)

式中：hjq是低壓缸入口蒸汽的焓，kJ/kg；Δh′jr是變工況運(yùn)行結(jié)束低壓缸的焓降，kJ/kg；ηelep是低壓缸的額定效率，%。

變工況運(yùn)行汽輪機(jī)低壓缸的排汽焓為

蒸汽的干度通常根據(jù)式(5)計(jì)算：

(5)

對于汽輪機(jī)低壓缸末級排汽損失的計(jì)算，需要先知道變工況運(yùn)行條件下的機(jī)組乏汽的比體積以及其體積流量，這樣按照機(jī)組生產(chǎn)時(shí)繪制的排汽損失過程曲線圖就能夠得出汽輪機(jī)低壓缸最后一級的在排汽時(shí)的各種損失。

變工況運(yùn)行條件下乏汽的比體積計(jì)算式為

v′=v′sX′

式中；v′s為變工況機(jī)組在相同的壓力條件下干飽和蒸汽的比體積，m3/kg。

1.1.3 抽汽等效熱降計(jì)算

第j級回?zé)岢槠拷档? kg所排擠蒸汽的做功改變值也就是所謂的抽汽等效熱降Hj，該定義仍將其下一級抽汽部位抽汽份額的改變包括在內(nèi)。確定Hj是比較容易的，有一定的規(guī)律可循，可歸納成下式：

式中：Am表示單位疏水在m級加熱器的放熱量，Am取γm或τm；γm為單位疏水在m級加熱器的放熱量；τm為第m級加熱器中單位凝結(jié)水的焓升；若加熱器型式為匯集式，Am取τm，若加熱器型式是疏水自流式，則用γm取代Am，二者單位均為kJ/kg；Hm為第m級等效熱降，kJ/kg；qm為單位質(zhì)量抽汽在第m級加熱器中放熱量，kJ/kg。

抽汽效率ηj的定義為抽汽等效熱降Hj和造成Hj出現(xiàn)而送入的熱之比。一旦知道了Hj，相對應(yīng)的抽汽效率ηj能夠直接代入式(6)快速得出：

(6)

1.2 空冷風(fēng)機(jī)耗功計(jì)算

如果所研究的風(fēng)機(jī)與某定性風(fēng)機(jī)是屬于同種類型或者幾何尺寸成比例的情況下，則能夠按照相似定理計(jì)算得出環(huán)境溫度變化時(shí)不同轉(zhuǎn)動速度下風(fēng)機(jī)群的功耗[9]：

(7)

式中：NG是風(fēng)機(jī)群的總耗功功率，kW；Ni是單臺風(fēng)機(jī)的實(shí)際耗電功率，kW；N0是在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動速度下風(fēng)機(jī)的電耗功率，kW；ρi是實(shí)時(shí)的大氣密度值，kg/m3；ρ0是測定額定工況下大氣的密度值，kg/m3；qvi為不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量，m3/h；qv0為額定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量，m3/h。

2 計(jì)算結(jié)果

某電廠600 MW空冷機(jī)組抽汽相關(guān)參數(shù)見表1，風(fēng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)(30 ℃、30 kPa工況)見表2。

2.1 不同工況

根據(jù)上述理論及數(shù)據(jù)，計(jì)算不同運(yùn)行工況下該機(jī)組的最佳背壓。

1)運(yùn)行工況1：此工況下環(huán)境溫度為22.53 ℃，汽輪機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷為350.2 MW，排汽壓力為10.28 kPa，總的凝汽流量為197.47 kg/s。經(jīng)運(yùn)算可知最佳背壓是12.076 kPa，此刻的迎面風(fēng)速為1.83 m/s，是設(shè)計(jì)運(yùn)行工況條件下風(fēng)速的90.95%(即1.83/2.012)。功率增量與機(jī)組背壓關(guān)系如圖3所示。

表1 抽汽等效熱降以及熱力系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Equivalent heat drop of extraction steam and parameters of thermal system

表2 空冷風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)Table 2 Data of air-cooled fan

圖3 350 MW工況下的最佳背壓

2)運(yùn)行工況2：環(huán)境溫度為25.73 ℃，汽輪機(jī)的實(shí)際負(fù)荷為399.07 MW，此時(shí)工作的背壓為16.04 kPa，總的凝汽流量為240.37 kg/s。此工況下功率增量與背壓關(guān)系如圖4所示，計(jì)算可得該工況下機(jī)組的最佳背壓為14.868 kPa，此刻的迎面風(fēng)速為2.08 m/s，是設(shè)計(jì)運(yùn)行工況條件下風(fēng)速的103.3%。

3)運(yùn)行工況3：環(huán)境溫度為27.47 ℃，汽輪機(jī)的實(shí)際負(fù)荷為501.17 MW，此時(shí)工作的背壓為21.63 kPa，總的凝汽流量為283.24 kg/s。經(jīng)過運(yùn)算可知該運(yùn)行工況下的最佳背壓為18.987 kPa，此刻的迎面風(fēng)速為2.495 m/s，是設(shè)計(jì)運(yùn)行工況條件下風(fēng)速的124%，在此工況中汽輪機(jī)各部分功率增量與汽輪機(jī)背壓曲線如圖5所示。

4)運(yùn)行工況4：環(huán)境溫度為25.85 ℃，汽輪機(jī)的實(shí)際負(fù)荷為551.08 MW，此時(shí)工作的背壓為23.13 kPa，總的凝汽流量為311.83 kg/s?？芍撨\(yùn)行工況下的最佳背壓為17.985 kPa，對應(yīng)的迎面風(fēng)速是2.46 m/s，占設(shè)計(jì)運(yùn)行工況條件下風(fēng)速的122.26%。圖6為功率增量和汽輪機(jī)背壓關(guān)系。

圖4 400 MW工況下的最佳背壓

圖5 500 MW工況下的最佳背壓

2.2 影響因素分析

85%THA負(fù)荷工況下周圍環(huán)境溫度對直接空冷機(jī)組運(yùn)行最佳背壓以及最佳風(fēng)機(jī)頻率的關(guān)系如圖7所示。隨著環(huán)境溫度升高，機(jī)組最佳背壓逐漸增大，且風(fēng)機(jī)的最佳工作頻率同樣會上升，但是當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)風(fēng)機(jī)頻率便不再變化。

圖6 550 MW工況下的最佳背壓

圖7 85%工況下，環(huán)境溫度對最佳背壓的影響

在環(huán)境溫度以及機(jī)組的凝汽流量保持不變的情況下，通過使當(dāng)前背壓變化，分析其給汽輪機(jī)最佳背壓確定帶來的影響，根據(jù)程序計(jì)算得出的結(jié)果繪制曲線，如圖8所示。能夠發(fā)現(xiàn)，直接空冷系統(tǒng)的功率改變的數(shù)值是由當(dāng)前背壓決定的，但是當(dāng)前背壓無論為何值，機(jī)組的最佳背壓仍然不會改變。因此，當(dāng)前背壓對機(jī)組最佳背壓基本上不會起作用。

圖8 當(dāng)前背壓變化，背壓與功率改變值之間的關(guān)系

3 結(jié) 語

1)不同運(yùn)行工況下機(jī)組的最佳背壓不同，因此在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中要優(yōu)化機(jī)組背壓，使機(jī)組的性能達(dá)到最高。

2)因軸流式風(fēng)機(jī)的負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間有一定范圍，而一旦風(fēng)機(jī)頻率上升至某一定值后，則無法僅僅依靠改變送入的風(fēng)量來調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的排汽壓力，而且此時(shí)如果周圍溫度繼續(xù)上升或是機(jī)組的負(fù)荷再一次增加，汽輪機(jī)的排汽壓力會立即增大，為防止事故發(fā)生、使機(jī)組能夠穩(wěn)定工作，要啟用噴水降溫或者使機(jī)組的負(fù)荷減小。

3)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行的背壓不會影響機(jī)組的最佳背壓，但是會給機(jī)組的功率凈改變量帶來變化，對優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行、節(jié)能降耗有重要意義。

4)機(jī)組的最佳背壓受環(huán)境溫度作用較大，隨著環(huán)境溫度的增加而上升，因此需要避免環(huán)境溫度帶來的影響，并且對其加以利用以優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行。