600 MW直接空冷機組背壓修正曲線及經濟運行背壓研究

張學海

(華能銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

600 MW直接空冷機組背壓修正曲線及經濟運行背壓研究

張學海

(華能銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

為研究600 MW直接空冷機組的經濟運行背壓，采用等效熱降法計算了變工況下的阻塞背壓并得出了不同負荷下的背壓修正曲線，采用汽輪機的凈功率增量法計算得出了不同負荷、不同環境溫度下空冷風機經濟運行頻率曲線并擬合了公式，可為同類型直接空冷機組的經濟運行提供參考。

直接空冷機組；阻塞背壓；背壓修正曲線；等效熱降法；經濟運行頻率

0 引言

直接空冷機組具有散熱器面積龐大、風機采用變頻調速方式且數量眾多、空冷系統環境因素敏感性強(主要為環境溫度)、機組負荷變化頻繁、運行控制復雜等特性，在機組負荷和環境溫度一定時，存在一個最佳的空冷風機運行頻率。對于已經投運的直接空冷機組，如何在盡可能減少風機出力的同時增加機組的出力，獲得大型空冷機組在不同運行負荷、不同環境溫度下的最優空冷島風機運行方式，提高直接空冷機組運行的經濟性，成為亟須解決的問題。

1 機組概況

某電廠2×600 MW亞臨界直接空冷燃煤發電機組汽輪機為東方汽輪機廠設計制造的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。主機直接空冷系統由哈爾濱空調股份有限公司負責設計及供貨。汽輪機采用專用的空冷661末級葉片，葉高為661 mm，排汽面積為4.85 m2，設計背壓為13.5 kPa。當主蒸汽流量為2 017 t/h時，汽輪機廠提供的阻塞背壓為5.93 kPa。

直接空冷機組在冬季較低環境溫度下運行時，在滿足防凍要求的前提下，為了提高機組的經濟性，應保持較低的背壓運行。但通過總結近幾年的運行情況看，在環境溫度較低且機組滿負荷運行時，將空冷機組背壓降至8.5 kPa以下，空冷風機頻率大幅度升高直至滿頻率運行，但此時機組的功率沒有增加。該現象嚴重困擾著專業技術人員，無法提出有效及合理的理論依據來解釋。該現象說明該汽輪機背壓尚未降至汽輪機廠提供的阻塞背壓時，已出現了“阻塞背壓”現象，即汽輪機背壓降到一定數值時，再降低背壓，汽輪機功率已不再增加。

另外，汽輪機廠給電廠提供的背壓修正曲線一般為通用曲線，它是汽輪機制造廠在特定工況下模擬設計條件逐級變工況計算得到的，給定的修正曲線通常有限，也沒有各負荷下的背壓修正曲線，在研究空冷經濟運行背壓時存在很大的困擾。

該廠2臺機組的運行背壓設定參考值是在某一特定環境溫度、機組負荷及廠用電率的情況下得出的，是依據歷年運行經驗或借助相關論文所取得的成果，沒有相關理論支撐，存在一定的盲目性。

2 背壓修正曲線的計算

目前，工程上在確定背壓變化對汽輪發電機組電功率的影響時通常采用以下幾種方法：熱力學方法、回熱系統熱平衡法、汽輪機原理方法和等效熱降法。曹麗華等人[1]用4種方法計算了背壓變化對汽輪機發電機組電功率的影響，并對計算結果進行比較和分析。熱力學方法和汽輪機原理方法計算結果誤差較大，不能滿足工程計算與分析的精度要求；回熱系統熱平衡法雖然計算精度較高，但涉及的變量太多，計算過于繁瑣，而等效熱降法是一種既便捷又準確的計算方法。

2.1 空冷機組阻塞背壓的概念[2]

當汽輪機背壓降低到一定數值時，再降低背壓，汽輪機功率已不再增加，汽輪機末級葉柵發生“阻塞”，即蒸汽在葉柵的斜切部分之外膨脹，末級焓降不再增加；再降低汽輪機背壓，汽輪機功率不再增加，反而由于背壓降低，凝結水溫度下降，最末級低壓加熱器的抽汽量增大，又使末級功率減小，此時汽輪機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熱力循環的角度來理解。當背壓降低時，汽輪機的理想循環熱效率提高，但最末級的余速損失增大，汽輪機相對內效率降低。在背壓降低的初始階段，理想循環熱效率的升高起主要作用，故隨著背壓的降低，汽輪機電功率增大；但當背壓降到一定程度時，汽輪機相對內效率降低起主要作用，實際循環熱效率開始降低。汽輪機實際循環熱效率開始降低時的背壓稱為阻塞背壓。

2.2 等效熱降法計算方法

等效熱降法是在回熱系統熱平衡方法基礎上發展起來的熱力系統定量分析方法[3]。當背壓變化時，其對汽輪機發電機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。

二是凝結水溫度的改變引起最末級回熱抽汽量改變，從而影響了做功量的改變

(2)

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

(3)

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

因抽汽壓力不變，則末級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加熱器抽汽的放熱量Q11=Q1=h1-hs1(hs1為最末級加熱器的疏水焓，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)

汽輪機裝置效率的相對變化為

(5)

式中：h為新蒸汽等效焓降。

等效熱降法需進一步計算的參數有：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算[4]

對于再熱機組，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為各級抽汽焓值，kJ/kg ；αi為各級抽汽份額；∑為門桿漏汽、軸封漏汽、給水泵功損等的代數和，kJ/kg。

依據廠家提供的熱平衡圖，計算出不同工況下的新蒸汽等效熱降值。

2.2.2 低壓缸排汽焓的計算[5]

在機組新蒸汽流量一定的條件下，機組背壓變化時，可以認為機組中間各壓力級的效率不變，機組做功能力僅作用于低壓缸部分。當背壓由pc降至pc′ 時，可認為背壓變化時低壓缸對膨脹線終點的效率保持不變，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焓可以按下式進行計算

(7)

式中：hjq為低壓缸進汽焓值，kJ/kg ；Δhjr′為變工況后的低壓缸絕熱焓降，kJ/kg ；ηelep為低壓缸設計效率，%。

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)求出低壓缸末級葉片軸向排汽速度，依據汽輪機廠家提供的排汽損失曲線查出 。

2.3 阻塞背壓計算結果及背壓修正曲線

汽輪機的設計背壓為13.5 kPa,在汽輪機的排汽背壓為5～30 kPa的范圍內進行變工況計算，當汽輪機裝置效率的相對變化值最大時，對應的背壓即為阻塞背壓。采用這種方法，計算機組在600，510，450，360，300 MW負荷下的阻塞背壓及汽輪機裝置效率的相對變化值，得出阻塞背壓計算結果(見表1)、機組不同負荷下的背壓修正曲線(如圖2所示)。

表1 600 MW直接空冷機組阻塞背壓計算值

圖2 機組不同負荷下的背壓修正曲線

從表1可以看出，阻塞背壓的計算結果與汽輪機廠提供的阻塞背壓設計值5.93 kPa有較大的差距。楊海生在國產660 MW超臨界直接空冷汽輪機開展了阻塞背壓測試工作，實際測試得到的100%負荷下的空冷機組阻塞背壓為8.5 kPa，與廠家提供的數據(7.4 kPa)有較大差別[6]。

3 直接空冷機組經濟運行背壓的計算

3.1 空冷凝汽器能量平衡方程與傳熱速率方程[6]

汽輪機排汽放熱量方程為

(12)

式中：qmn為汽輪機排汽量，kg/s；hn為汽輪機排汽焓(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，W/(m2·℃)；A1為空冷凝汽器換熱面積，m2； Δtm為對數平均溫差，℃。

由式(12)、式(13)求解出Δtm。

根據空冷凝汽器傳熱過程的特點，對數平均溫差為

(14)

式中：tn為水蒸氣的飽和溫度，℃；ta1為環境空氣進入空冷凝汽器的溫度，℃；ta2為環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進行變工況計算，即ta1分別為-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃；由式(14)求解出環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)求解出空冷風機實際空氣流量qma。

根據空冷風機相似定律，可得出空冷風機功耗

(16)

式中：Pa為空冷風機功耗，kW；Pad為空冷風機設計功耗，kW；ρa為空氣密度，kg/m3；ρad為空冷風機設計工況下的空氣密度，kg/m3；qmad為空冷風機設計工況下的空氣流量，kg/s。

由式(16)求解出變工況下空冷風機功耗Pa。

根據空冷風機相似定律，可得出空冷風機頻率

(17)

3.2 汽輪機的凈功率增量

汽輪機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組發電功率增量，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。在最佳風機運行工況，即Pnet達到最大值時，風機運行頻率f為最佳風機運行頻率，背壓為機組經濟運行背壓。

3.3 直接空冷機組經濟運行背壓及空冷風機經濟運行頻率

依據汽輪機廠提供的熱平衡圖，分別按照上文所述的計算方法，求解出機組負荷為600，510，450，360，300 MW，環境溫度為-15，-10，-5，0，5，10，15，20，25，30，35 ℃工況下的經濟運行背壓及對應的空冷風機經濟運行頻率,其他負荷工況進行線性插值。不同負荷、不同環境溫度下機組經濟運行背壓曲線如圖3所示、空冷風機經濟運行頻率曲線如圖4所示。

圖3 不同負荷、不同環境溫度下機組經濟運行背壓曲線

圖4 不同負荷、不同環境溫度下空冷風機經濟運行頻率曲線

從圖3可以得出以下規律。

(1)當環境溫度低于5 ℃時，各負荷工況的經濟運行背壓與阻塞背壓一致。

(2)當環境溫度低于10 ℃時，環境溫度對經濟運行背壓的影響不明顯，若要實現空冷機組的經濟運行，必須盡可能降低空冷運行背壓。

(3)當環境溫度溫度高于10 ℃時，環境溫度對經濟運行背壓的影響十分明顯，環境溫度越高，經濟運行背壓的上升幅度越大。

從圖4可以得出以下規律。

(1)當環境溫度高于10 ℃時，600 MW負荷工況時的空冷風機經濟運行頻率已至滿頻50 Hz。

(2)當環境溫度高于15 ℃時，510～600 MW負荷工況的空冷風機經濟運行頻率已至滿頻50 Hz。

(3)當環境溫度高于20 ℃時，各個負荷工況的空冷風機經濟運行頻率已至滿頻50 Hz。

(4)空冷風機的經濟運行區間段為環境溫度為0～20 ℃，當環境溫度低于0 ℃時，需考慮空冷島的防凍問題。

3.4 不同負荷、不同環境溫度下空冷風機經濟運行頻率曲線擬合公式

將不同負荷、不同環境溫度下對應的空冷風機經濟運行頻率的結果擬合成公式(見表2)，編寫進機組分散控制系統(DCS)控制邏輯中，使空冷系統自動經濟運行。

表2 空冷風機經濟運行頻率曲線擬合公式

注：y為最佳空冷風機運行頻率；x為環境溫度；y的最高限值為50 Hz，最低限值為15 Hz。

4 結論

(1)通過理論計算得出各負荷工況下直接空冷機組的阻塞背壓值，與汽輪機廠提供的阻塞背壓有較大的差距，計算結果合理地解釋了“在機組背壓尚未達到汽輪機廠提供的阻塞背壓值，已出現阻塞背壓的現象”，為指導電廠經濟運行提供了參考，也為開展直接空冷機組經濟運行背壓的研究提供了理論依據。

(2)通過理論計算得出600 MW直接空冷機組不同負荷下的背壓修正曲線。

(3)將不同負荷、不同環境溫度下空冷風機經濟運行頻率曲線擬合為公式，為指導電廠運行、提高機組運行的經濟性提供詳盡及可供借鑒的數據。

[1]曹麗華，金建國，李勇.背壓變化對汽輪發電機組電功率影響的計算方法研究[J].汽輪機技術，2006，48(1)：11-13.

[2]冉景煜.熱力發電廠[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]李秀云，嚴俊杰，林萬超.用等效熱降法確定排汽壓力變化對機組經濟性的影響[J].熱能動力工程，1999，14(5)：353-355.

[4]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994.

[5]石紅暉，曹蓉秀，盧家勇.基于局部熱平衡的直冷機組背壓修正曲線計算[J].熱力透平，2014，43(4)：291-293.

[6]楊海生.直接空冷機組空冷島運行優化的研究[D].保定：華北電力大學，2010.

(本文責編：劉芳)

2017-02-09；

2017-02-24

TK 262

A

1674-1951(2017)03-0001-04

張學海(1985—)，男，寧夏中衛人，工程師，從事汽輪機技術管理工作(E-mail:249532536@qq.com)。