秦山三廠夏季汽輪機功率下降原因分析

李青杉

【摘 要】本文定位在秦山三廠現存的夏季汽輪機輸出功率降低的問題，通過基本理論分析，得出汽輪機輸出功率降低的根本原因，并對此展開討論，通過各種公式分析與推導，最終確定可行的提高凝汽器真空，增加汽輪機輸出功率的理論依據。并針對如何實施提出建議。

【關鍵詞】輸出功率;凝汽器真空;循環冷卻水流量

中圖分類號： TK264.11文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0205-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.078

【Abstract】The author loacte the problem of the turbine output power reduction in the summer at Qinshan No.3 plant.Through the basic theoretical analysis，the reasons for the decrease of turbine output power are obtained.Finally， the theoretical basis and method for improving condenser vacuum and increasing turbine output power is determined.

【Key words】Output power;Condenser vacuum;Circulating cooling water flow

1 三廠汽輪機輸出功率問題

秦山三廠兩臺機組是凝汽式汽輪發電機組，裝機容量為2×728MW，年發電量超過100億千瓦時。目前三廠的汽輪機的實際輸出電功率只有在冬季時才能達到額定的728MW，而在夏季高溫時期，實際輸出電功率只有680MW。輸出功率的波動造成了整個機組裝機容量的下降，且對于完成年度發電任務造成極大壓力。

機組的功率輸出為何有如此大的波動？需要通過什么手段才能增加機組的輸出功率，爭取超額完成發電任務？這就是本文討論問題的所在。

2 凝汽式汽輪機做功原理與凝汽器的功能簡介

2.1 凝汽式汽輪機的做功原理（朗肯循環）

實際工作中的蒸汽動力裝置其內部的蒸汽動力循環過程都是以朗肯循環為基礎的。朗肯循環明確的描述了蒸汽動力裝置中蒸汽在各階段的狀態變化，以及能量轉換的過程：

朗肯循環的工作流程：

3-4-5-1水在蒸汽發生器中定壓預熱、汽化并過熱，變成過熱蒸汽;

1-2過熱水蒸汽在汽輪機內的定熵膨脹過程;

2-3濕蒸汽在凝汽器內的定壓定溫冷卻凝結放熱過程;

3-3凝結水在水泵中定熵壓縮過程。

循環熱效率的計算如下式：

在電廠中汽輪機的循環熱效率一般最高只能達到40%左右。

2.2 凝汽器系統功能與組成

朗肯循環中乏蒸汽的定壓凝結過程對應在秦山三廠中，就是乏蒸汽在凝汽器中的釋熱冷凝過程。秦三廠凝汽器是一個用海水冷卻、雙外殼單流程裝置，屬于表面式熱交換。殼側流過的是汽輪機低壓缸排汽，管側為海水。其功能是將汽輪機排出的乏蒸汽凝結成水，供給凝結水系統;并為汽輪機提供一個較低的背壓，以提高機組的熱循環效率。為保持凝氣器真空狀態，還配備了抽真空系統，用于抽出漏入冷凝器中的空氣等不凝結氣體，以達到最大的循環效率。

3 三廠機組輸出功率波動原因分析

三廠汽輪發電機組輸出功率在冬季時能夠達到額定功率728MW，而夏季僅有680MW，輸出功率相差近40MW，是什么原因造成如此大的功率差異？經分析，造成如此大差異的原因主要是夏季時，凝氣器真空降低，在全部投運抽真空泵的情況下最低仍接近9kpa左右，無法達到設計值4.9kpa。而造成凝氣器真空降低的原因，就要從三廠的循環冷卻水水源來分析了。

秦山三廠冷凝器用于冷卻乏蒸汽的循環水是取自杭州灣的海水，凝汽器中的真空維持主要靠乏蒸汽被循環水冷卻后的體積驟減，但杭州灣海水溫度在一年中的變化極大，冬季最低時為6度，而在夏季時最高可達到32度，如此大的溫度變化對凝氣器真空的影響可以通過下面公式2來表示：

公式2中凝氣器壓力下對應的乏蒸汽的飽和溫度ts等于循環水入口溫度tw1與循環水在凝汽器中的溫升？駐t、凝汽器端差？啄t這三項之和，當海水溫度升高時，凝汽器中的乏蒸汽飽和溫度ts將升高，因為水蒸氣的飽和溫度與飽和壓力是一一對應關系，所以凝汽器內的壓力也將升高。凝汽器壓力的升高即朗肯循環中背壓P2的升高，將直接導致循環溫差減小，循環熱效率降低。這在三廠的實際運行中也得到了驗證。

在冬季海水溫度為6℃時，凝汽器真空達到4kpa，此時汽輪機的電功率輸出在728MW，而在夏季海水溫度為32℃時，凝汽器真空達到9kpa，此時汽輪機的電功率輸出只有680MW。由此得出結論如下：海水溫度的升高，導致冬夏汽輪機的功率輸出相差近40MW。

4 提高汽輪機輸出功率的措施分析

面對如此大的功率降低，要如何才能提高汽輪機的輸出功率呢？通過朗肯循環與熱效率計算公式1可知，在耗能不變的前提下提高汽機的輸出功率需要提高汽機的熱效率，而提高汽機熱效率的方法有如下幾種：

4.1 提高新蒸汽的初溫T1

優點：提高新蒸汽的初溫，增加循環的高溫加熱段，使循環溫差增大，熱效率提高，同時還提高乏蒸汽的干度，有利于汽輪機的安全運行。

缺點：1）在新蒸汽壓力不變的情況下，提高新蒸汽初溫，需要從反應堆一回路獲得更多的熱量，要求提高反應堆一回路冷卻劑的溫度和壓力。而在反應堆設計完成后，一回路冷卻水溫度壓力已成定值，無法改變。

2）提高新蒸汽溫度受到蒸汽發生器材料耐熱性能的限制。

3）改變蒸汽參數導致的設備變更成本過高

結論：這一措施對于三廠不可取。

4.2 提高新蒸汽的初壓P1

優點：提高新蒸汽的初壓，則循環的平均溫差增大，循環熱效率提高。

缺點：1）提高新蒸汽的壓力，需要從一回路獲得更多的熱量，要求提高一回路冷卻劑的溫度和壓力。但在反應堆設計完成后，一回路冷卻水溫度壓力已成定值，無法改變。

2）提高新蒸汽壓力受到蒸汽發生器材料強度和反應堆安全要求的限制。

3）新蒸汽初壓提高的同時，乏汽的干度降低，將引起汽輪機最后幾級葉片的侵蝕，縮短汽輪機使用壽命。

4）改變蒸汽參數導致的設備變更成本過高。

結論：這一措施對于三廠不可取

4.3 降低背壓P2

優點：降低背壓，即降低凝汽器壓力，使循環溫差增大，提高循環熱效率。

缺點：凝汽器壓力的降低導致，乏蒸汽干度下降，汽輪機低壓缸最后幾級葉片將受到侵蝕，影響汽輪機使用壽命。

結論：對于乏蒸汽干度下降的問題，可通過改變汽輪機最后幾級葉片的材質，如使用硬質合金，加強汽輪機內疏水，減少乏蒸汽內夾帶水分的方式來減少侵蝕。因此這一措施可以嘗試。

5 提高凝汽器真空的理論依據

經過上面的分析可知，對于三廠夏季汽輪機輸出功率下降的問題，解決措施就是要提高凝汽器真空，從而增加汽輪機循環熱效率。

凝汽器真空的建立主要靠：第一、乏蒸汽到進入凝汽器冷凝成凝結水的體積驟減，第二、抽真空系統連續抽出凝汽器中的不凝結氣體。由于以上兩者中前者是影響凝汽器真空的主要因素，且現實中夏季，啟動第二臺維持真空泵運行對凝汽器真空貢獻不大，還會導致大量未凝結乏蒸汽被抽出，所以下面將集中探討如何通過第一方面來改善凝汽器真空。

5.1 冷卻水流量與端差、溫升的關系分析

凝汽器中乏蒸汽與循環冷卻水之間的熱量交換可以通過下式來表示：

由公式3可知，當乏蒸汽流量等均為定值時，循環冷卻水流量Dw與循環冷卻水溫升？駐t成反比。即如果加大冷卻水流量，則冷卻水溫升將減小。根據公式2可知冷卻水溫升？駐t減小，會促使ts向減小的方向發展。但冷卻水同樣會影響到凝汽器端差？啄t，且？啄t與冷卻水流量Dw成正比關系，即隨著冷卻水流量增大，？啄t呈增大趨勢。如何才能平衡冷卻水溫升？駐t與端差？啄t的關系從而達到降低飽和溫度ts成為關鍵問題。

根據公式4對三者關系進行定性分析，已知三廠凝汽器傳熱管為鈦管，其導熱系數k=16.7w/mk，整個凝汽器39688根傳熱管總換熱面積55000㎡，循環水流量為130104m3/h，循環冷卻水的定壓比熱容在溫升范圍內變化較小，可取4.2kj/kg℃，將對應數據代入公式4內，得出？啄t≈1/4？駐t，從而可知冷卻水流量增加對？駐t減少的影響要大于對？啄t增加的影響。

已知：a、在凝汽器設計中一般對端差的大小都是有一定要求的，一般選取在3～10℃之間，對單流程的可取偏大值，三廠凝汽器為單流程設備，而在夏季時，三廠凝汽器端差僅有約3℃，（海水出口溫度約40℃，凝汽器壓力對應飽和溫度ts約為43℃）。

b、冷卻水溫升？駐t，在夏季時約為8℃，（海水進口溫度最高32℃，出口溫度最高40℃），由上面的分析可知，？駐t與？啄t均有可調節的空間，再聯系公式2可得出這樣的結論：冷卻水流量Dw增加將導致ts減小，提高凝汽器真空。

5.2 Dittus-boelter公式的論證

由公式可知，在管道尺寸不變，冷卻水物性參數不變的情況下，冷卻水流量增加時，Re受到流速的影響會增大，而Pr只與冷卻水物性相關，不發生變化，因此管道中的對流換熱，在流體流速增加時，會隨著對流換熱系數h的增大而增強，進而有效地降低凝汽器真空。

5.3 結論

根據以上的推論，在三廠夏季海水溫度高時，凝汽器真空低時，可以通過增加循環冷卻水流量，來提高凝汽器真空，提升熱效率，進而提高汽輪機輸出功率。

6 提高凝汽器真空的現實措施

由上面分析可知，增加循環水流量可有效提高凝汽器真空，但具體要如何實施，才能最有利的增加電廠功率輸出呢？

在三廠，凝汽器循環水由兩臺循環水泵提供，每臺泵容量為50%，功率3043kW，電機額定轉速990rpm，泵轉速175rpm，每臺泵額定流量65048m3/h，設計揚程12.7m。

葉片式水泵屬平方轉矩型負載，即其軸上需要提供的轉矩與轉速的二次方成正比。水泵在滿足三個相似條件（幾何相似、運動相似和動力相似）的情況下遵循相似定律。對于同一臺水泵，當輸送流體的密度不變僅轉速改變時，其性能參數的變化遵循比例定律，即流量與轉速的一次方成正比;壓頭（揚程）與轉速的二次方成正比;軸功率則與轉速的三次方成正比。

升高循環水泵轉速將會提高循環水流量，具體方式可以考慮使用高壓變頻調速器，根據工藝或外界條件的變化來調節變頻器的頻率，以達到調速目的。但轉速提高將不可避免的加大了循環水泵耗能，因此要比較通過增大冷卻水量提高真空付出的代價（泵功增加）和得到的收益（汽輪機功率增加）。從而得出最有利真空。

綜上所述，是對秦山三廠目前夏季凝氣器壓力低導致汽輪機輸出功率低于設計值這一現象的一些分析與建議，目的是為了能夠在夏季通過一些措施，改善凝汽器真空以提高汽機輸出功率，從而增加三廠的發電量，減輕年度發電計劃的壓力，提高電廠運行的經濟性。

【參考文獻】

[1]98-42100-DM-400 ?Main Condensing System.

[2]沈維道、童鈞耕《工程熱力學》高等教育出版社2007.6.

[3]郝老迷《核反應堆熱工水力學》原子能出版社2010.12.