汽輪機背壓與機組經濟性和安全性的分析

王雷

摘要：分析了背壓變化與機組熱經濟性的微增關系研究，并且采取對整個工況的詳細了解，從而獲得了背壓變化對機組功率變化影響的特性曲線。最后，以某電廠300MW臨界機組運行及改進后的數據比較，了解如何提高電廠汽輪發電機組的安全性經濟性。

關鍵詞：汽輪機；背壓；經濟性

1引言

火電機組的凝汽器工作的環境會經常發生變化，由于背壓偏離了設計值從而引起機組功率和熱耗的變化。在汽輪機的實際運行過程中，運行人員既要關注要著汽輪機的熱經濟性，同時又關注著汽機工作過程中的損失的能量。在分析背壓的改變對汽機運行的影響時，除了需要關注背壓改變對汽機運行是否安全和是否成本最低之外，同時還要注意到其對環境造成的破壞和消耗水量產生的變化，最終可以對背壓改變如何影響著汽機運行性能采取更加合理準確地評價。

2背壓變化對經濟性的影響

凝汽器壓力對機組熱經濟性的影響可以從以下幾個方面來考慮。由于排汽焓的變化而引起機組有效焓降的變化。因凝結水溫度的變化，引起末級低壓加熱器抽汽系數的變化，從而引起凝汽系數的變化。當軸加及末級加熱器疏水進入凝汽器熱井時，同樣會引起凝結水溫度的變化，而影響相鄰加熱器抽汽量的變化，這在計算末抽抽汽量及末抽后通流部分蒸汽做功量時必須要加以考慮。

大機組的給水泵通常是用小汽機來驅動的，一般小機排汽也進入凝汽器，主機背壓變化還會引起小機排汽壓力及排汽焓的變化。為保證小組輸出功率一定，需調整小機進汽的流量系數以補償背壓變化對其輸出功率的影響。

小機流量系數變化了，改變了汽輪機通流部分的蒸汽流量，則汽機的功率也改變了。對于進入軸封加熱器的軸封漏汽等輔助蒸汽，當軸加疏水管路接到凝汽器熱井時，由凝結水焓的變化，改變輔助汽水在熱力系統中的放熱量，進而影響與其相鄰的末級加熱器的抽汽量。

3背壓變化對安全性的影響

汽輪機背壓過高或過低時，都會對汽輪機的運行產生很大的安全影響。汽輪機存在的這個壓力，在壓力低于了一個點時，再繼續降低這個壓力的話，就不能讓汽輪機的對熱量的消耗繼續的降低了。背壓不夠高在同等的條件下就會造成能耗的增加，就不經濟了。

所謂極限真空是指低壓缸末級葉片前后差壓達到臨界壓力比時的真空，當蒸汽在汽輪機末級動葉斜切部分已達膨脹極限時，汽輪機功率不會因再提高真空而增加。進一步說，即使汽輪機末級尚未達膨脹極限，但由于隨著背壓的降低，排汽比容不斷增大，而末級排汽面積是一定的，于是末級排汽余速損失將不斷增加，當由于背壓降低而增加的有效熱降等于余速損失的增量時，這時所達到的真空稱為極限真空。極限真空主要是由汽輪機末級葉片的尺寸所決定，已經投產的機組是否能達到極限真空，則和機組負荷、冷卻水（量、溫度、壓力）、抽氣設備抽吸能力以及其他各種可能影響真空的方面考慮。運行中的汽輪機極少能達到極限真空。

背壓過低有以下的幾點危害：

（1）可能會造成汽輪機排出的氣體的濕度變大，對機組最后一級的葉片那么就會產生一種沖擊，破壞了葉片，就會對汽輪機造成整個機組的震動非常大，增加了一個軸向的力，推力瓦的溫度上升。

（2）進氣與排氣的差異增大，嚴重的時候會使汽輪機的轉子造成串動，引起動部件和靜部件之間的摩擦從而造成了機組的損壞。除此之外，還會造成機組的工作不穩定，如機組震蕩。

（3）在設計工況下，汽輪機的最后邊的一級流過的氣體通常的狀態是臨界的，背壓變小，會造成蒸汽在噴嘴斜切部位發生膨脹，最后一級的隔板前邊和后邊壓差增大，這樣就有可能使隔板負荷變大。最后一級的動葉片就會出現臨界的工況，這時動葉前邊的壓力就不會隨著背壓變小而變小，動葉后邊的壓力就會變小，使動葉前邊和它的后邊壓力的差值變得大，造成動葉的過負荷并引起軸向推力增大。蒸汽在動葉外膨脹不能產生有效功，背壓變小不能再增加汽輪機功率，這對汽輪機的安全和經濟性都是無好處的。

（4）對于低壓缸與軸承座一體設計的機組來說，真空過高有可能使低壓缸中心發生偏移，是造成機組振動的一個原因。

背壓過高也會對汽輪機造成很大的影響：排汽壓力升高，可用焓降減小，不經濟，同時使機組出力降低，必須就要增加進汽量來維持要求負荷，容易使調節級過負荷，機組軸向推力增加；排汽缸及軸承座受熱膨脹，可能引起中心變化，產生振動；排汽溫度過高可能引起凝汽器冷卻水管松弛，破壞嚴密性；可能使純沖動式汽輪機軸向推力增大；真空下降使排氣的容積流量減小，對末幾級葉片工作不利。末級要產生脫流及旋流，同時還會在葉片產生較大的激振力，有可能損壞葉片，造成事故。

4背壓變工況實例計算

以某 300MW 機組為例，THA 工況下，機組的設計背壓值為5.2kPa，對應的熱耗設計值為876.7kJ/（kW·h），當背壓偏離設計值且增加時，機組的熱耗值、熱耗率就會增加，且近似為直線關系，原因在于背壓增加會使排汽焓增加，從而降低了機組的有效比焓降。當背壓由設計值下降時，機組的熱耗值、熱耗率就會降低，原因在于背壓的降低會使得排汽焓降低，增加了機組的做功能力。大機組在設計工況下汽輪機末級動葉一般都處于臨界狀態，當背壓繼續降低時，動葉出口蒸汽速度增加，方向發生偏轉，動葉斜切部分會發生膨脹，當背壓下降到斜切部分的膨脹能力用完時，則背壓已達到極限背壓，其壓力值為 2.65kPa。當背壓下降時，因動葉斜切部分的膨脹能力已經用完，蒸汽將在斜切部分外膨脹，汽機功率不會增加，反而因凝結水溫降低，使低壓回熱抽汽量增大，全機功率減少。

背壓計算區間為 2.5～5.2～12.0kPa，當背壓偏離設計值越大，熱耗率計算值與設計值的偏差也越大。熱耗率最大誤差為 0.5263%，對應的壓力為 12.0kPa，但已完全能夠滿足工程實際應用的要求。不同工況下，背壓與熱耗的修正曲線是不同的，但其曲線形狀是相似的。圖中三種工況的背壓設計值都是相同的，當機組實際運行中當背壓偏離設計值的大小一定的前提下，負荷越小，熱耗修正率變化越大。因此對于低負荷運行的機組，就更應該密切監視凝汽器真空，確保機組的經濟運行。

5結 論

由于背壓升高會讓機組最佳的經濟性減少，過低的背壓會嚴重危害機組運行的安全。機組運行過程中，蒸汽的濕度跟著背壓的減小而升高，最后一級的葉片受到的沖蝕帶來的危害也會跟著升高，如果該數值比較嚴重可能會造成葉片損壞，給機組的安全運行帶來很大的威脅。

背壓變化對汽輪機熱經濟性有十分巨大的改變，熱力學的方法只能是一種大致的計算手段。在計算背壓改變量對汽機熱經濟性的改變的過程中必然會帶來一定的誤差。由于現在進入了計算機時代，汽機能夠使用計算機進行十分精密的熱力計算，在分析和推理背壓改變對汽機熱經濟性的改變時，可以采用精密的熱力計算的手段，能夠提高計算的準確性。背壓是基于標準值升高的，它導致機組的熱耗率以及發電所用的煤量的增加量都是正值；與它相對的是，背壓在基于標準值下降時，機組的熱耗率以及發電所用的煤量的增加量都是負值。由于背壓的升高，機組熱耗率和發電煤耗率上升。這說明機組背壓升高時機組等效焓降減少，從而使得機組的發電煤耗率增加，由熱耗率公式可得到背壓增大時，機組的熱耗量保持穩定，但機組產生的電功率會減少，因此導致機組的熱耗率也是在不斷的升高。