汽輪機設計背壓優選對火電廠節能降造的影響分析

龍國慶

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

汽輪機排汽壓力也稱背壓，是指汽輪機末級葉片后的絕對壓力；凝汽器壓力是指凝汽器殼體內第一排冷卻管上方300 mm的蒸汽通道處所維持的絕對靜壓力。保持汽輪機的最佳背壓是電廠節能的有效措施之一，所謂汽輪機的最佳背壓是指凈功率為最大時的背壓，即降低背壓所增加的汽輪機功率與冷端系統運行的消耗功率之差為最大值，在經濟上收益最大。汽輪機設計背壓的優選是汽輪機及冷端設備選型的基礎，如何根據設計背壓和冷端條件匹配最佳的機組運行背壓變化曲線，將直接關系到機組的經濟運行。

2 汽輪機冷端參數

汽輪機的凝汽系統就是作功后的泛汽進入凝汽器汽室，然后用大量的循環冷卻水進入凝汽器水室，通過熱交換使得汽輪機排汽冷凝成凝結水，并在汽輪機排汽口處建立和維持汽輪機末端的真空。根據廠址條件、機組的熱力特性和凝汽器構造及配置對水量水質的要求，就有相應的供排水設備、建(構)筑物等，這些設備和建(構)筑物構成了供水系統。從汽輪機的角度看，供水系統又稱為冷卻系統；從熱力學觀點看，凝汽器和供水系統起冷源的作用，以凝汽器為核心，內連汽輪機低壓缸，外連供水系統，構成了汽輪機的冷端。

由汽輪機熱力系統與冷端各參數的相關性可知，提高蒸汽初參數和降低汽輪機蒸汽冷端參數(背壓)是提高機組熱效率的主要途徑。當汽輪機初參數一定時，降低汽輪機蒸汽冷端參數(背壓)，可以增加汽輪機蒸汽理想焓降，減少冷源損失，提高循環的熱效率。

3 汽輪機設計背壓值優選的重要性

冷端中任何一個設備和系統參數的設計和選擇都不能撇開其它各因素而孤立地進行，但這其中最重要參數就是汽輪機的設計背壓值。

汽輪機經濟性的重要指標是它的凈熱耗率(HR)或汽耗率(SR)，即每發出1 kW·h電能所消耗的熱量或蒸汽量，統稱為熱經濟性；機組容量確定后，在額定出力的工況點，汽輪機進汽參數(額定出力時進汽的壓力和溫度，俗稱熱端參數)確定后，汽輪機的熱經濟性主要就靠冷端的背壓來反應了。

在汽輪機的設計中，機組容量確定后，汽輪機的 “設計背壓值”都對應一個“額定出力的額定熱耗(煤耗)、額定排汽量(額定汽耗)”，也就是說，“設計背壓值”確定后， “額定出力時的額定熱耗(煤耗)、額定排汽量(額定汽耗)”是一個定值(對每個汽輪機廠家而言)，機組運行中各參數的變化都在這個基礎上、在一定范圍內變化。

可以通俗的認為，“設計背壓、額定熱耗(煤耗)、額定出力、額定排汽量(額定汽耗)”其實就是機組的一個多維設計工況點，冷端優化就是在外界工程廠址條件已確定的情況下，通過優化計算，找到最佳冷端設備配置，使得機組在最佳的“機組多維工況點”運行，也就是一方面保證機組的熱耗最低、汽耗最少、出力最多；同時另一方面，最佳冷端設備的投資和運行費用最省。

對于容量確定的機組而言，設計背壓不同，機組的多維工況點就會不同，熱耗、汽耗都會不同。熱耗不同，煤耗就不同，相應的鍋爐配置、上煤除灰系統的設計也會發生變化；而汽耗不同，相應的汽機低壓缸形式、末級葉片長度、汽機配套的凝結水泵、補水泵等都發生一系列變化，就連除鹽水系統也會發生微小變化；設計背壓不同引起的機組一系列變化詳見表1、表2。

表1 同容量機組的汽輪機設計背壓變化引起的設備參數變化分析

表2 同容量機組的汽輪機設計背壓變化引起的運行費用變化分析

汽輪機設計背壓值的選擇直接關系到整個發電機組的經濟性與合理性，是“一觸而變全局”的重要參數，因此，汽輪機設計背壓優選是冷端優化的重要環節。

設計背壓低，額定熱耗基準就偏低，但冷卻設備投資、運行費用會提高；設計背壓高，額定熱耗基準就偏高，但冷卻設備投資、運行費用會降低；只有煤耗、冷端設備投資及運行費用、其它如“鍋爐輔機、汽機輔機、上煤除灰系統”的設備投資及年運行費用等綜合費用較低的背壓才是最優值。

4 設計背壓優選與冷端優化

汽輪機設計背壓優選及冷端優化不僅與低壓缸形式的設計與選擇有關，還與凝汽器、供水系統(循環水泵配置、循環水管溝及構筑物、冷卻設備)的設計與選擇有著不可分割的密切關系。

冷端優化設計的目的就是結合本工程機組運行的具體條件，通過對冷端參數(主要包括汽輪機平均背壓、凝汽器面積、循環水冷卻倍率、循環水泵配置、供排水管徑等)幾個可變參數進行不同的組合，然后進行水力、熱力及經濟計算并比較分析，得到一個滿足本工程技術經濟條件的最優設計背壓及最優的冷端設備配置方案，使得汽輪機運行在安全經濟的設計工況，而設備、構筑物的投資和系統運行費用的總和折算到年費用最小，從而使電廠總的經濟效益最佳；同時也能保證汽輪機組的最大出力，即在最高的冷卻水溫條件下，保證汽輪機的背壓不超過滿負荷運行時的最高允許值。

工程優化計算中大都采用年費用最小法，該方法把投資和生產成本兩個要素統一起來，并結合時間因素進行計算，即將各方案的基建投資考慮復利因素，換算成使用年限內，每年年末的等額償付的成本，再加上年運行費用，構成該方案的年費用；各方案中年費用最小者為經濟可取的方案。

優化計算數學模型[1]公式⑴如下：

式中：C為年總費用(萬元)；P為工程投資費(萬元)；AFCR為年固定費用率(%)(Annual Fixed Charge Rate)；Ac為與設計背壓對應的煤耗費用(萬元)；Ap為與設計背壓相關的設備年運行電費(萬元)；At為汽輪機年微增功率電費(萬元)

P·(AFCR)即為電廠與設計背壓相關的設備基建投資換算成經濟使用年限內每年年末的等額償付的成本，也可以稱為年固定分攤費用。

5 汽輪機運行背壓對節能的影響分析及對策研究

汽輪機的 “設計背壓值”都對應一個“額定出力的額定熱耗(煤耗)、額定排汽量(額定汽耗)”，機組運行中各參數的變化(包括運行背壓、煤耗、汽耗)都會在設計額定值基礎上、在一定范圍內波動，從而形成機組的設備參數特征曲線。根據機組運行背壓－煤耗曲線，在高效率范圍內，運行背壓越低，相同發電出力的熱耗就越低，但冷端運行費用會提高；運行背壓越高，相同發電出力的熱耗就偏高，但冷端行費用會降低。在任何運行工況下，保證降低背壓所增加的汽輪機功率與冷端系統運行的消耗功率之差為最大值，是節能的關鍵。

汽輪機運行背壓的經濟性是與電廠廠址的外界冷端條件(氣象條件)相關的，最佳運行背壓必須與外界冷端條件(氣象條件)相匹配。運行中，為了獲得更多的微增功率，一般盡可能保證運行背壓略約低于設計背壓，這樣同出力工況下的運行煤耗略低于設計煤耗，但低運行背壓會加大冷端系統運行費用；因此，電廠運行中充分利用廠址的外界冷端條件(氣象條件)以獲取較低的運行背壓、偏低的冷端系統運行費用是節能的目的。以南方某1000 MW燃煤機組(海水一次循環系統)為例，其不同設計背壓時的運行費用差異值見表3，從中可選擇最優的設計背壓值。

表3 某1000MW燃煤機組(海水一次循環系統)不同設計背壓時的運行費用差異值

現階段，電廠運行中做到 “運行背壓略約低于設計背壓”比較容易，但長期維持較低的冷端系統運行費用往往難以實施。較常規的簡單做法是在冬季減少循環冷卻水水泵運行臺數的擴大單元制運行方式，但節能并不徹底，比較有效的方式是循環冷卻水水泵采用變頻運行方式，將汽輪機運行背壓、發電出力與冷卻水流量進行聯鎖調節，保證以最小的冷卻水流量獲取最佳運行背壓；在燃料煤價波動、上網電價不變時，此方法還可在最大發電出力的情況下調整冷卻水流量，以保證降低背壓、降低煤耗所增加的汽輪機功率與冷端系統運行的消耗功率之差為最大值，達到最大的節能效果。由于循環冷卻水水泵一般配套高壓電機，而高壓變頻裝置的應用在國內還不多，但隨著節能要求的提高，電廠循環冷卻水泵高壓變頻的應用會逐步實施。

5 結語

汽輪機設計背壓值的選擇直接關系到整個發電機組的經濟性與合理性，是“一觸而變全局”的重要參數，而汽輪機運行背壓值也是與全廠節能、降低煤耗的重要調節參數。因此，在設計中要根據外界冷端條件(氣象條件)對汽輪機設計背壓值進行優選，在運行中也要合理調節汽輪機運行背壓、發電出力與冷卻水流量的相關參數，以做到降低背壓所增加的汽輪機功率與冷端系統運行的消耗功率之差為最大值，達到最大的節能效果。

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