引風機驅動汽輪機排汽壓力高原因分析

張家寬， 張友輝， 程東濤

(1. 華能汕頭海門發電有限責任公司，廣東汕頭 515132； 2. 華能太倉發電有限責任公司，江蘇太倉 215424； 3. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

引風機是火力發電機組的重要輔助設備，傳統引風機主要由電動機驅動，其耗電量大；在機組中低負荷工況引風機降速運行時理論上可以降低機組能耗。隨著機組負荷率降低，以及降低機組廠用電率、提高機組供電能力的需求增大，部分600 MW等級及以上機組進行了將引風機由電動機驅動改為汽輪機驅動[1-2]的改造，該汽輪機稱為引風機驅動汽輪機，部分新建機組在設計選型階段直接按汽輪機驅動設計。引風機驅動汽輪機的冷端系統一般設計獨立凝汽器和抽真空系統，在實際運行中經常出現引風機驅動汽輪機排汽壓力高的問題，會增大引風機驅動汽輪機進汽流量、增大機組能耗，在夏季嚴重時會由于影響引風機出力從而導致機組無法帶滿負荷運行，影響機組運行經濟性[3-4]。引風機驅動汽輪機與給水泵驅動汽輪機較類似，其設計制造經驗較成熟，而引風機驅動汽輪機冷端系統的設計和運行維護經驗均相對較少。

筆者結合實際案例，對引風機驅動汽輪機機組存在的問題進行原因分析并提出改進建議。

1 引風機驅動汽輪機排汽壓力影響因素

引風機驅動汽輪機排汽壓力(即凝汽器壓力)由引風機驅動汽輪機冷端系統的工作狀態[5-6]決定。凝汽器壓力對應飽和溫度的計算公式為：

ts=tw1+Δtc+δtc

(1)

式中：ts為凝汽器壓力對應飽和溫度，℃；tw1為凝汽器冷卻水進口溫度，℃；Δtc為凝汽器冷卻水溫升，K，Q為凝汽器熱負荷，W；qm為凝汽器冷卻水質量流量，kg/s，cp為冷卻水比定壓熱容，J/(kg·K)；δtc為凝汽器傳熱端差，K。

凝汽器傳熱端差由凝汽器傳熱性能決定，在凝汽器冷卻面積、冷卻水溫度和冷卻水流量已定的情況下，凝汽器傳熱端差主要受凝汽器運行清潔系數和凝汽器內空氣聚積程度的影響。凝汽器內空氣聚積程度可結合真空嚴密性試驗及抽空氣系統運行狀態進行定性和定量判定。

在進行實際案例分析時，可根據運行參數進行凝汽器運行性能計算，通過對凝汽器設計參數、設計性能的對比分析和修正計算[7]，進行各影響因素的定量分析計算，進而查找出影響引風機驅動汽輪機排汽壓力升高的主要問題，并針對性地提出改進建議。

2 實際案例

某電廠1 000 MW機組引風機由汽輪機驅動，該機組在建成投產后就出現引風機驅動汽輪機排汽壓力相對偏高的問題，在夏季運行工況受引風機出力影響導致機組不能帶滿負荷。

2.1 設備概況

該機組配置2臺50%容量汽動引風機，引風機驅動汽輪機為單軸、反動、純凝式，可以變參數、變功率、變轉速運行，進汽汽源為機組四段抽汽，2臺引風機驅動汽輪機各設置1臺凝汽器，凝汽器冷卻水取自主機冷卻水系統，主機冷卻水為海水冷卻開式循環冷卻水。引風機驅動汽輪機及凝汽器技術規范分別見表1和表2。

表1 引風機驅動汽輪機設計技術規范

表2 凝汽器設計技術規范

該機組建成投產后就出現引風機驅動汽輪機排汽壓力相對偏高的問題，引風機驅動汽輪機進汽流量一直偏大，引風機驅動汽輪機耗汽量偏大，影響機組經濟運行。機組在夏季運行時，當循環冷卻水溫度接近30 ℃時，引風機驅動汽輪機排汽壓力達20 kPa以上，嚴重偏離了設計值，此時引風機驅動汽輪機出力也大幅下降，直接影響引風機出力，進而導致機組不能帶滿負荷。

2.2 性能試驗

針對該機組引風機驅動汽輪機排汽壓力高的問題，前期進行了大量的分析工作，通過引風機驅動汽輪機性能試驗基本排除了引風機驅動汽輪機自身性能差的問題，導致其排汽壓力高的原因基本鎖定在引風機驅動汽輪機冷端系統方面。

該機組2臺引風機系統工作狀態接近，以A引風機系統為例進行分析。A引風機驅動汽輪機冷端系統性能試驗結果見表3。

表3 A引風機驅動汽輪機冷端系統性能試驗結果

由表3可以看出：將引風機驅動汽輪機冷端系統性能試驗結果與原設計參數相比，引風機驅動汽輪機排汽壓力偏高，冷卻水流量偏低、冷卻水溫升偏高、凝汽器傳熱端差偏高、運行清潔系數偏低，且各參數偏離幅度均相對較大。

2.3 原因分析

在引風機驅動汽輪機冷端系統性能試驗的基礎上，將凝汽器冷卻水體積流量和運行清潔系數分別修正到設計值，即3 038 m3/h和0.85，得出冷卻水流量和運行清潔系數對冷端系統性能修正后的結果(見表4)。

表4 引風機驅動汽輪機冷端系統性能修正結果

根據引風機驅動汽輪機冷端系統性能試驗結果和修正計算結果，按照引風機驅動汽輪機排汽壓力影響因素定性分析方法，初步可判斷凝汽器冷卻水溫升偏高和運行清潔系數偏低是引風機驅動汽輪機排汽壓力偏高的直接原因，而運行清潔系數又是凝汽器傳熱性能的綜合反映。

需要說明的是，由于冷卻水流量和運行清潔系數均與其設計值偏差較大，在一個因素與設計值偏差較大的基礎上對另外一個影響因素單獨進行修正，得出的修正量相對偏大；冷卻水流量和運行清潔系數分別單獨修正后兩者對凝汽器壓力的影響總和大于兩者同時修正對凝汽器壓力的影響。修正方式引起的修正量偏差不影響分析結果。

對導致引風機驅動汽輪機排汽壓力偏高的直接原因進行進一步分析。

(1) 凝汽器冷卻水溫升偏高。

凝汽器冷卻水溫升偏高的主要原因為凝汽器冷卻水流量偏小，通過試驗調整主機循環水系統運行方式，引風機驅動汽輪機的凝汽器冷卻水流量均比設計值偏低較多。根據冷端系統性能修正結果可以看出，不同負荷工況下影響凝汽器壓力升高8.6～12.8 kPa，冷卻水流量偏低是引風機驅動汽輪機排汽壓力高的主要原因。

進一步分析可以發現，引風機驅動汽輪機的凝汽器冷卻水取自主機循環冷卻水，而該機組循環冷卻水為海水冷卻開式循環冷卻水系統，該類型冷卻水系統本身就存在循環水壓力相對較低的特點。從設備現場布置來看，主機循環水泵及取水、供水系統靠近汽輪機側，而引風機及其驅動汽輪機和凝汽器在鍋爐側，冷卻水管線較長、沿程阻力損失大。如果在機組設計階段未充分考慮主機循環水和引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水系統的水力平衡，將很容易出現引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水流量偏低的問題。

(2) 凝汽器傳熱性能差。

根據冷端系統性能修正結果可以看出，不同負荷工況下凝汽器傳熱性能差影響凝汽器壓力升高7.6～12.3 kPa，凝汽器傳熱性能差也是造成驅動汽輪機排汽壓力高的一個主要原因。

造成凝汽器傳熱性能差的原因主要是凝汽器冷卻管臟污和凝汽器內空氣聚積。由于該機組為新建機組，結合已經進行的檢修維護工作，基本可以排除凝汽器冷卻管臟污的問題，初步判斷凝汽器傳熱性能差的原因為凝汽器內空氣聚積嚴重。

通過調整真空泵運行臺數可以發現，隨著真空泵運行臺數增多，凝汽器壓力相對降低，同時真空泵存在工作液溫度偏高現象，說明存在真空泵抽吸能力相對不足的問題。測試發現真空泵換熱器傳熱端差約20 K，嚴重高于正常值。進一步檢查發現，真空泵換熱器冷卻水設計質量流量為10 t/h，但實測冷卻水質量流量約為3 t/h。

由于真空泵冷卻水取自引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水，根據以上分析，凝汽器冷卻水本身就存在流量相對偏低的問題，同時由于整個循環冷卻水系統壓力相對偏低、引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水又存在沿程阻力大的問題，導致引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水在凝汽器進水處更是存在壓力偏低的問題，導致真空泵冷卻水流量偏低，同時真空泵冷卻水管道偏細，進一步造成真空泵冷卻水流量偏小，抽吸能力不足。

3 改進建議

根據引風機驅動汽輪機排汽壓力高原因分析結果，結合機組實際情況，針對冷卻水流量不足的問題，建議增設管道泵，以提高引風機驅動汽輪機凝汽器冷卻水流量。同時，在以后的設計選型或改造時，應充分考慮冷卻水管道沿程阻力和整個冷卻水系統的水力平衡問題，保障冷卻水流量達到設計值。

針對真空泵抽吸能力不足引起的凝汽器內空氣聚積、傳熱性能變差的問題，從理論上分析增大凝汽器冷卻水流量可以緩解真空泵冷卻水流量不足的問題，但由于所配置真空泵本身存在冷卻水管道偏細的問題，建議對真空泵冷卻水系統進行改造，對冷卻水管道進行擴容，根據擴容后運行效果考慮是否對換熱器進行改造。

4 結語

汽動引風機相對電動引風機具有降低機組廠用電率、在機組中低負荷工況可相對節能的優勢，但是汽動引風機系統復雜，如果不能做好設計選型和運行維護工作，容易引起汽動引風機系統運行性能、工作狀態變差，不僅影響機組運行經濟性，還可能會影響機組帶負荷能力。

通過引風機驅動汽輪機排汽壓力影響因素定性和定量分析，查找出冷卻水流量偏小和真空泵抽吸能力不足是引風機驅動汽輪機排汽壓力高的主要原因，為引風機驅動汽輪機機組工作狀態分析提供了分析思路和方法，可為同類型機組設計選型及改造方案制定提供參考，避免類似問題再次發生。