空冷汽輪機設計的幾個主要問題

付志剛

摘要：空冷汽輪機設計和濕冷汽輪機設計在設計上存在著較大的差別，這是因為空冷汽輪機具有背壓壓值高、背壓波動范圍大和背壓變化頻繁等特點。本文通過闡述汽輪機設計中空冷方案與濕冷方案的差別，并且就空冷汽輪機空冷方案設計的特點進行分析，最后就空冷汽輪機設計中容易出現的幾個主要問題進行研究，旨在為大型空冷汽輪機的設計提供參考意見。

關鍵詞：空冷汽輪機設計；方案；主要問題；參考意見

引言

空冷汽輪機是當前電廠運用較多的汽輪機組，空冷汽輪機與濕冷汽輪機是由于其凝汽式汽輪機的冷卻方案不同，兩者在結構上有不少類似之處。因此在進行空冷汽輪機設計設計的時候要充分結合濕冷汽輪機的結構特點以及設計要求，制定出科學的措施去解決空冷汽輪機設計中的主要問題，優化空冷汽輪機的設計。

1.空冷方案與濕冷方案的原始差別

對于很多設計方案來說由于共同技術目標都是一致的，因而很多技術方案的大部分內容都是相同的，真正的原始差別往往只有一點而已，但是這一點就導致了技術方案之間的差距。對于汽輪機的設計方案來說，空冷方案與濕冷方案的原始差別主要集中在排熱方式上。對于空冷方案采取的是閉合散熱方式，而濕冷方案采取的則是開放散熱方式，正是因為空冷方案與濕冷方案的散熱機理不相同才導致兩種方案有著較大的差別。由于空冷汽輪機的散熱方式是通過閉合方式通過金屬管壁將熱量排放到空氣中，因此環境壓力產生的汽輪機背壓與大氣干球溫度有著直接的關系；而對于濕冷汽輪機來說，通過水循環系統與空氣之間進行直接的熱量交換，通過水的蒸發吸熱將汽輪機中的熱量排放出去，這種情況下汽輪機的背壓與濕球溫度直接相關。因此在相同的內部參數控制以及環境的影響之下，空冷汽輪機組的背壓比濕冷汽輪機組要大很多，因此帶來的能量損耗也較大。對于空冷汽輪機組沒有相應的溫度補償功能，導致其背壓變化范圍大且變化頻繁，當環境溫度以及風力發生變化的時候，空冷汽輪機組背壓也隨之發生變化；而對于濕冷汽輪機組來說其具有濕球溫度變化系統，當大氣溫度發生變化的時候，水蒸氣的蒸發量也隨之發生變化。濕冷機組背壓變化主要受季節影響，因此其背壓變化幅度也較小。

2.空冷方案的幾個特點

與濕冷方案相比，由于空冷方案采取的是閉合的散熱方式而濕冷方案采取的是開放式的散熱方式，因此空冷方案主要有以下幾個特點。

2.1節約水資源

以一臺 的濕冷汽輪機為例，每年消耗的水資源超過兩千萬噸，其中濕塔耗水約一千五百萬噸。而根據空冷方案的理論分析可知，空冷散熱過程中基本不消耗水，因此空冷方案比濕冷方案節水能力要強。

2.2成本投入高

與濕冷方案相比，空冷方案采取的是通過金屬管與空氣之間形成熱交換，進而將汽輪機內部的熱量傳遞出去。因此空冷方案前期建設的空冷塔比濕冷方案的濕冷塔要大很多，其冷卻用的金屬材料消耗也較多。空冷方案的前期投入約為濕冷塔的3-5倍。再加上其他后期配套設施的建設以及日常的冷卻系統設施維護，空冷方案成本投入高。

2.3有利于環境保護

由于空冷方案采取的是金屬管與空氣之間形成熱循環，進而將熱量傳遞出去。因此空冷方案不會產生霧團狀的氣體，因此不會產生較大的氣體污染。同時空冷方案不產生循環水富鹽污水排放，從而避免通過水循環將發電廠產生的廢氣物中的有毒有害物質散到環境中，從而起到保護環境的作用。

3.空冷汽輪機設計的幾個主要問題

3.1設計背壓與最佳末葉高度的確定

如果空冷系統配置的末級葉片長度過小，那么就會使得機組運行過程中排氣口壓力過大，降低空冷汽輪機組的工作效率；而如果空冷系統裝置的末級葉片長度過大，這不但增加了經濟成本，雖然能夠保證夏季高溫處于滿發狀態，但是同時也會增加了空冷汽輪機組的防凍難度。末級葉片在復雜的工況下運行時，會產生較大的背壓變化。尤其是在高背壓、低流速的流量狀態下運行時候，那么汽輪機的動不定性就會大大增強，動應力也會大幅增加，嚴重影響末級葉片的穩定性。因此盡管空冷汽輪機的末級葉片在理論設計上已經滿足強度等方面的要求，但是還需要根據更加苛刻的背壓要求來優化整體設計。在進行背壓與最佳末葉高度確定過程中，要根據哈蒙系統進行優化設計，對于背壓對應下的飽和溫度、大氣干球溫度以及額定流量下空冷系統初始端差進行合理分析計算。

3.2低壓軸承布置

空冷機組排汽溫度高且變化幅度大，如果采用傳統的軸承就會使得系統運行軸線發生抬高現象。再加上汽輪機背壓較高且背壓變化頻繁，這就對于空冷汽輪機低壓缸的中心軸線的穩定以及軸線的標高產生較大的影響。因此為了改善這一情況，低壓缸多采用落地式軸承來代替傳統軸承。但是低壓軸承會帶來軸向開檔尺寸變大，因此需要一端與汽缸柔性聯接，另一端與低壓軸承箱剛性聯接。

3.3背壓監視與自動保護

空冷機組末端工況變化范圍大且性質嚴重，因此需要對于汽輪機不同的運行狀態進行背壓監視與自動保護。從汽輪機末端安全運行講，應主要監視背壓

峰值，避免末葉受到的動應力過大。保證監視排汽溫度不過高，從而避免排汽端過熱。保證空冷機組末端工況在安全、滿發、經濟運行三個運行環境下能夠保持最優的運行狀態，引入背壓自動保護及負荷自動增減系統。當系統的背壓超出警戒線，就會自動調節負荷，使其返回到最優工作點。

4.結語

火力發電是當前我國主要的發電方式之一，由于我國煤資源豐富的地區基本上都處于缺水狀態。而空冷汽輪機與濕冷汽輪機相比能夠有效應對缺水以及氣候寒冷等問題，為了更好地促進空冷汽輪機的應用，因此要根據空冷汽輪機熱力、結構、強度、氣動等特點設計出高質量的設計方案，促進我國工業的快速發展。

參考文獻：

[1]白建云，邵加曉，侯鵬飛.600MW直接空冷機組背壓控制策略的設計及優化[J].電站系統工程，2011.

[2]王佩璋.國產600MW直接空冷汽輪機組設計中的一些問題[J].電力建設，2005.