背壓式汽輪機運行中排汽溫度升高的原因及建議分析

文／冶學(xué)良 青海鹽湖元品化工有限責(zé)任公司 青海格爾木 816099

冶巧萍、陳美嶺 青海鹽湖工業(yè)股份有限公司 青海格爾木 816099

引言：

背壓式汽輪機在運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上是工業(yè)熱量供應(yīng)的主要設(shè)備機組系統(tǒng)，但是設(shè)備實際運行環(huán)節(jié)上，極易產(chǎn)生熱力負荷與排汽流量不相符等問題，尤其是基礎(chǔ)排汽流量過小，則會產(chǎn)生排汽溫度升高現(xiàn)狀，影響汽輪機的安全運轉(zhuǎn)。所以，本次研究開展典型機組分析，針對機組負荷率、方案設(shè)計負荷等方面開展全面探索，有效減少設(shè)備進汽溫度和排汽溫度，保證機組安全性的情況下，提升機組的經(jīng)濟性。

1、背壓式汽輪機運轉(zhuǎn)原理

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，基礎(chǔ)排氣壓力明顯大于大氣壓力的汽輪設(shè)備被稱為背壓汽輪機，其設(shè)備的基礎(chǔ)排汽可以用于供熱或者能量供給的中、低壓汽輪設(shè)備代替原始老電廠的中、低壓鍋爐設(shè)備。因此該設(shè)備又被稱為前置式汽輪機，此種現(xiàn)狀不僅可以增加原始電廠的發(fā)電能力，還可以提升原始的電廠熱經(jīng)濟性。因此供熱背壓式汽輪機在排汽壓力方案設(shè)計上，設(shè)計數(shù)值需要根據(jù)不同供熱目的所制定，而前置式汽輪設(shè)備的背壓參數(shù)一般大于5MPa。其中排汽的供熱系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中被充分利用之后應(yīng)凝結(jié)成水，隨后在由水泵設(shè)備送回至鍋爐設(shè)備作為基礎(chǔ)的給水設(shè)施。通常供熱系統(tǒng)的凝結(jié)水資源不能全部回收，需要及時補充水資源[1]。

背壓式汽輪機運行時，發(fā)電機組所產(chǎn)生的電力功率主要由熱量負荷所決定，所以設(shè)備運轉(zhuǎn)不能同時滿足熱量以及電力負荷的基礎(chǔ)需求，為此背壓式汽輪機一般不能單獨進行設(shè)備安裝，而需要與其他凝結(jié)汽體式汽輪機相互組合，并且由凝汽式汽輪機承擔(dān)應(yīng)有的電力負荷變動，滿足外界環(huán)境對于電力負荷的核心需求。

由于汽輪機的電力功率主要由中、低壓汽輪設(shè)備所需要的蒸汽數(shù)量所決定，為此需要利用調(diào)壓設(shè)備有效控制進汽量，以此有效維護排汽壓力能夠穩(wěn)定不變，其中氣壓機組則需要根據(jù)電力負荷調(diào)節(jié)本身的基礎(chǔ)進汽量，調(diào)整前置式汽輪機的排汽量。所以，在運轉(zhuǎn)過程中不能由前置汽輪設(shè)備直接根據(jù)電力負荷的大小控制進汽量。由于供熱背壓式機組基礎(chǔ)發(fā)電量所決定了熱量負荷的基礎(chǔ)大小，所以該設(shè)備主要適用于熱力負荷相對穩(wěn)定的自然環(huán)境，否則需要使用調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機。

由于背壓式汽輪機的基礎(chǔ)排汽總量以及蒸汽基礎(chǔ)含量相對較小，因此該設(shè)備與傳統(tǒng)凝汽式設(shè)備相互對比，該設(shè)備所產(chǎn)生的基礎(chǔ)蒸汽量較大，背壓式汽輪機設(shè)備裝置的熱量效率相比較凝汽式汽輪設(shè)備較高，加上該設(shè)備在運行時所通過的蒸汽總量大，因此實際運轉(zhuǎn)過程中凝汽式汽輪設(shè)備的高壓區(qū)域，背壓式汽輪機與凝汽式汽輪機的高壓參數(shù)基本上處于相同狀態(tài)，所以該設(shè)備使用過程中一般使用噴嘴式調(diào)節(jié)配氣模式，保證設(shè)備在工作狀況變動時的基礎(chǔ)效果不大，所以該設(shè)備一般使用在熱力負荷較為穩(wěn)定的環(huán)境[2]。

2、機組設(shè)備運轉(zhuǎn)優(yōu)勢

背壓汽輪機主要是指設(shè)備基礎(chǔ)排汽壓力始終大于設(shè)備外部環(huán)境的大氣壓力，其中設(shè)備排汽一般用于提供低氣壓汽輪機上，以此有效代替電廠中的低壓鍋爐設(shè)備，因此當該設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中根據(jù)其自身操作模式又被稱為前置式汽輪設(shè)備，該設(shè)備在實際運轉(zhuǎn)時不僅可以有效增加原始電廠的基礎(chǔ)發(fā)電能力，還可以從根本上增加電廠的熱量經(jīng)濟性。所以提供熱量的背壓式汽輪機在排汽壓力參數(shù)設(shè)置上需要根據(jù)供熱方向合理設(shè)定。其中前置式汽輪機所產(chǎn)生的背壓參數(shù)一般大于5MPa，加上設(shè)備實際運轉(zhuǎn)數(shù)值則需要根據(jù)初始蒸汽機組運行參數(shù)所決定，因此當設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中，排汽在供熱系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中被充分利用之后會不斷凝集成為水資源，再由水泵傳輸至鍋爐作為給水條件。

通常情況下，供熱系統(tǒng)的凝結(jié)水資源不能全部回收，需要及時補充給水資源，所以背壓式汽輪機電機組所發(fā)出的電功率主要由熱量參數(shù)負荷所決定，但是此種參數(shù)設(shè)定模式則不能滿足熱量與電能的基礎(chǔ)負荷需求。前置式汽輪機所產(chǎn)生的電功率運轉(zhuǎn)過程中主要由中、低壓汽輪設(shè)備所需要的蒸汽數(shù)量所決定，為此系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時需要充分利用調(diào)壓設(shè)備有效控制設(shè)備進汽量，以此維持設(shè)備排汽壓力不會產(chǎn)生明顯變化。而背壓式汽輪機運行過程中，低壓機組則需要根據(jù)電力負荷需求進一步調(diào)整自身進汽量，有效改變前置式汽輪設(shè)備的基礎(chǔ)排汽量。所以背壓式汽輪設(shè)備在實際運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上每個單位功率所需要的蒸汽量應(yīng)始終大于凝汽式汽輪機設(shè)備。

背壓式汽輪機在實際操作和運轉(zhuǎn)過程中，所包含的熱量大多數(shù)被用戶所使用，并不存在冷源的損失問題，因此該設(shè)備從所使用的燃料熱量系數(shù)運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀來看，背壓式汽輪設(shè)備所裝置的熱量效率相對高于傳統(tǒng)凝汽式汽輪設(shè)備。由于背壓式汽輪設(shè)備在運轉(zhuǎn)時可以通過較大的蒸汽流量，因此該設(shè)備運行之前可以直接使用較大尺寸數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)動葉片，以此保證凝汽式汽輪機設(shè)備的高壓參數(shù)較高。而在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來說，背壓式汽輪機設(shè)備與傳統(tǒng)凝汽式汽輪機設(shè)備的高壓運轉(zhuǎn)模式比較相似，其中背壓式汽輪設(shè)備一般使用噴嘴調(diào)節(jié)氣體運轉(zhuǎn)速度，確保設(shè)備在運行時其運轉(zhuǎn)效率轉(zhuǎn)變不大。

背壓式汽輪機在運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上與抽凝機組相比較，設(shè)備熱力利用率提升了30%左右，與背壓式汽輪機運轉(zhuǎn)熱量使用相同，所以可以提供至少2種不同的蒸汽參數(shù)，當抽汽壓力為1.3MPa時，蒸汽物質(zhì)能夠為尿素物質(zhì)提供各種工作狀態(tài)。另外一種則需要經(jīng)過背壓壓力為0.5MPa的蒸汽工作區(qū)域使用，由于機組的靈活性相對較高，因此設(shè)備在發(fā)電的同時還可以有效解決機組設(shè)備蒸汽供給不足等問題和不足。

3、機組生產(chǎn)工藝流程

在背壓式汽輪機運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上，主汽門內(nèi)部安裝蒸汽過濾網(wǎng)，以此有效分離蒸汽物質(zhì)中的水滴，從根本上防止雜物進入汽輪機。而背壓式汽輪機主要由主要汽門經(jīng)過三通連接，分別進入汽輪機汽室的兩側(cè)位置，而蒸汽則需要在汽輪機中的膨脹位置進行做功操作，有效抽出部分蒸汽進入工業(yè)熱力網(wǎng)絡(luò)，而另一部分設(shè)備進行蒸汽持續(xù)作用之后，排汽應(yīng)進入排汽熱網(wǎng)。

由于設(shè)備在運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上，抽汽管道上一般安裝液態(tài)壓力止回閥門，防止蒸汽物質(zhì)倒流從而影響汽輪機的安全運轉(zhuǎn)。因此當設(shè)備主要汽門關(guān)閉或者降低基礎(chǔ)負荷時，抽汽閥門連動裝置和設(shè)備同樣隨之作業(yè)，確保抽汽閥門操作區(qū)域的壓力水分能夠被有效排出，致使抽汽閥門在彈簧裝置的作用下保證設(shè)備始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

電站熱力系統(tǒng)主要由電力方案設(shè)計企業(yè)按照實際需求以及汽輪機自身情況進行方案的優(yōu)化，由于背壓式汽輪機組一般為中壓、單缸、抽汽、背壓等設(shè)備構(gòu)成，所以設(shè)備機組主要以汽輪機作為主體，以冷油器、軸封加熱器作為輔助設(shè)備，其中壓力等級葉片在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上均為我國全新研發(fā)，由于葉片造價十分低廉并且熱量運轉(zhuǎn)效率極高，因此成為了近幾年我國大力推廣的產(chǎn)品[3]。

為了保證背壓式汽輪機能夠安全和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，汽輪機生產(chǎn)企業(yè)積極引進最先進的電力液體調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且與計算機控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)共同構(gòu)成，確保系統(tǒng)控制精度和自動化水平較高，熱電負荷自整性也大為提高。

4、背壓式汽輪機溫度升高現(xiàn)狀

我國某地發(fā)電企業(yè)在運轉(zhuǎn)過程中，背壓式汽輪機成為了影響生產(chǎn)的重要因素之一，為此該設(shè)備需要根據(jù)實際運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀設(shè)計參數(shù)和運行數(shù)據(jù)。從背壓式汽輪機運行現(xiàn)狀能夠觀察出，電站背壓式汽輪機想要確保運行質(zhì)量，進汽壓力不能低于0.65MPa、進汽溫度為318℃、排汽壓力為0.13MPa、設(shè)備基礎(chǔ)排汽溫度應(yīng)達到210℃。在方案設(shè)計時需要充分考慮設(shè)備熱量負荷以及排汽流量的基礎(chǔ)匹配性，但是背壓式汽輪機實際運轉(zhuǎn)過程中，實際產(chǎn)生2種不同類型的匹配情況：（1）由于設(shè)備基礎(chǔ)排氣流量過大，為此需要有效減少機組電力負荷情況進而解決相關(guān)問題。（2）設(shè)備如果過小，會產(chǎn)生排汽流量較小，產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)狀，進而影響汽輪設(shè)備的基礎(chǔ)安全性，所以必須引起高度重視。

5、背壓式汽輪機溫度升高原因

5.1 工程案例

某電廠背壓式汽輪機系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，由于引進國外生產(chǎn)技術(shù)和制造的N600-24.2/566/566型超臨界壓力、雙背壓電機機組設(shè)備，該機組自從生產(chǎn)并投入使用之后，設(shè)備運轉(zhuǎn)溫度能夠保證基本正常，但是經(jīng)過設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)和技術(shù)操作過程中，該設(shè)備推力軸承工作的局部位置溫度達到了105℃，此種超高溫環(huán)境已經(jīng)嚴重影響機組的正常且安全運行，所以技術(shù)人員需要針對設(shè)備運轉(zhuǎn)溫度過高等問題和原因進行詳細分析。

背壓式汽輪機發(fā)電機組發(fā)出的電功率由熱負荷決定，因而不能同時滿足熱、電負荷的需要。加上背壓式汽輪機實際運轉(zhuǎn)和操作過程中，由于設(shè)備氣缸生產(chǎn)缺陷、設(shè)備受力導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)形變、隔板或者掛耳壓板膨脹距離不適合等問題，結(jié)合面常會出現(xiàn)變形、滲漏等現(xiàn)象，影響機組的安全運行。

5.2 設(shè)備運轉(zhuǎn)特點

背壓式汽輪機在實施運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上，設(shè)備排汽溫度升高的主要原因則是由于汽輪機內(nèi)部蒸汽基礎(chǔ)流量過小造成鼓風(fēng)設(shè)備運轉(zhuǎn)較低，所以汽輪機鼓風(fēng)設(shè)備運轉(zhuǎn)特點十分明顯。

汽輪機鼓風(fēng)操作過程中，汽輪機運轉(zhuǎn)級別主要包含3種工作狀態(tài)，當設(shè)備流過等級容積流量大幅度減少，背壓式汽輪機壓力級別的理想焓降含量以及輪軸焓降隨之降低，因此當設(shè)備基礎(chǔ)容積流量降低至某個參數(shù)范圍時，輪軸運轉(zhuǎn)效率基本為0，此時工作狀態(tài)一般屬于過渡工作模式，為此需要將系統(tǒng)大于0的工作狀態(tài)成為做功狀態(tài)。因此當汽輪設(shè)備的基礎(chǔ)容積流量不斷減少時，反而因為通過動態(tài)葉柵的汽流速度過小對轉(zhuǎn)子零部件起到了制動作用，此時背壓式汽輪機工作狀態(tài)類似于鼓風(fēng)機，能夠?qū)饬鲏毫Υ筮^葉柵，此種工作狀況被稱為鼓風(fēng)工作狀態(tài)。

除此之外，背壓式汽輪機所產(chǎn)生的鼓風(fēng)特點參數(shù)主要包含溫度提升率和溫度提升量，所以鼓風(fēng)參數(shù)與汽輪機內(nèi)部蒸汽流量，與次等末級葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明顯聯(lián)系，由于汽輪設(shè)備所產(chǎn)生的蒸汽流量越小，葉片等級則越長，所產(chǎn)生的鼓風(fēng)現(xiàn)狀越嚴重，嚴重甚至導(dǎo)致汽輪機氣溫產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)變，一旦汽輪機溫度超過了最大限度，會導(dǎo)致隔板轉(zhuǎn)子以及氣缸等方面產(chǎn)生極大熱量應(yīng)力，造成轉(zhuǎn)子零部件損壞[4]。

5.3 溫度過高的原因

論文在詳細分析背壓式汽輪機溫度提升的主要原因之后，針對各種工作狀況進行深入探索最終得出相關(guān)結(jié)論：汽輪機基礎(chǔ)排汽數(shù)量的額定范圍數(shù)值明確之后，想要保證溫度穩(wěn)步提升，需要將汽輪機運轉(zhuǎn)過程與歷史工作狀況對比，技術(shù)人員應(yīng)詳細分析原因，以便于開展針對性和目的性的應(yīng)對措施。除此之外，一旦設(shè)備基礎(chǔ)排汽流量嚴重低于額定設(shè)計流量，會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部不斷摩擦造成溫度大幅度提高。

5.4 漏氣量大的原因

熱電廠背壓式汽輪機前后采用梳齒迷宮式氣封，價格較低，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，運行穩(wěn)定，危險系數(shù)低，同時安裝簡單。但是，現(xiàn)實中設(shè)備存在較長的軸向長度，影響整體的密封效果，因此容易造成泄露。因為存在較多的泄露蒸汽，因此大大提高了軸向加熱段的長度，使得其溫度隨之升高，造成了較大的脹差。同時，軸上凸臺和氣封塊的高低齒之間存在錯位引起的位置偏差而倒伏，最終導(dǎo)致漏汽量的不斷變大，因此密封情況存在較大隱患。

5.5 冷卻失常原因

在汽輪機氣封冷卻器工作時，其第一級是真空狀態(tài)，因此氣封冷卻器可以將泄漏的漏氣抽出。所以，氣封冷卻器的第一級必須是與大氣隔離的密封室，抽氣機在工作時，密封室通常會呈現(xiàn)負壓狀態(tài)。安裝背壓式汽輪機時，氣封冷卻器的位置不能過低。但是熱電廠將氣封冷卻器裝在廠區(qū)0m處，在軸封運行狀態(tài)下，第一級真空無法保證，使氣封冷卻器不能正常運行。

6、背壓式汽輪機溫度升高優(yōu)化策略

針對背壓式汽輪機運轉(zhuǎn)現(xiàn)狀進行詳細分析，對于該設(shè)備排汽溫度升高等專業(yè)技術(shù)問題，需要使用不同類型的專業(yè)技術(shù)制定應(yīng)對策略，尤其需要在全新機組基礎(chǔ)配置上開展一系列理論論證，同時在深入分析和了解設(shè)備排汽溫度提高問題方面應(yīng)該采取合理化措施，從根本上增加汽輪機運轉(zhuǎn)安全性。

6.1 熱負荷設(shè)計與實際相互匹配

在熱負荷運轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)計上需要盡可能與背壓式汽輪機實際要求保持一致性，同時在考慮主要氣流量以及排汽流量基礎(chǔ)匹配程度，應(yīng)該選擇適合的負荷參數(shù)，從根本上避免汽輪機主要氣流量低、排汽溫度過高等問題，所以需要針對汽輪機熱負荷的參數(shù)準確性全面把控。

6.2 設(shè)備配合運轉(zhuǎn)

針對設(shè)備電站詳細分析，通常情況下為了保證背壓式汽輪機能夠正常使用，設(shè)備在方案設(shè)計上需要與抽汽凝汽式汽輪機相互配合，此種組合模式有利于熱量負荷的系統(tǒng)化調(diào)節(jié)和經(jīng)濟安全運轉(zhuǎn)，此種配置模式使用效果相對較好，因此被廣泛地使用在日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，但是由于此種組合模式需要2種設(shè)備相互搭配使用，因此對設(shè)備經(jīng)濟性造成不利影響[5]。

6.3 額定負荷達到標準

當背壓式汽輪機始終處于低負荷運轉(zhuǎn)模式時，無法過多減少設(shè)備排汽壓力，長期以往會導(dǎo)致設(shè)備中軸向推力不斷增加，一旦設(shè)備基礎(chǔ)排汽溫度過高，則必須約束和限制背壓式汽輪機機組運行負荷不能小于額定設(shè)計負荷的40%，從根本上確保設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)。

6.4 引進回?zé)嵯到y(tǒng)

通常情況下，運轉(zhuǎn)系統(tǒng)想要確保設(shè)計合理性，需要將背壓式汽輪機與抽凝式汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)相互配合使用，同時回?zé)嵯到y(tǒng)自身作為背壓式汽輪機的備用通道，完成背壓式汽輪機運轉(zhuǎn)的靈活性和安全性。

6.5 減少排汽溫度

根據(jù)現(xiàn)階段背壓式汽輪機運行環(huán)節(jié)上供熱溫度最低數(shù)值的基礎(chǔ)需求，需要適當減少設(shè)備進汽溫度，如果當設(shè)備進汽溫度下降至10℃時，其排汽溫度則下降至10℃左右，阻止設(shè)備排汽溫度的不斷提升。

6.6 更換轉(zhuǎn)子材料

如果熱量負荷與設(shè)備排汽負荷在匹配過程中無法有效轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致排汽溫度仍然處于較高水平，則需要使用更加高級別的抽汽隔板，為此應(yīng)合理選擇汽輪機葉片與隔板材質(zhì)，有效適應(yīng)排汽溫度升高問題和現(xiàn)狀，從根本上解決汽輪機末級區(qū)域以及次末級葉片區(qū)域的溫度提升問題。

6.7 提升排汽質(zhì)量

在背壓式汽輪機運行中排汽溫度升高問題研究過程中，為了不斷提升排汽質(zhì)量，需要充分利用鍋爐設(shè)備主要蒸汽作為核心動力，結(jié)合蒸汽噴射設(shè)備、排汽升壓設(shè)備解決設(shè)備蒸汽壓力不足等問題，加上排汽質(zhì)量水平需要利用熱力計算進一步明確，所以需要不斷增加鍋爐熱負荷，有效緩解排汽量不足等問題，因此此種技術(shù)模式成為了未來工業(yè)供熱技術(shù)發(fā)展反向之一，實現(xiàn)了機爐耦合需求。

6.8 減少回水溫度

在設(shè)備運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上想要大幅度減少回水溫度，背壓式汽輪機排汽運轉(zhuǎn)需要使用采暖供熱以及熱泵管理等技術(shù)方式，降低熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)回水溫度，增加背壓式汽輪機基礎(chǔ)排汽流量，減少設(shè)備基礎(chǔ)排汽溫度，同時為了保證設(shè)備運轉(zhuǎn)效果，不能過度降低排汽壓力，最終導(dǎo)致設(shè)備向推力超出了標準數(shù)值范圍。

6.9 冷卻改造方案

在氣封冷卻器運行時汽輪機前后氣封泄漏的蒸汽進入氣封冷卻器第一級冷凝。當蒸汽在冷卻器中冷卻后，蒸汽因為溫度降低由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而且壓力隨之降低，出現(xiàn)負壓的狀態(tài)。而冷卻器內(nèi)部溫度較高沒有凝結(jié)的蒸汽則被抽汽器排出冷卻器，和新蒸汽混合后輸送到二級室中，保證氣封泄漏蒸汽順利排入氣封冷卻器。熱電廠背壓式水輪機安裝時，在廠房0m處安裝空氣密封冷卻器：一、二級排水直接排入地溝，由于一級室因為蒸汽冷卻產(chǎn)生的負壓而形成的真空狀態(tài)，使得氣封冷卻器一級疏水無法自然排出冷卻器外部，造成一級疏水在冷卻器內(nèi)部不斷地積累。當一級疏水因無法排出而不斷增多達到一定程度時，大大降低了冷卻器的熱交換面積，使得冷卻器的真空度也不斷降低，最終使得氣封漏汽不能順利排入氣封冷卻器。一般U形管間距大于600mm。由于二級冷卻器內(nèi)腔微正壓，排水比較順暢。

結(jié)語：

由此可見，背壓式汽輪機是工業(yè)供熱的主力機組，電力、鋼鐵、石化等電力企業(yè)、自備電站應(yīng)用較多，但是實際運行中，通常出現(xiàn)背壓式汽輪機熱負荷和排汽流量不匹配的問題，尤其是機組調(diào)峰時排汽流量過小，出現(xiàn)排汽溫度偏高的現(xiàn)象，通過原因分析，采取設(shè)計優(yōu)化、運行方式、技術(shù)改造等技術(shù)措施是可以避免的，分析得出的技術(shù)成果對于背壓機控制排汽溫度高也具有借鑒意義。