寧哲 ， 陳卓

(1、西安熱工研究院有限公司，陜西 西安，710054； 2、西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安，710054；3、西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安，710075)

0 引言

目前，直接空冷機組給水泵汽輪機排汽常見的冷卻方式有獨立濕冷（小汽輪機配備單獨濕冷凝汽器）、獨立空冷（小汽輪機配備單獨空冷凝汽器）和直排大機 （小汽輪機排汽至大機空冷凝汽器）等型式。采用獨立濕冷方式時，小汽輪機背壓較低而且受環(huán)境溫度、風速等因素的影響較小，背壓較為穩(wěn)定，但小汽輪機循環(huán)冷卻要耗水，與大機采用直接空冷機組的節(jié)水宗旨不符。采用獨立空冷方式時，小機凝汽器需要配備獨立的真空系統(tǒng)、空冷控制系統(tǒng)等，相對于直排大機方案投資增加較多，而且小汽輪機背壓對環(huán)境條件也較為敏感，故獨立空冷方案相對于直排大機方案沒有明顯優(yōu)勢。采用直排大機方案時，小汽輪機排汽直接排入大機凝汽器，小機背壓及出力與大機耦合性較強，受環(huán)境風速風溫影響較大，以往空冷機組主流汽動給水泵組配置方式較少采用直排大機冷卻方式[1-5]。隨著空冷機組和小汽輪機控制技術(shù)的發(fā)展，直排大機方案的研究近年來逐漸增多[2,6-7]，而關(guān)于大機背壓變化對小汽輪機出力波動、直排大機方案中小汽輪機的容量選擇等問題的研究還較少，本文以某350 MW空冷機組為例，對直排大機方案存在的相關(guān)問題進行分析討論，并給出解決方案。

1 直排大機冷卻方案的問題分析

1.1 大機背壓變化對小機系統(tǒng)安全性的影響

直接空冷系統(tǒng)對環(huán)境溫度、風速的影響較為敏感，環(huán)境溫度、風速升高可導(dǎo)致風機、空冷平臺供風能力下降，在高溫極大風工況下，風機有可能進入喘振區(qū)，造成風機出力突然迅速下降、供風能力急劇惡化，影響機組運行的安全性。

圖1所示為某350 MW空冷機組不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)背壓的變化情況，根據(jù)國內(nèi)直接空冷機組運行的情況，在高溫大風情況下，大機背壓升高10～20 kPa，此背壓距離大機報警背壓 （60 kPa左右）尚有一定安全空間，小機跳機背壓一般高于大機跳機背壓，因此，由背壓變化引發(fā)的給水泵汽輪機跳機的可能性幾乎為零。

圖1 環(huán)境溫度對系統(tǒng)背壓的影響

1.2 大機背壓變化對汽動給水泵組出力的影響

對于配備獨立濕冷凝汽器的常規(guī)空冷機組，小汽輪機背壓與大機耦合性較小，大機背壓變化對小汽輪機出力影響較小，只需采取相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)手段，消除由于背壓變化引起的機組發(fā)電功率擾動即可。而對于采用給水泵汽輪機排汽直排大機直接空冷凝汽器的機組，給水泵汽輪機的背壓會隨大機背壓的變化而同步變化，進而引起給水泵汽輪機出力的改變。

以某350 MW空冷機組為例，其VWO工況下給水泵小汽輪機設(shè)計出力為12.47 MW、工作背壓12 kPa。受風向、風速等氣象條件變化的影響，直接空冷的背壓變化較為頻繁，圖2模擬了極端天氣時5個小時內(nèi)機組背壓變化（12～40 kPa）對給水泵汽輪機出力的影響。由圖2可知，隨著背壓變化給水泵汽輪機由于有效焓降的波動，出力出現(xiàn)明顯的震蕩。

圖2 背壓波動對給水泵汽輪機出力的影響

采用直排大機方案，背壓變化時，不僅需要消除由于背壓變化引起的機組出力頻繁擾動，而且同時需要消除由于背壓變化引起的小機出力變化導(dǎo)致的給水系統(tǒng)頻繁擾動。因此，小機直排方案需面對兩個互相 “疊加”的高頻次擾動，在設(shè)計之初，需從設(shè)備選型、汽源備用切換等方面進行優(yōu)化設(shè)計，以維持小機給水泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 直排大機的優(yōu)化設(shè)計方案

考慮到背壓升高對給水泵汽輪機出力的影響，采用直排大機方案時，應(yīng)增大給水泵汽輪機的出力應(yīng)變能力，保證極端工況下仍能滿足給水泵的功率需求。

2.1 增加給水泵汽輪機通流裕量

根據(jù)圖2，如果給水泵汽輪機設(shè)計出力裕量不夠，在夏季受環(huán)境、風向等因素影響引起機組背壓迅速升高超過設(shè)計點限定值時，機組需降負荷運行。某2×350 MW空冷機組所處區(qū)域，極端不利氣候條件下，大風風速較高且較頻繁，表1所示為額定負荷不同背壓下給水泵汽輪機出力與給水泵功率需求的差值，根據(jù)計算結(jié)果可知，當背壓提高時，小汽輪機進汽量需增加，但受小汽輪機通流裕量的限制，小機進汽增量帶來的出力增加不足以抵消有效焓降減少帶來的影響。

表1 額定負荷不同背壓下給水泵汽輪機出力與給水泵功率需求的差值

為保證高背壓工況下給水泵汽輪機仍然能滿足給水泵的功率需求，在選型及設(shè)計階段，應(yīng)適當增加小機的通流面積，同時，在正常工作時給水泵汽輪機采用進汽閥節(jié)流的方式運行。假設(shè)正常工況下給水泵汽輪機進汽壓力節(jié)流10%，由表2計算結(jié)果可知，當背壓在10～40 kPa變化時，借助于節(jié)流程度的調(diào)整可使給水泵汽輪機均能滿足給水泵功率需求。

表2 給水泵汽輪機增加通流裕量后的工作參數(shù)

2.2 汽源切換

采用上述增加給水泵汽輪機通流裕量的方法會導(dǎo)致汽輪機日常運行時，進入給水泵汽輪機的蒸汽不得不進行節(jié)流，為避免節(jié)流損失，可考慮采用在高背壓工況下切換給水泵汽輪機汽源 （使用再熱冷段蒸汽）的方案，即提高小機進口蒸汽壓力，進而提高給水泵汽輪機的進汽流量，表3為不同背壓下切換汽源后的工作參數(shù)。

表3 給水泵汽輪機切換汽源后的工作參數(shù)

根據(jù)熱平衡分析計算，小汽機進汽汽源改為再熱冷段蒸汽后，影響了鍋爐再熱器的進汽量，在背壓分別為20 kPa、30 kPa、40 kPa三個運行工況下，小汽機進汽量占再熱器進汽量的比例依次為2.15%、2.74%和3.43%。根據(jù)運行要求，再熱器進汽量變化應(yīng)控制在6%以內(nèi)，此時再熱器的壁溫雖然會升高，但是再熱器仍能在設(shè)計要求內(nèi)安全運行。

3 結(jié)論

（1）給水泵汽輪機的排汽冷卻采用 “小機排汽至大機直接空冷凝汽器”方案，在極端不利氣候條件下，背壓變化較為頻繁，有引起給水系統(tǒng)頻繁擾動、機組出力波動的技術(shù)風險，必須經(jīng)過專門設(shè)計加以應(yīng)對。

（2）針對直排大機冷卻方案存在的問題，提出了兩種優(yōu)化設(shè)計方案，一是增加給水泵汽輪機通流裕量，二是在高背壓工況下切換給水泵汽輪機汽源至再熱冷段。

（3）額定工作背壓下給水泵汽輪機預(yù)留10%的進汽節(jié)流裕量，當背壓在10～40 kPa變化時，借助于節(jié)流程度的調(diào)整可使給水泵汽輪機滿足給水泵功率需求。

（4）高背壓工況下切換給水泵汽輪機汽源至再熱冷段，引起的再熱器進汽量變化在允許的6%限制以內(nèi)。