空冷汽轮机设计的几个主要问题

付志刚

摘要：空冷汽轮机设计和湿冷汽轮机设计在设计上存在着较大的差别，这是因为空冷汽轮机具有背压压值高、背压波动范围大和背压变化频繁等特点。本文通过阐述汽轮机设计中空冷方案与湿冷方案的差别，并且就空冷汽轮机空冷方案设计的特点进行分析，最后就空冷汽轮机设计中容易出现的几个主要问题进行研究，旨在为大型空冷汽轮机的设计提供参考意见。

关键词：空冷汽轮机设计；方案；主要问题；参考意见

引言

空冷汽轮机是当前电厂运用较多的汽轮机组，空冷汽轮机与湿冷汽轮机是由于其凝汽式汽轮机的冷却方案不同，两者在结构上有不少类似之处。因此在进行空冷汽轮机设计设计的时候要充分结合湿冷汽轮机的结构特点以及设计要求，制定出科学的措施去解决空冷汽轮机设计中的主要问题，优化空冷汽轮机的设计。

1.空冷方案与湿冷方案的原始差别

对于很多设计方案来说由于共同技术目标都是一致的，因而很多技术方案的大部分内容都是相同的，真正的原始差别往往只有一点而已，但是这一点就导致了技术方案之间的差距。对于汽轮机的设计方案来说，空冷方案与湿冷方案的原始差别主要集中在排热方式上。对于空冷方案采取的是闭合散热方式，而湿冷方案采取的则是开放散热方式，正是因为空冷方案与湿冷方案的散热机理不相同才导致两种方案有着较大的差别。由于空冷汽轮机的散热方式是通过闭合方式通过金属管壁将热量排放到空气中，因此环境压力产生的汽轮机背压与大气干球温度有着直接的关系；而对于湿冷汽轮机来说，通过水循环系统与空气之间进行直接的热量交换，通过水的蒸发吸热将汽轮机中的热量排放出去，这种情况下汽轮机的背压与湿球温度直接相关。因此在相同的内部参数控制以及环境的影响之下，空冷汽轮机组的背压比湿冷汽轮机组要大很多，因此带来的能量损耗也较大。对于空冷汽轮机组没有相应的温度补偿功能，导致其背压变化范围大且变化频繁，当环境温度以及风力发生变化的时候，空冷汽轮机组背压也随之发生变化；而对于湿冷汽轮机组来说其具有湿球温度变化系统，当大气温度发生变化的时候，水蒸气的蒸发量也随之发生变化。湿冷机组背压变化主要受季节影响，因此其背压变化幅度也较小。

2.空冷方案的几个特点

与湿冷方案相比，由于空冷方案采取的是闭合的散热方式而湿冷方案采取的是开放式的散热方式，因此空冷方案主要有以下几个特点。

2.1节约水资源

以一台 的湿冷汽轮机为例，每年消耗的水资源超过两千万吨，其中湿塔耗水约一千五百万吨。而根据空冷方案的理论分析可知，空冷散热过程中基本不消耗水，因此空冷方案比湿冷方案节水能力要强。

2.2成本投入高

与湿冷方案相比，空冷方案采取的是通过金属管与空气之间形成热交换，进而将汽轮机内部的热量传递出去。因此空冷方案前期建设的空冷塔比湿冷方案的湿冷塔要大很多，其冷却用的金属材料消耗也较多。空冷方案的前期投入约为湿冷塔的3-5倍。再加上其他后期配套设施的建设以及日常的冷却系统设施维护，空冷方案成本投入高。

2.3有利于环境保护

由于空冷方案采取的是金属管与空气之间形成热循环，进而将热量传递出去。因此空冷方案不會产生雾团状的气体，因此不会产生较大的气体污染。同时空冷方案不产生循环水富盐污水排放，从而避免通过水循环将发电厂产生的废气物中的有毒有害物质散到环境中，从而起到保护环境的作用。

3.空冷汽轮机设计的几个主要问题

3.1设计背压与最佳末叶高度的确定

如果空冷系统配置的末级叶片长度过小，那么就会使得机组运行过程中排气口压力过大，降低空冷汽轮机组的工作效率；而如果空冷系统装置的末级叶片长度过大，这不但增加了经济成本，虽然能够保证夏季高温处于满发状态，但是同时也会增加了空冷汽轮机组的防冻难度。末级叶片在复杂的工况下运行时，会产生较大的背压变化。尤其是在高背压、低流速的流量状态下运行时候，那么汽轮机的动不定性就会大大增强，动应力也会大幅增加，严重影响末级叶片的稳定性。因此尽管空冷汽轮机的末级叶片在理论设计上已经满足强度等方面的要求，但是还需要根据更加苛刻的背压要求来优化整体设计。在进行背压与最佳末叶高度确定过程中，要根据哈蒙系统进行优化设计，对于背压对应下的饱和温度、大气干球温度以及额定流量下空冷系统初始端差进行合理分析计算。

3.2低压轴承布置

空冷机组排汽温度高且变化幅度大，如果采用传统的轴承就会使得系统运行轴线发生抬高现象。再加上汽轮机背压较高且背压变化频繁，这就对于空冷汽轮机低压缸的中心轴线的稳定以及轴线的标高产生较大的影响。因此为了改善这一情况，低压缸多采用落地式轴承来代替传统轴承。但是低压轴承会带来轴向开档尺寸变大，因此需要一端与汽缸柔性联接，另一端与低压轴承箱刚性联接。

3.3背压监视与自动保护

空冷机组末端工况变化范围大且性质严重，因此需要对于汽轮机不同的运行状态进行背压监视与自动保护。从汽轮机末端安全运行讲，应主要监视背压

峰值，避免末叶受到的动应力过大。保证监视排汽温度不过高，从而避免排汽端过热。保证空冷机组末端工况在安全、满发、经济运行三个运行环境下能够保持最优的运行状态，引入背压自动保护及负荷自动增减系统。当系统的背压超出警戒线，就会自动调节负荷，使其返回到最优工作点。

4.结语

火力发电是当前我国主要的发电方式之一，由于我国煤资源丰富的地区基本上都处于缺水状态。而空冷汽轮机与湿冷汽轮机相比能够有效应对缺水以及气候寒冷等问题，为了更好地促进空冷汽轮机的应用，因此要根据空冷汽轮机热力、结构、强度、气动等特点设计出高质量的设计方案，促进我国工业的快速发展。

参考文献：

[1]白建云，邵加晓，侯鹏飞.600MW直接空冷机组背压控制策略的设计及优化[J].电站系统工程，2011.

[2]王佩璋.国产600MW直接空冷汽轮机组设计中的一些问题[J].电力建设，2005.