给水泵汽轮机排汽至大机直接空冷凝汽器冷却方案研究

宁哲 ， 陈卓

(1、西安热工研究院有限公司，陕西 西安，710054； 2、西安西热节能技术有限公司，陕西 西安，710054；3、西北电力设计院有限公司，陕西 西安，710075)

0 引言

目前，直接空冷机组给水泵汽轮机排汽常见的冷却方式有独立湿冷（小汽轮机配备单独湿冷凝汽器）、独立空冷（小汽轮机配备单独空冷凝汽器）和直排大机 （小汽轮机排汽至大机空冷凝汽器）等型式。采用独立湿冷方式时，小汽轮机背压较低而且受环境温度、风速等因素的影响较小，背压较为稳定，但小汽轮机循环冷却要耗水，与大机采用直接空冷机组的节水宗旨不符。采用独立空冷方式时，小机凝汽器需要配备独立的真空系统、空冷控制系统等，相对于直排大机方案投资增加较多，而且小汽轮机背压对环境条件也较为敏感，故独立空冷方案相对于直排大机方案没有明显优势。采用直排大机方案时，小汽轮机排汽直接排入大机凝汽器，小机背压及出力与大机耦合性较强，受环境风速风温影响较大，以往空冷机组主流汽动给水泵组配置方式较少采用直排大机冷却方式[1-5]。随着空冷机组和小汽轮机控制技术的发展，直排大机方案的研究近年来逐渐增多[2,6-7]，而关于大机背压变化对小汽轮机出力波动、直排大机方案中小汽轮机的容量选择等问题的研究还较少，本文以某350 MW空冷机组为例，对直排大机方案存在的相关问题进行分析讨论，并给出解决方案。

1 直排大机冷却方案的问题分析

1.1 大机背压变化对小机系统安全性的影响

直接空冷系统对环境温度、风速的影响较为敏感，环境温度、风速升高可导致风机、空冷平台供风能力下降，在高温极大风工况下，风机有可能进入喘振区，造成风机出力突然迅速下降、供风能力急剧恶化，影响机组运行的安全性。

图1所示为某350 MW空冷机组不同环境温度下系统背压的变化情况，根据国内直接空冷机组运行的情况，在高温大风情况下，大机背压升高10～20 kPa，此背压距离大机报警背压 （60 kPa左右）尚有一定安全空间，小机跳机背压一般高于大机跳机背压，因此，由背压变化引发的给水泵汽轮机跳机的可能性几乎为零。

图1 环境温度对系统背压的影响

1.2 大机背压变化对汽动给水泵组出力的影响

对于配备独立湿冷凝汽器的常规空冷机组，小汽轮机背压与大机耦合性较小，大机背压变化对小汽轮机出力影响较小，只需采取相应的控制调节手段，消除由于背压变化引起的机组发电功率扰动即可。而对于采用给水泵汽轮机排汽直排大机直接空冷凝汽器的机组，给水泵汽轮机的背压会随大机背压的变化而同步变化，进而引起给水泵汽轮机出力的改变。

以某350 MW空冷机组为例，其VWO工况下给水泵小汽轮机设计出力为12.47 MW、工作背压12 kPa。受风向、风速等气象条件变化的影响，直接空冷的背压变化较为频繁，图2模拟了极端天气时5个小时内机组背压变化（12～40 kPa）对给水泵汽轮机出力的影响。由图2可知，随着背压变化给水泵汽轮机由于有效焓降的波动，出力出现明显的震荡。

图2 背压波动对给水泵汽轮机出力的影响

采用直排大机方案，背压变化时，不仅需要消除由于背压变化引起的机组出力频繁扰动，而且同时需要消除由于背压变化引起的小机出力变化导致的给水系统频繁扰动。因此，小机直排方案需面对两个互相 “叠加”的高频次扰动，在设计之初，需从设备选型、汽源备用切换等方面进行优化设计，以维持小机给水泵系统的稳定运行。

2 直排大机的优化设计方案

考虑到背压升高对给水泵汽轮机出力的影响，采用直排大机方案时，应增大给水泵汽轮机的出力应变能力，保证极端工况下仍能满足给水泵的功率需求。

2.1 增加给水泵汽轮机通流裕量

根据图2，如果给水泵汽轮机设计出力裕量不够，在夏季受环境、风向等因素影响引起机组背压迅速升高超过设计点限定值时，机组需降负荷运行。某2×350 MW空冷机组所处区域，极端不利气候条件下，大风风速较高且较频繁，表1所示为额定负荷不同背压下给水泵汽轮机出力与给水泵功率需求的差值，根据计算结果可知，当背压提高时，小汽轮机进汽量需增加，但受小汽轮机通流裕量的限制，小机进汽增量带来的出力增加不足以抵消有效焓降减少带来的影响。

表1 额定负荷不同背压下给水泵汽轮机出力与给水泵功率需求的差值

为保证高背压工况下给水泵汽轮机仍然能满足给水泵的功率需求，在选型及设计阶段，应适当增加小机的通流面积，同时，在正常工作时给水泵汽轮机采用进汽阀节流的方式运行。假设正常工况下给水泵汽轮机进汽压力节流10%，由表2计算结果可知，当背压在10～40 kPa变化时，借助于节流程度的调整可使给水泵汽轮机均能满足给水泵功率需求。

表2 给水泵汽轮机增加通流裕量后的工作参数

2.2 汽源切换

采用上述增加给水泵汽轮机通流裕量的方法会导致汽轮机日常运行时，进入给水泵汽轮机的蒸汽不得不进行节流，为避免节流损失，可考虑采用在高背压工况下切换给水泵汽轮机汽源 （使用再热冷段蒸汽）的方案，即提高小机进口蒸汽压力，进而提高给水泵汽轮机的进汽流量，表3为不同背压下切换汽源后的工作参数。

表3 给水泵汽轮机切换汽源后的工作参数

根据热平衡分析计算，小汽机进汽汽源改为再热冷段蒸汽后，影响了锅炉再热器的进汽量，在背压分别为20 kPa、30 kPa、40 kPa三个运行工况下，小汽机进汽量占再热器进汽量的比例依次为2.15%、2.74%和3.43%。根据运行要求，再热器进汽量变化应控制在6%以内，此时再热器的壁温虽然会升高，但是再热器仍能在设计要求内安全运行。

3 结论

（1）给水泵汽轮机的排汽冷却采用 “小机排汽至大机直接空冷凝汽器”方案，在极端不利气候条件下，背压变化较为频繁，有引起给水系统频繁扰动、机组出力波动的技术风险，必须经过专门设计加以应对。

（2）针对直排大机冷却方案存在的问题，提出了两种优化设计方案，一是增加给水泵汽轮机通流裕量，二是在高背压工况下切换给水泵汽轮机汽源至再热冷段。

（3）额定工作背压下给水泵汽轮机预留10%的进汽节流裕量，当背压在10～40 kPa变化时，借助于节流程度的调整可使给水泵汽轮机满足给水泵功率需求。

（4）高背压工况下切换给水泵汽轮机汽源至再热冷段，引起的再热器进汽量变化在允许的6%限制以内。