专业丨改进型1000MW汽轮机变背压热力特性试验研究

引言

汽轮机日常运行时，背压（也称“低压缸排汽压力”）难以避免偏离设计值，从而影响汽轮机的出力和经济性［1］。因季节变换引起冷却水温大幅变化等因素，背压变化范围较大［2］，由此导致对出力和经济性的较大影响。机组新投产时热力性能考核试验和日常运行节能减排优化试验、检修前后性能对比试验，以及经济性比较分析等均需依据背压对机组热力性能的影响关系进行偏差修正。用理论计算有时较为困难，或精度不高，故可通过高精度试验以实测法确定背压变化对汽轮机热力性能的影响［3］［4］。

此外，汽轮机变工况运行时，在某一稳定进汽流量下，当进、排汽参数和高压调门开度不变时（最佳滑压参数和高压调门开度通常可通过滑压优化试验确定［5］），高、中压缸效率基本不变，汽轮机热力性能受低压缸效率影响。而低压缸效率受末级叶片排汽余速损失的变化影响较大［6］。排汽余速损失与作为末级叶片基准气动参数的排汽容积流量近似呈倒抛物线关系［7］，由此决定了低压缸效率与排汽容积流量近似呈抛物线关系的低压缸工作特性。因此，有必要通过不同负荷工况变背压试验［8］，获得低压缸实际工作特性，以分析研究汽轮机变负荷性能状况，为经济运行和末级叶片选型提供参考。

东方汽轮机有限公司（以下简称“东汽”）对第一代百万千瓦汽轮机进行了全面改进，其中末级动叶采用新开发的1200mm长叶片，并在后续高效百万千瓦机组上进行了普及，取得了良好的实效［9］。利用首次应用该长叶片的改进型1000MW汽轮机投产后热力性能考核试验机会，进行了针对该机型的变背压热力特性试验研究。

1 机组概况

东汽改进型1000MW汽轮机为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，型号N1030-24.36/600/600，额定工况设计参数为：功率1030MW，主蒸汽量2814t/h，主蒸汽压力24.36MPa，主、再热蒸汽温度600℃，背压4.7kPa，中低压分缸压力0.649MPa。该机组高压缸含有10个压力级，双分流中压缸各7个压力级，四分流低压缸各5个压力级，配置了新开发的高度为1200mm的末级动叶，单排汽口环形面积11.71m2，采用无调节级节流配汽，纵剖面图如图1。

图1 改进型1000MW汽轮机纵剖面图

2变背压试验情况及分析

2.1试验方法及要点

在机组日常运行范围内，选取若干负荷点，每一负荷点保持汽轮机进汽流量不变（高压调门开度和主、再热蒸汽参数不变），在当前可能获得的最低背压至该负荷最高可能运行背压范围内选取三个以上不同背压工况进行热力性能试验，测定机组出力和热耗。根据试验结果计算得到各负荷点不同背压下机组出力、热耗相对于设计背压的变化量，据此绘制出当前进汽量状况下背压变化对汽轮机出力和热耗的相对影响曲线。

背压的控制可通过调整循环水流量、改变真空泵运行数量、调整真空泵进口阀开度和向凝汽器放空气等方法来实现。

为确保试验结果的准确性，需严格按ASME标准［10］［11］进行试验，相同负荷不同背压工况试验在同一天内连续进行，各工况稳定后（主蒸汽压力波动不超过0.2MPa），连续记录时间不小于45分钟，数据采集频率不大于10秒。

2.2试验结果

在100%、75%和50%额定负荷点分别选取4～5个不同背压工况进行试验，试验结果进行一类（系统）、二类（参数）修正。各工况试验结果见表1～表3。

由表1～表3数据可知，相同负荷不同背压工况因高压调门开度不变，主蒸汽压力变化不大，主蒸汽流量较稳定，100%、75%和50%负荷点不同背压工况最大相对偏差分别为1.0%、1.1%和3.3%，由此确保了试验结果具有较好的客观性。

2.3背压变化对热力性能影响分析

试验结果表明，100%负荷工况下，背压由5.5kPa上升到9.5kPa时，汽轮机热耗由7455 kJ/(kW˙h)上升到7619 kJ/(kW˙h)，相对变化约2.2%；出力由1033MW下降到1011MW，相对变化约2.12%。该工况下，背压平均每变化1kPa分别影响热耗和出力约0.55%和0.53%。

75%负荷工况下，背压由4.7kPa变化到9.3kPa时，汽轮机热耗上升约3.5%，出力下降约3.0%。该工况下，背压平均每变化1kPa分别影响热耗和出力约0.76%和0.65%。

50%负荷工况下，背压由5.5kPa上升3.5kPa时，汽轮机热耗上升4.7%左右，出力下降4.2%左右。该工况下，背压平均每变化1kPa分别影响热耗和出力约1.34%和1.21%。

为更直观地反映背压变化对汽轮机热力性能的影响规律，根据表1～表3试验结果可推算出各负荷工况设计背压下的热耗和出力，并以此为基准计算变背压工况热耗和出力相对于设计背压的变化量，以最小二乘拟合法绘制成图2、图3所示热耗、出力与背压关系曲线。

由图2、图3曲线可知，随着背压的变化，汽轮机热耗与之呈正相关变化，而出力则呈负相关变化。对于不同的负荷，背压变化对热耗和出力的影响率差异较大。高负荷大流量工况，背压变化对热耗和出力的影响率相对较小，而低负荷小流量工况，这一影响率明显增大。此现象反映了背压变化对热耗和出力的影响率与排汽流量呈反比例关系的汽轮机变工况特性［12］［13］。

根据图2、图3曲线，易得到各负荷工况背压变化对热耗和出力相对影响量的关系式。对这些关系式求取一阶导数，得出对应于不同背压下热耗和出力的修正率，可作为该型汽轮机背压对热耗和出力的修正依据。

2.4变背压特性与先进机组比较

为进一步评价东汽机组变背压特性，将代表国内先进水平的上汽-西门子1000MW汽轮机在某电厂通过高精度试验获得的背压对出力影响关系与本次试验结果同示于图4进行比较。该上汽机组采用1146mm末级叶片，中低压分缸压力为0.625MPa，与东汽机组较接近，应具有一定可比性。

上述背压变化与汽轮机热耗和出力修正量、修正率的关系即为东汽1200mm末级叶片的特性。

2.4变背压特性与先进机组比较

为进一步评价东汽机组变背压特性，将代表国内先进水平的上汽-西门子1000MW汽轮机在某电厂通过高精度试验获得的背压对出力影响关系与本次试验结果同示于图4进行比较。该上汽机组采用1146mm末级叶片，中低压分缸压力为0.625MPa，与东汽机组较接近，应具有一定可比性。

由上图可知，满负荷工况下，黑色实线代表的东汽机组在大部分背压范围内，背压对出力的影响率小于黑色虚线代表的上汽机组；50%负荷工况下，红色实线代表的东汽机组在大部分背压范围内，尤其是7.5kPa以下的日常运行区间，背压对出力的影响率与红色虚线代表的上汽机组较接近。由此表明，东汽改进型1000MW机组背压变化对热力性能影响较小，具有良好的变背压特性。