专业丨改进型1000MW汽轮机变背压热力特性试验研究

3 低压缸工作特性分析

3.1低压缸效率计算结果

根据各负荷工况变背压试验，可计算得出低压缸效率相关参数，汇总于表4～表6。

3.2背压变化对低压缸效率影响分析

由表4～表6数据可知，各负荷工况随着背压的变化，低压缸排汽质量流量变化不大（最大偏差小于3%），但由于排汽比容变化较大，引起排汽容积流量成比例地大幅变化。

100%负荷工况，背压由5.5kPa上升到9.5kPa，排汽比容由23.2m3/kg大幅下降至14.0m3/kg，引起低压缸四个排汽口平均排汽容积流量由2648m3/kg随之下降至1642m3/kg，相对下降约38%，低压缸效率(UEEP)则由89.3%变化至91.0%，上升1.7个百分点。

75%负荷工况，背压由4.7kPa增大至9.3kPa，随着排汽比容大幅下降，低压缸单排汽口容积流量平均值由2387m3/kg下降至1265m3/kg，接近减半，低压缸效率自90.2%先升后降，变化幅度1.4个百分点。

50%负荷工况，背压由5.5kPa上升3.5kPa，低压缸单排汽口容积流量平均值自1508m3/kg下降近39%，低压缸效率则由91.0%单边大幅下降5.1个百分点。

上述数据表明，不同负荷工况下，背压变化引起的低压缸效率变化呈现出不同的规律。

3.3低压缸工作特性分析

汽轮机低压缸工作特性可以用低压缸效率随排汽容积流量变化曲线来表征［14］。根据表4～表6数据绘制成图5所示低压缸效率与排汽容积流量关系曲线。为便于比较分析，将设计曲线同示于图中。图中黑色实线系根据100%、75%、50%三个负荷点不同背压共14个工况试验结果数据拟合的曲线，黑色虚线为该曲线右侧延长线，用以反应曲线右侧可能的变化趋势。由于含盖了日常运行时50%～100%额定负荷各种背压下的容积流量范围，该曲线应能较客观地反映配置1200mm末级叶片的东汽改进型1000MW汽轮机低压缸工作特性。

图5曲线显示，在机组日常运行区间，随着排汽容积流量的增加，低压缸效率总体呈现出先升后降的变化趋势。当排汽容积流量达到1750 m3/s左右最佳值时，低压缸效率达到91%左右的最高值，偏离这一区域将导致低压缸运行效率降低。结合表4～表6数据可知，满负荷工况下，夏季高背压运行时，因排汽质量流量大、比容小，两项综合影响使得排汽容积流量位于最佳值附近，低压缸效率达到了最高值；而冬季低背压运行时，因排汽质量流量和比容均较大，使得排汽容积流量增大至远离最佳值，低压缸效率出现明显下降。机组在满负荷工况设计背压下运行时，可推算出排汽容积流量约为3100 m3/s，据虚线所示趋势，低压缸效率应在88%左右，比最高值偏低三个百分点。背压下降至4.0kPa时，排汽容积流量将上升至3500 m3/s左右，低压缸效率将下降至86%左右，比最高值偏低五个百分点，并呈加速下降趋势，将对机组运行经济性造成较大不利影响。对于75%负荷工况，由于整个变背压范围内排汽容积流量均未远离最佳值，低压缸始终处在与最高效率偏差不到1个百分点的高效区运行，对机组运行经济性将产生有利影响。50%负荷工况下，夏季背压一般不超过7.5kPa，估算排汽容积流量约为1100 m3/s，对应低压缸效率约为88%；冬季随着背压下降至设计值以下，排汽容积流量将上升至1700～2100 m3/s的高效区，有利机组经济运行。

汽轮机低压缸工作特性设计和末级叶片选型的一般思路为，低压缸效率最高点位于70%～90%额定负荷处，这样当机组变负荷、变背压运行时低压缸效率加权平均值最高［7］［15］［16］。如按通常采用的设计全年平均运行负荷率75%、平均背压4.7kPa考虑，可推算得到该机组全年平均低压缸排汽容积流量约为2400m3/s，比1750 m3/s左右的最佳值偏大约37%，由图5曲线可查知该工作点位于最高效率点的右侧，对应低压缸效率约为90%。而根据同图所示低压缸效率设计曲线，该工作点应接近最高效率点。此外，根据表4～表6试验结果和图5曲线，可推算出该型汽轮机实际低压缸效率最高点位于50%额定负荷附近，应与设计预期值存在明显偏差。如由此导致全年平均低压缸运行效率偏低1个百分点，按该型汽轮机低压缸功率占整机功率35%计算，将影响整机供电煤耗约1g/kW˙h。

综上所述，试验实测得到的低压缸工作特性表明，东汽改进型1000MW汽轮机在夏季满负荷工况、冬季低负荷工况和75%负荷不同季节运行时低压缸运行效率较高，有利于机组经济运行。而冬季满负荷工况、夏季低负荷工况运行时低压缸效率相对较低，对机组运行经济性将产生不利影响。同时，因最佳排汽容积流量明显低于设计预期值，低压缸效率最高点远离设计负荷区域，将导致机组变负荷、变背压运行时低压缸效率加权平均值偏离理想值，并由此反映出低压缸实际工作特性和末级叶片选型一定程度上可能偏离了设计初衷。

3.4低压缸工作特性与先进机组比较

图6中黑色和红色实线分别为试验获得的东汽和上汽-西门子机组低压缸工作特性曲线。这两条曲线显示，上汽机组低压缸效率最高值约88.2%，东汽机组最高值接近91%,明显高于上汽机组。为便于比较低压缸效率变化规律，将上汽机组特性曲线平移至东汽曲线相应位置（如图6红色虚线所示）。通过两条特性线对比可知，在最佳容积流量左侧区域，随着容积流量的减小，东汽机组低压缸效率下降率略高于上汽机组；而在曲线右侧区域，当排汽容积流量增加时，东汽机组低压缸效率下降速率更缓。由此可见，东汽改进型1000MW汽轮机总体具有良好的低压缸工作特性。

虽然高精度试验仍难免存在一定不确定度，试验误差对低压缸效率计算值影响较大，且试验时再热汽温偏低等因素对低压缸进汽焓的影响也将干扰对低压缸效率的准确判定，但通过与先进机组的对比，应能反映出经过优化改进的东汽百万千瓦汽轮机低压缸总体具有较高的实际运行效率和良好的变工况特性。

3.5提高低压缸运行效率的建议

基于东汽改进型1000MW汽轮机低压缸实际工作特性，夏季低负荷运行时（如丰水期西部水电通过特高压输送至华东地区而导致区域负荷率较低［17］［18］），增加循环水流量不仅能降低背压提高机组循环热效率，同时也能一定程度避免低压缸在排汽容积流量过小的低效区运行。而冬季高负荷运行时，则需避免过低的背压引起排汽容积流量大幅增加而使低压缸运行效率明显降低，从而影响机组运行经济性。

尤其值得注意的是，当汽轮机在冬季满负荷工况运行时，随着背压下降，排汽容积流量上升至一定程度时，末级叶片将出现“阻塞”现象，此时汽轮机出力不再增加，热耗不会降低，不仅徒增循环水泵耗功，且存在因低压缸变形增大而影响轴系振动［19］［20］的可能。因此，应关注阻塞容积流量对应的背压——“极限背压”［21］（或“阻塞背压”）。根据文献[7]和[16]所述方法，可计算出东汽改进型1000MW汽轮机100%负荷工况下阻塞容积流量为3800～4000m3/s，相应极限背压为3.2～3.5kPa。因此，该型汽轮机冬季满负荷运行时应避免背压低于3.5kPa。

4   结论

通过对东汽改进型1000MW汽轮机变背压热力特性的试验研究，以及与国内先进机组的对比分析，可总结得出以下结论与建议：

（1）通过100%、75%和50%三个负荷点的变背压试验，得到了各负荷工况背压变化对出力和热耗影响率的关系式，可作为该型汽轮机性能试验、性能比较分析的修正依据。

（2）在日常运行背压变化区间，配置1200mm末级叶片的东汽机组在满负荷工况下，背压每变化1kPa影响出力和热耗0.5%～0.6%，背压变化对热力性能影响较小，具有良好的变背压特性。

（3）与国内先进同类型汽轮机相比，东汽改进型1000MW汽轮机低压缸总体具有较高的运行效率和良好的变工况特性。

（4）该型汽轮机单排容积流量在1750 m3/s左右时，低压缸效率达到最高值。夏季满负荷工况、冬季低负荷工况和75%负荷不同季节运行时低压缸运行效率较高。冬季满负荷工况、夏季低负荷工况运行时低压缸效率相对较低。因此，日常运行时应使低压缸尽量避免远离上述高效区运行，以利于机组总体运行经济性。建议开展冷端优化试验研究，针对性地实施节能运行操作指导。

（5）以机组全年平均运行负荷率75%、平均背压4.7kPa计，全年平均低压缸效率将比设计期望的最高值偏低1个百分点左右，影响整机供电煤耗约1 g/ kW˙h。同时，因最佳排汽容积流量明显低于设计预期值，低压缸效率最高点远离设计负荷区域，反映出低压缸实际工作特性和末级叶片选型一定程度上可能偏离了设计初衷。

（6）由于实际最佳排汽容积流量明显低于设计值，冬季满负荷运行时，低压缸工作点可能远离高效区，对机组运行经济性产生不利影响，因此，需避免超低背压运行，尤其应避免出现3.5kPa以下的极限背压。

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