汽轮机背压与机组经济性和安全性的分析

王雷

摘要：分析了背压变化与机组热经济性的微增关系研究，并且采取对整个工况的详细了解，从而获得了背压变化对机组功率变化影响的特性曲线。最后，以某电厂300MW临界机组运行及改进后的数据比较，了解如何提高电厂汽轮发电机组的安全性经济性。

关键词：汽轮机；背压；经济性

1引言

火电机组的凝汽器工作的环境会经常发生变化，由于背压偏离了设计值从而引起机组功率和热耗的变化。在汽轮机的实际运行过程中，运行人员既要关注要着汽轮机的热经济性，同时又关注着汽机工作过程中的损失的能量。在分析背压的改变对汽机运行的影响时，除了需要关注背压改变对汽机运行是否安全和是否成本最低之外，同时还要注意到其对环境造成的破坏和消耗水量产生的变化，最终可以对背压改变如何影响着汽机运行性能采取更加合理准确地评价。

2背压变化对经济性的影响

凝汽器压力对机组热经济性的影响可以从以下几个方面来考虑。由于排汽焓的变化而引起机组有效焓降的变化。因凝结水温度的变化，引起末级低压加热器抽汽系数的变化，从而引起凝汽系数的变化。当轴加及末级加热器疏水进入凝汽器热井时，同样会引起凝结水温度的变化，而影响相邻加热器抽汽量的变化，这在计算末抽抽汽量及末抽后通流部分蒸汽做功量时必须要加以考虑。

大机组的给水泵通常是用小汽机来驱动的，一般小机排汽也进入凝汽器，主机背压变化还会引起小机排汽压力及排汽焓的变化。为保证小组输出功率一定，需调整小机进汽的流量系数以补偿背压变化对其输出功率的影响。

小机流量系数变化了，改变了汽轮机通流部分的蒸汽流量，则汽机的功率也改变了。对于进入轴封加热器的轴封漏汽等辅助蒸汽，当轴加疏水管路接到凝汽器热井时，由凝结水焓的变化，改变辅助汽水在热力系统中的放热量，进而影响与其相邻的末级加热器的抽汽量。

3背压变化对安全性的影响

汽轮机背压过高或过低时，都会对汽轮机的运行产生很大的安全影响。汽轮机存在的这个压力，在压力低于了一个点时，再继续降低这个压力的话，就不能让汽轮机的对热量的消耗继续的降低了。背压不够高在同等的条件下就会造成能耗的增加，就不经济了。

所谓极限真空是指低压缸末级叶片前后差压达到临界压力比时的真空，当蒸汽在汽轮机末级动叶斜切部分已达膨胀极限时，汽轮机功率不会因再提高真空而增加。进一步说，即使汽轮机末级尚未达膨胀极限，但由于随着背压的降低，排汽比容不断增大，而末级排汽面积是一定的，于是末级排汽余速损失将不断增加，当由于背压降低而增加的有效热降等于余速损失的增量时，这时所达到的真空称为极限真空。极限真空主要是由汽轮机末级叶片的尺寸所决定，已经投产的机组是否能达到极限真空，则和机组负荷、冷却水（量、温度、压力）、抽气设备抽吸能力以及其他各种可能影响真空的方面考虑。运行中的汽轮机极少能达到极限真空。

背压过低有以下的几点危害：

（1）可能会造成汽轮机排出的气体的湿度变大，对机组最后一级的叶片那么就会产生一种冲击，破坏了叶片，就会对汽轮机造成整个机组的震动非常大，增加了一个轴向的力，推力瓦的温度上升。

（2）进气与排气的差异增大，严重的时候会使汽轮机的转子造成串动，引起动部件和静部件之间的摩擦从而造成了机组的损坏。除此之外，还会造成机组的工作不稳定，如机组震荡。

（3）在设计工况下，汽轮机的最后边的一级流过的气体通常的状态是临界的，背压变小，会造成蒸汽在喷嘴斜切部位发生膨胀，最后一级的隔板前边和后边压差增大，这样就有可能使隔板负荷变大。最后一级的动叶片就会出现临界的工况，这时动叶前边的压力就不会随着背压变小而变小，动叶后边的压力就会变小，使动叶前边和它的后边压力的差值变得大，造成动叶的过负荷并引起轴向推力增大。蒸汽在动叶外膨胀不能产生有效功，背压变小不能再增加汽轮机功率，这对汽轮机的安全和经济性都是无好处的。

（4）对于低压缸与轴承座一体设计的机组来说，真空过高有可能使低压缸中心发生偏移，是造成机组振动的一个原因。

背压过高也会对汽轮机造成很大的影响：排汽压力升高，可用焓降减小，不经济，同时使机组出力降低，必须就要增加进汽量来维持要求负荷，容易使调节级过负荷，机组轴向推力增加；排汽缸及轴承座受热膨胀，可能引起中心变化，产生振动；排汽温度过高可能引起凝汽器冷却水管松弛，破坏严密性；可能使纯冲动式汽轮机轴向推力增大；真空下降使排气的容积流量减小，对末几级叶片工作不利。末级要产生脱流及旋流，同时还会在叶片产生较大的激振力，有可能损坏叶片，造成事故。

4背压变工况实例计算

以某 300MW 机组为例，THA 工况下，机组的设计背压值为5.2kPa，对应的热耗设计值为876.7kJ/（kW·h），当背压偏离设计值且增加时，机组的热耗值、热耗率就会增加，且近似为直线关系，原因在于背压增加会使排汽焓增加，从而降低了机组的有效比焓降。当背压由设计值下降时，机组的热耗值、热耗率就会降低，原因在于背压的降低会使得排汽焓降低，增加了机组的做功能力。大机组在设计工况下汽轮机末级动叶一般都处于临界状态，当背压继续降低时，动叶出口蒸汽速度增加，方向发生偏转，动叶斜切部分会发生膨胀，当背压下降到斜切部分的膨胀能力用完时，则背压已达到极限背压，其压力值为 2.65kPa。当背压下降时，因动叶斜切部分的膨胀能力已经用完，蒸汽将在斜切部分外膨胀，汽机功率不会增加，反而因凝结水温降低，使低压回热抽汽量增大，全机功率减少。

背压计算区间为 2.5～5.2～12.0kPa，当背压偏离设计值越大，热耗率计算值与设计值的偏差也越大。热耗率最大误差为 0.5263%，对应的压力为 12.0kPa，但已完全能够满足工程实际应用的要求。不同工况下，背压与热耗的修正曲线是不同的，但其曲线形状是相似的。图中三种工况的背压设计值都是相同的，当机组实际运行中当背压偏离设计值的大小一定的前提下，负荷越小，热耗修正率变化越大。因此对于低负荷运行的机组，就更应该密切监视凝汽器真空，确保机组的经济运行。

5结 论

由于背压升高会让机组最佳的经济性减少，过低的背压会严重危害机组运行的安全。机组运行过程中，蒸汽的湿度跟着背压的减小而升高，最后一级的叶片受到的冲蚀带来的危害也会跟着升高，如果该数值比较严重可能会造成叶片损坏，给机组的安全运行带来很大的威胁。

背压变化对汽轮机热经济性有十分巨大的改变，热力学的方法只能是一种大致的计算手段。在计算背压改变量对汽机热经济性的改变的过程中必然会带来一定的误差。由于现在进入了计算机时代，汽机能够使用计算机进行十分精密的热力计算，在分析和推理背压改变对汽机热经济性的改变时，可以采用精密的热力计算的手段，能够提高计算的准确性。背压是基于标准值升高的，它导致机组的热耗率以及发电所用的煤量的增加量都是正值；与它相对的是，背压在基于标准值下降时，机组的热耗率以及发电所用的煤量的增加量都是负值。由于背压的升高，机组热耗率和发电煤耗率上升。这说明机组背压升高时机组等效焓降减少，从而使得机组的发电煤耗率增加，由热耗率公式可得到背压增大时，机组的热耗量保持稳定，但机组产生的电功率会减少，因此导致机组的热耗率也是在不断的升高。