秦山三廠夏季汽輪機(jī)功率下降原因分析

李青杉

【摘 要】本文定位在秦山三廠現(xiàn)存的夏季汽輪機(jī)輸出功率降低的問(wèn)題，通過(guò)基本理論分析，得出汽輪機(jī)輸出功率降低的根本原因，并對(duì)此展開(kāi)討論，通過(guò)各種公式分析與推導(dǎo)，最終確定可行的提高凝汽器真空，增加汽輪機(jī)輸出功率的理論依據(jù)。并針對(duì)如何實(shí)施提出建議。

【關(guān)鍵詞】輸出功率;凝汽器真空;循環(huán)冷卻水流量

中圖分類(lèi)號(hào)： TK264.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0205-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.078

【Abstract】The author loacte the problem of the turbine output power reduction in the summer at Qinshan No.3 plant.Through the basic theoretical analysis，the reasons for the decrease of turbine output power are obtained.Finally， the theoretical basis and method for improving condenser vacuum and increasing turbine output power is determined.

【Key words】Output power;Condenser vacuum;Circulating cooling water flow

1 三廠汽輪機(jī)輸出功率問(wèn)題

秦山三廠兩臺(tái)機(jī)組是凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為2×728MW，年發(fā)電量超過(guò)100億千瓦時(shí)。目前三廠的汽輪機(jī)的實(shí)際輸出電功率只有在冬季時(shí)才能達(dá)到額定的728MW，而在夏季高溫時(shí)期，實(shí)際輸出電功率只有680MW。輸出功率的波動(dòng)造成了整個(gè)機(jī)組裝機(jī)容量的下降，且對(duì)于完成年度發(fā)電任務(wù)造成極大壓力。

機(jī)組的功率輸出為何有如此大的波動(dòng)？需要通過(guò)什么手段才能增加機(jī)組的輸出功率，爭(zhēng)取超額完成發(fā)電任務(wù)？這就是本文討論問(wèn)題的所在。

2 凝汽式汽輪機(jī)做功原理與凝汽器的功能簡(jiǎn)介

2.1 凝汽式汽輪機(jī)的做功原理（朗肯循環(huán)）

實(shí)際工作中的蒸汽動(dòng)力裝置其內(nèi)部的蒸汽動(dòng)力循環(huán)過(guò)程都是以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的。朗肯循環(huán)明確的描述了蒸汽動(dòng)力裝置中蒸汽在各階段的狀態(tài)變化，以及能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程：

朗肯循環(huán)的工作流程：

3-4-5-1水在蒸汽發(fā)生器中定壓預(yù)熱、汽化并過(guò)熱，變成過(guò)熱蒸汽;

1-2過(guò)熱水蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的定熵膨脹過(guò)程;

2-3濕蒸汽在凝汽器內(nèi)的定壓定溫冷卻凝結(jié)放熱過(guò)程;

3-3凝結(jié)水在水泵中定熵壓縮過(guò)程。

循環(huán)熱效率的計(jì)算如下式：

在電廠中汽輪機(jī)的循環(huán)熱效率一般最高只能達(dá)到40%左右。

2.2 凝汽器系統(tǒng)功能與組成

朗肯循環(huán)中乏蒸汽的定壓凝結(jié)過(guò)程對(duì)應(yīng)在秦山三廠中，就是乏蒸汽在凝汽器中的釋熱冷凝過(guò)程。秦三廠凝汽器是一個(gè)用海水冷卻、雙外殼單流程裝置，屬于表面式熱交換。殼側(cè)流過(guò)的是汽輪機(jī)低壓缸排汽，管側(cè)為海水。其功能是將汽輪機(jī)排出的乏蒸汽凝結(jié)成水，供給凝結(jié)水系統(tǒng);并為汽輪機(jī)提供一個(gè)較低的背壓，以提高機(jī)組的熱循環(huán)效率。為保持凝氣器真空狀態(tài)，還配備了抽真空系統(tǒng)，用于抽出漏入冷凝器中的空氣等不凝結(jié)氣體，以達(dá)到最大的循環(huán)效率。

3 三廠機(jī)組輸出功率波動(dòng)原因分析

三廠汽輪發(fā)電機(jī)組輸出功率在冬季時(shí)能夠達(dá)到額定功率728MW，而夏季僅有680MW，輸出功率相差近40MW，是什么原因造成如此大的功率差異？經(jīng)分析，造成如此大差異的原因主要是夏季時(shí)，凝氣器真空降低，在全部投運(yùn)抽真空泵的情況下最低仍接近9kpa左右，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值4.9kpa。而造成凝氣器真空降低的原因，就要從三廠的循環(huán)冷卻水水源來(lái)分析了。

秦山三廠冷凝器用于冷卻乏蒸汽的循環(huán)水是取自杭州灣的海水，凝汽器中的真空維持主要靠乏蒸汽被循環(huán)水冷卻后的體積驟減，但杭州灣海水溫度在一年中的變化極大，冬季最低時(shí)為6度，而在夏季時(shí)最高可達(dá)到32度，如此大的溫度變化對(duì)凝氣器真空的影響可以通過(guò)下面公式2來(lái)表示：

公式2中凝氣器壓力下對(duì)應(yīng)的乏蒸汽的飽和溫度ts等于循環(huán)水入口溫度tw1與循環(huán)水在凝汽器中的溫升？駐t、凝汽器端差？啄t這三項(xiàng)之和，當(dāng)海水溫度升高時(shí)，凝汽器中的乏蒸汽飽和溫度ts將升高，因?yàn)樗魵獾娘柡蜏囟扰c飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以凝汽器內(nèi)的壓力也將升高。凝汽器壓力的升高即朗肯循環(huán)中背壓P2的升高，將直接導(dǎo)致循環(huán)溫差減小，循環(huán)熱效率降低。這在三廠的實(shí)際運(yùn)行中也得到了驗(yàn)證。

在冬季海水溫度為6℃時(shí)，凝汽器真空達(dá)到4kpa，此時(shí)汽輪機(jī)的電功率輸出在728MW，而在夏季海水溫度為32℃時(shí)，凝汽器真空達(dá)到9kpa，此時(shí)汽輪機(jī)的電功率輸出只有680MW。由此得出結(jié)論如下：海水溫度的升高，導(dǎo)致冬夏汽輪機(jī)的功率輸出相差近40MW。

4 提高汽輪機(jī)輸出功率的措施分析

面對(duì)如此大的功率降低，要如何才能提高汽輪機(jī)的輸出功率呢？通過(guò)朗肯循環(huán)與熱效率計(jì)算公式1可知，在耗能不變的前提下提高汽機(jī)的輸出功率需要提高汽機(jī)的熱效率，而提高汽機(jī)熱效率的方法有如下幾種：

4.1 提高新蒸汽的初溫T1

優(yōu)點(diǎn)：提高新蒸汽的初溫，增加循環(huán)的高溫加熱段，使循環(huán)溫差增大，熱效率提高，同時(shí)還提高乏蒸汽的干度，有利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

缺點(diǎn)：1）在新蒸汽壓力不變的情況下，提高新蒸汽初溫，需要從反應(yīng)堆一回路獲得更多的熱量，要求提高反應(yīng)堆一回路冷卻劑的溫度和壓力。而在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)完成后，一回路冷卻水溫度壓力已成定值，無(wú)法改變。

2）提高新蒸汽溫度受到蒸汽發(fā)生器材料耐熱性能的限制。

3）改變蒸汽參數(shù)導(dǎo)致的設(shè)備變更成本過(guò)高

結(jié)論：這一措施對(duì)于三廠不可取。

4.2 提高新蒸汽的初壓P1

優(yōu)點(diǎn)：提高新蒸汽的初壓，則循環(huán)的平均溫差增大，循環(huán)熱效率提高。

缺點(diǎn)：1）提高新蒸汽的壓力，需要從一回路獲得更多的熱量，要求提高一回路冷卻劑的溫度和壓力。但在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)完成后，一回路冷卻水溫度壓力已成定值，無(wú)法改變。

2）提高新蒸汽壓力受到蒸汽發(fā)生器材料強(qiáng)度和反應(yīng)堆安全要求的限制。

3）新蒸汽初壓提高的同時(shí)，乏汽的干度降低，將引起汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片的侵蝕，縮短汽輪機(jī)使用壽命。

4）改變蒸汽參數(shù)導(dǎo)致的設(shè)備變更成本過(guò)高。

結(jié)論：這一措施對(duì)于三廠不可取

4.3 降低背壓P2

優(yōu)點(diǎn)：降低背壓，即降低凝汽器壓力，使循環(huán)溫差增大，提高循環(huán)熱效率。

缺點(diǎn)：凝汽器壓力的降低導(dǎo)致，乏蒸汽干度下降，汽輪機(jī)低壓缸最后幾級(jí)葉片將受到侵蝕，影響汽輪機(jī)使用壽命。

結(jié)論：對(duì)于乏蒸汽干度下降的問(wèn)題，可通過(guò)改變汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片的材質(zhì)，如使用硬質(zhì)合金，加強(qiáng)汽輪機(jī)內(nèi)疏水，減少乏蒸汽內(nèi)夾帶水分的方式來(lái)減少侵蝕。因此這一措施可以嘗試。

5 提高凝汽器真空的理論依據(jù)

經(jīng)過(guò)上面的分析可知，對(duì)于三廠夏季汽輪機(jī)輸出功率下降的問(wèn)題，解決措施就是要提高凝汽器真空，從而增加汽輪機(jī)循環(huán)熱效率。

凝汽器真空的建立主要靠：第一、乏蒸汽到進(jìn)入凝汽器冷凝成凝結(jié)水的體積驟減，第二、抽真空系統(tǒng)連續(xù)抽出凝汽器中的不凝結(jié)氣體。由于以上兩者中前者是影響凝汽器真空的主要因素，且現(xiàn)實(shí)中夏季，啟動(dòng)第二臺(tái)維持真空泵運(yùn)行對(duì)凝汽器真空貢獻(xiàn)不大，還會(huì)導(dǎo)致大量未凝結(jié)乏蒸汽被抽出，所以下面將集中探討如何通過(guò)第一方面來(lái)改善凝汽器真空。

5.1 冷卻水流量與端差、溫升的關(guān)系分析

凝汽器中乏蒸汽與循環(huán)冷卻水之間的熱量交換可以通過(guò)下式來(lái)表示：

由公式3可知，當(dāng)乏蒸汽流量等均為定值時(shí)，循環(huán)冷卻水流量Dw與循環(huán)冷卻水溫升？駐t成反比。即如果加大冷卻水流量，則冷卻水溫升將減小。根據(jù)公式2可知冷卻水溫升？駐t減小，會(huì)促使ts向減小的方向發(fā)展。但冷卻水同樣會(huì)影響到凝汽器端差？啄t，且？啄t與冷卻水流量Dw成正比關(guān)系，即隨著冷卻水流量增大，？啄t呈增大趨勢(shì)。如何才能平衡冷卻水溫升？駐t與端差？啄t的關(guān)系從而達(dá)到降低飽和溫度ts成為關(guān)鍵問(wèn)題。

根據(jù)公式4對(duì)三者關(guān)系進(jìn)行定性分析，已知三廠凝汽器傳熱管為鈦管，其導(dǎo)熱系數(shù)k=16.7w/mk，整個(gè)凝汽器39688根傳熱管總換熱面積55000㎡，循環(huán)水流量為130104m3/h，循環(huán)冷卻水的定壓比熱容在溫升范圍內(nèi)變化較小，可取4.2kj/kg℃，將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式4內(nèi)，得出？啄t≈1/4？駐t，從而可知冷卻水流量增加對(duì)？駐t減少的影響要大于對(duì)？啄t增加的影響。

已知：a、在凝汽器設(shè)計(jì)中一般對(duì)端差的大小都是有一定要求的，一般選取在3～10℃之間，對(duì)單流程的可取偏大值，三廠凝汽器為單流程設(shè)備，而在夏季時(shí)，三廠凝汽器端差僅有約3℃，（海水出口溫度約40℃，凝汽器壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度ts約為43℃）。

b、冷卻水溫升？駐t，在夏季時(shí)約為8℃，（海水進(jìn)口溫度最高32℃，出口溫度最高40℃），由上面的分析可知，？駐t與？啄t均有可調(diào)節(jié)的空間，再聯(lián)系公式2可得出這樣的結(jié)論：冷卻水流量Dw增加將導(dǎo)致ts減小，提高凝汽器真空。

5.2 Dittus-boelter公式的論證

由公式可知，在管道尺寸不變，冷卻水物性參數(shù)不變的情況下，冷卻水流量增加時(shí)，Re受到流速的影響會(huì)增大，而Pr只與冷卻水物性相關(guān)，不發(fā)生變化，因此管道中的對(duì)流換熱，在流體流速增加時(shí)，會(huì)隨著對(duì)流換熱系數(shù)h的增大而增強(qiáng)，進(jìn)而有效地降低凝汽器真空。

5.3 結(jié)論

根據(jù)以上的推論，在三廠夏季海水溫度高時(shí)，凝汽器真空低時(shí)，可以通過(guò)增加循環(huán)冷卻水流量，來(lái)提高凝汽器真空，提升熱效率，進(jìn)而提高汽輪機(jī)輸出功率。

6 提高凝汽器真空的現(xiàn)實(shí)措施

由上面分析可知，增加循環(huán)水流量可有效提高凝汽器真空，但具體要如何實(shí)施，才能最有利的增加電廠功率輸出呢？

在三廠，凝汽器循環(huán)水由兩臺(tái)循環(huán)水泵提供，每臺(tái)泵容量為50%，功率3043kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速990rpm，泵轉(zhuǎn)速175rpm，每臺(tái)泵額定流量65048m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程12.7m。

葉片式水泵屬平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載，即其軸上需要提供的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。水泵在滿足三個(gè)相似條件（幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似）的情況下遵循相似定律。對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)輸送流體的密度不變僅轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能參數(shù)的變化遵循比例定律，即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比;壓頭（揚(yáng)程）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比;軸功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

升高循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速將會(huì)提高循環(huán)水流量，具體方式可以考慮使用高壓變頻調(diào)速器，根據(jù)工藝或外界條件的變化來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以達(dá)到調(diào)速目的。但轉(zhuǎn)速提高將不可避免的加大了循環(huán)水泵耗能，因此要比較通過(guò)增大冷卻水量提高真空付出的代價(jià)（泵功增加）和得到的收益（汽輪機(jī)功率增加）。從而得出最有利真空。

綜上所述，是對(duì)秦山三廠目前夏季凝氣器壓力低導(dǎo)致汽輪機(jī)輸出功率低于設(shè)計(jì)值這一現(xiàn)象的一些分析與建議，目的是為了能夠在夏季通過(guò)一些措施，改善凝汽器真空以提高汽機(jī)輸出功率，從而增加三廠的發(fā)電量，減輕年度發(fā)電計(jì)劃的壓力，提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]98-42100-DM-400 ?Main Condensing System.

[2]沈維道、童鈞耕《工程熱力學(xué)》高等教育出版社2007.6.

[3]郝老迷《核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)》原子能出版社2010.12.