汽輪機(jī)日常運(yùn)行時(shí)，背壓(也稱“低壓缸排汽壓力”)難以避免偏離設(shè)計(jì)值，從而影響汽輪機(jī)的出力和經(jīng)濟(jì)性[1]。因季節(jié)變換引起冷卻水溫大幅變化等因素，背壓變化范圍較大[2]，由此導(dǎo)致對出力和經(jīng)濟(jì)性的較大影響。機(jī)組新投產(chǎn)時(shí)熱力性能考核試驗(yàn)和日常運(yùn)行節(jié)能減排優(yōu)化試驗(yàn)、檢修前后性能對比試驗(yàn)，以及經(jīng)濟(jì)性比較分析等均需依據(jù)背壓對機(jī)組熱力性能的影響關(guān)系進(jìn)行偏差修正。用理論計(jì)算有時(shí)較為困難，或精度不高，故可通過高精度試驗(yàn)以實(shí)測法確定背壓變化對汽輪機(jī)熱力性能的影響[3][4]。

此外，汽輪機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，在某一穩(wěn)定進(jìn)汽流量下，當(dāng)進(jìn)、排汽參數(shù)和高壓調(diào)門開度不變時(shí)(最佳滑壓參數(shù)和高壓調(diào)門開度通常可通過滑壓優(yōu)化試驗(yàn)確定[5])，高、中壓缸效率基本不變，汽輪機(jī)熱力性能受低壓缸效率影響。而低壓缸效率受末級葉片排汽余速損失的變化影響較大[6]。排汽余速損失與作為末級葉片基準(zhǔn)氣動(dòng)參數(shù)的排汽容積流量近似呈倒拋物線關(guān)系[7]，由此決定了低壓缸效率與排汽容積流量近似呈拋物線關(guān)系的低壓缸工作特性。因此，有必要通過不同負(fù)荷工況變背壓試驗(yàn)[8]，獲得低壓缸實(shí)際工作特性，以分析研究汽輪機(jī)變負(fù)荷性能狀況，為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和末級葉片選型提供參考。

東方汽輪機(jī)有限公司(以下簡稱“東汽”)對第一代百萬千瓦汽輪機(jī)進(jìn)行了全面改進(jìn)，其中末級動(dòng)葉采用新開發(fā)的1200mm長葉片，并在后續(xù)高效百萬千瓦機(jī)組上進(jìn)行了普及，取得了良好的實(shí)效[9]。利用首次應(yīng)用該長葉片的改進(jìn)型1000MW汽輪機(jī)投產(chǎn)后熱力性能考核試驗(yàn)機(jī)會(huì)，進(jìn)行了針對該機(jī)型的變背壓熱力特性試驗(yàn)研究。

1 機(jī)組概況

東汽改進(jìn)型1000MW汽輪機(jī)為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)N1030-24.36/600/600，額定工況設(shè)計(jì)參數(shù)為：功率1030MW，主蒸汽量2814t/h，主蒸汽壓力24.36MPa，主、再熱蒸汽溫度600℃，背壓4.7kPa，中低壓分缸壓力0.649MPa。該機(jī)組高壓缸含有10個(gè)壓力級，雙分流中壓缸各7個(gè)壓力級，四分流低壓缸各5個(gè)壓力級，配置了新開發(fā)的高度為1200mm的末級動(dòng)葉，單排汽口環(huán)形面積11.71m2，采用無調(diào)節(jié)級節(jié)流配汽，縱剖面圖如圖1。

                                             圖1 改進(jìn)型1000MW汽輪機(jī)縱剖面圖

2變背壓試驗(yàn)情況及分析

2.1試驗(yàn)方法及要點(diǎn)

在機(jī)組日常運(yùn)行范圍內(nèi)，選取若干負(fù)荷點(diǎn)，每一負(fù)荷點(diǎn)保持汽輪機(jī)進(jìn)汽流量不變(高壓調(diào)門開度和主、再熱蒸汽參數(shù)不變)，在當(dāng)前可能獲得的最低背壓至該負(fù)荷最高可能運(yùn)行背壓范圍內(nèi)選取三個(gè)以上不同背壓工況進(jìn)行熱力性能試驗(yàn)，測定機(jī)組出力和熱耗。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到各負(fù)荷點(diǎn)不同背壓下機(jī)組出力、熱耗相對于設(shè)計(jì)背壓的變化量，據(jù)此繪制出當(dāng)前進(jìn)汽量狀況下背壓變化對汽輪機(jī)出力和熱耗的相對影響曲線。

背壓的控制可通過調(diào)整循環(huán)水流量、改變真空泵運(yùn)行數(shù)量、調(diào)整真空泵進(jìn)口閥開度和向凝汽器放空氣等方法來實(shí)現(xiàn)。

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需嚴(yán)格按ASME標(biāo)準(zhǔn)[10][11]進(jìn)行試驗(yàn)，相同負(fù)荷不同背壓工況試驗(yàn)在同一天內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，各工況穩(wěn)定后(主蒸汽壓力波動(dòng)不超過0.2MPa)，連續(xù)記錄時(shí)間不小于45分鐘，數(shù)據(jù)采集頻率不大于10秒。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

在100%、75%和50%額定負(fù)荷點(diǎn)分別選取4～5個(gè)不同背壓工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一類(系統(tǒng))、二類(參數(shù))修正。各工況試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。

由表1～表3數(shù)據(jù)可知，相同負(fù)荷不同背壓工況因高壓調(diào)門開度不變，主蒸汽壓力變化不大，主蒸汽流量較穩(wěn)定，100%、75%和50%負(fù)荷點(diǎn)不同背壓工況最大相對偏差分別為1.0%、1.1%和3.3%，由此確保了試驗(yàn)結(jié)果具有較好的客觀性。

2.3背壓變化對熱力性能影響分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，100%負(fù)荷工況下，背壓由5.5kPa上升到9.5kPa時(shí)，汽輪機(jī)熱耗由7455 kJ/(kW˙h)上升到7619 kJ/(kW˙h)，相對變化約2.2%;出力由1033MW下降到1011MW，相對變化約2.12%。該工況下，背壓平均每變化1kPa分別影響熱耗和出力約0.55%和0.53%。

75%負(fù)荷工況下，背壓由4.7kPa變化到9.3kPa時(shí)，汽輪機(jī)熱耗上升約3.5%，出力下降約3.0%。該工況下，背壓平均每變化1kPa分別影響熱耗和出力約0.76%和0.65%。

50%負(fù)荷工況下，背壓由5.5kPa上升3.5kPa時(shí)，汽輪機(jī)熱耗上升4.7%左右，出力下降4.2%左右。該工況下，背壓平均每變化1kPa分別影響熱耗和出力約1.34%和1.21%。

為更直觀地反映背壓變化對汽輪機(jī)熱力性能的影響規(guī)律，根據(jù)表1～表3試驗(yàn)結(jié)果可推算出各負(fù)荷工況設(shè)計(jì)背壓下的熱耗和出力，并以此為基準(zhǔn)計(jì)算變背壓工況熱耗和出力相對于設(shè)計(jì)背壓的變化量，以最小二乘擬合法繪制成圖2、圖3所示熱耗、出力與背壓關(guān)系曲線。

由圖2、圖3曲線可知，隨著背壓的變化，汽輪機(jī)熱耗與之呈正相關(guān)變化，而出力則呈負(fù)相關(guān)變化。對于不同的負(fù)荷，背壓變化對熱耗和出力的影響率差異較大。高負(fù)荷大流量工況，背壓變化對熱耗和出力的影響率相對較小，而低負(fù)荷小流量工況，這一影響率明顯增大。此現(xiàn)象反映了背壓變化對熱耗和出力的影響率與排汽流量呈反比例關(guān)系的汽輪機(jī)變工況特性[12][13]。

根據(jù)圖2、圖3曲線，易得到各負(fù)荷工況背壓變化對熱耗和出力相對影響量的關(guān)系式。對這些關(guān)系式求取一階導(dǎo)數(shù)，得出對應(yīng)于不同背壓下熱耗和出力的修正率，可作為該型汽輪機(jī)背壓對熱耗和出力的修正依據(jù)。

2.4變背壓特性與先進(jìn)機(jī)組比較

為進(jìn)一步評價(jià)東汽機(jī)組變背壓特性，將代表國內(nèi)先進(jìn)水平的上汽-西門子1000MW汽輪機(jī)在某電廠通過高精度試驗(yàn)獲得的背壓對出力影響關(guān)系與本次試驗(yàn)結(jié)果同示于圖4進(jìn)行比較。該上汽機(jī)組采用1146mm末級葉片，中低壓分缸壓力為0.625MPa，與東汽機(jī)組較接近，應(yīng)具有一定可比性。

上述背壓變化與汽輪機(jī)熱耗和出力修正量、修正率的關(guān)系即為東汽1200mm末級葉片的特性。

2.4變背壓特性與先進(jìn)機(jī)組比較

為進(jìn)一步評價(jià)東汽機(jī)組變背壓特性，將代表國內(nèi)先進(jìn)水平的上汽-西門子1000MW汽輪機(jī)在某電廠通過高精度試驗(yàn)獲得的背壓對出力影響關(guān)系與本次試驗(yàn)結(jié)果同示于圖4進(jìn)行比較。該上汽機(jī)組采用1146mm末級葉片，中低壓分缸壓力為0.625MPa，與東汽機(jī)組較接近，應(yīng)具有一定可比性。

由上圖可知，滿負(fù)荷工況下，黑色實(shí)線代表的東汽機(jī)組在大部分背壓范圍內(nèi)，背壓對出力的影響率小于黑色虛線代表的上汽機(jī)組;50%負(fù)荷工況下，紅色實(shí)線代表的東汽機(jī)組在大部分背壓范圍內(nèi)，尤其是7.5kPa以下的日常運(yùn)行區(qū)間，背壓對出力的影響率與紅色虛線代表的上汽機(jī)組較接近。由此表明，東汽改進(jìn)型1000MW機(jī)組背壓變化對熱力性能影響較小，具有良好的變背壓特性。