【摘 要】本文定位在秦山三厂现存的夏季汽轮机输出功率降低的问题，通过基本理论分析，得出汽轮机输出功率降低的根本原因，并对此展开讨论，通过各种公式分析与推导，最终确定可行的提高凝汽器真空，增加汽轮机输出功率的理论依据。并针对如何实施提出建议。

【关键词】输出功率;凝汽器真空;循环冷却水流量

中图分类号： TK264.11 文献标识码： A 文章编号： 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 三厂汽轮机输出功率问题

秦山三厂两台机组是凝汽式汽轮发电机组，装机容量为2×728MW，年发电量超过100亿千瓦时。目前三厂的汽轮机的实际输出电功率只有在冬季时才能达到额定的728MW，而在夏季高温时期，实际输出电功率只有680MW。输出功率的波动造成了整个机组装机容量的下降，且对于完成年度发电任务造成极大压力。

机组的功率输出为何有如此大的波动？需要通过什么手段才能增加机组的输出功率，争取超额完成发电任务？这就是本文讨论问题的所在。

2 凝汽式汽轮机做功原理与凝汽器的功能简介

2.1 凝汽式汽轮机的做功原理（朗肯循环）

实际工作中的蒸汽动力装置其内部的蒸汽动力循环过程都是以朗肯循环为基础的。朗肯循环明确的描述了蒸汽动力装置中蒸汽在各阶段的状态变化，以及能量转换的过程：

朗肯循环的工作流程：

3’-4-5-1水在蒸汽发生器中定压预热、汽化并过热，变成过热蒸汽;

1-2过热水蒸汽在汽轮机内的定熵膨胀过程;

2-3湿蒸汽在凝汽器内的定压定温冷却凝结放热过程;

3-3’凝结水在水泵中定熵压缩过程。

循环热效率的计算如下式：

在电厂中汽轮机的循环热效率一般最高只能达到40%左右。

2.2 凝汽器系统功能与组成

朗肯循环中乏蒸汽的定压凝结过程对应在秦山三厂中，就是乏蒸汽在凝汽器中的释热冷凝过程。秦三厂凝汽器是一个用海水冷却、双外壳单流程装置，属于表面式热交换。壳侧流过的是汽轮机低压缸排汽，管侧为海水。其功能是将汽轮机排出的乏蒸汽凝结成水，供给凝结水系统;并为汽轮机提供一个较低的背压，以提高机组的热循环效率。为保持凝气器真空状态，还配备了抽真空系统，用于抽出漏入冷凝器中的空气等不凝结气体，以达到最大的循环效率。

3 三厂机组输出功率波动原因分析

三厂汽轮发电机组输出功率在冬季时能够达到额定功率728MW，而夏季仅有680MW，输出功率相差近40MW，是什么原因造成如此大的功率差异？经分析，造成如此大差异的原因主要是夏季时，凝气器真空降低，在全部投运抽真空泵的情况下最低仍接近9kpa左右，无法达到设计值4.9kpa。而造成凝气器真空降低的原因，就要从三厂的循环冷却水水源来分析了。

秦山三厂冷凝器用于冷却乏蒸汽的循环水是取自杭州湾的海水，凝汽器中的真空维持主要靠乏蒸汽被循环水冷却后的体积骤减，但杭州湾海水温度在一年中的变化极大，冬季最低时为6度，而在夏季时最高可达到32度，如此大的温度变化对凝气器真空的影响可以通过下面公式2来表示：

公式2中凝气器压力下对应的乏蒸汽的饱和温度ts等于循环水入口温度tw1与循环水在凝汽器中的温升？驻t、凝汽器端差？啄t这三项之和，当海水温度升高时，凝汽器中的乏蒸汽饱和温度ts将升高，因为水蒸气的饱和温度与饱和压力是一一对应关系，所以凝汽器内的压力也将升高。凝汽器压力的升高即朗肯循环中背压P2的升高，将直接导致循环温差减小，循环热效率降低。这在三厂的实际运行中也得到了验证。

在冬季海水温度为6℃时，凝汽器真空达到4kpa，此时汽轮机的电功率输出在728MW，而在夏季海水温度为32℃时，凝汽器真空达到9kpa，此时汽轮机的电功率输出只有680MW。由此得出结论如下：海水温度的升高，导致冬夏汽轮机的功率输出相差近40MW。

4 提高汽輪机输出功率的措施分析

面对如此大的功率降低，要如何才能提高汽轮机的输出功率呢？通过朗肯循环与热效率计算公式1可知，在耗能不变的前提下提高汽机的输出功率需要提高汽机的热效率，而提高汽机热效率的方法有如下几种：

4.1 提高新蒸汽的初温T1

优点：提高新蒸汽的初温，增加循环的高温加热段，使循环温差增大，热效率提高，同时还提高乏蒸汽的干度，有利于汽轮机的安全运行。

缺点：1）在新蒸汽压力不变的情况下，提高新蒸汽初温，需要从反应堆一回路获得更多的热量，要求提高反应堆一回路冷却剂的温度和压力。而在反应堆设计完成后，一回路冷却水温度压力已成定值，无法改变。

2）提高新蒸汽温度受到蒸汽发生器材料耐热性能的限制。

3）改变蒸汽参数导致的设备变更成本过高

结论：这一措施对于三厂不可取。

4.2 提高新蒸汽的初压P1

优点：提高新蒸汽的初压，则循环的平均温差增大，循环热效率提高。

缺点：1）提高新蒸汽的压力，需要从一回路获得更多的热量，要求提高一回路冷却剂的温度和压力。但在反应堆设计完成后，一回路冷却水温度压力已成定值，无法改变。

2）提高新蒸汽压力受到蒸汽发生器材料强度和反应堆安全要求的限制。

3）新蒸汽初压提高的同时，乏汽的干度降低，将引起汽轮机最后几级叶片的侵蚀，缩短汽轮机使用寿命。

4）改变蒸汽参数导致的设备变更成本过高。

结论：这一措施对于三厂不可取

4.3 降低背压P2

优点：降低背压，即降低凝汽器压力，使循环温差增大，提高循环热效率。

缺点：凝汽器压力的降低导致，乏蒸汽干度下降，汽轮机低压缸最后几级叶片将受到侵蚀，影响汽轮机使用寿命。

结论：对于乏蒸汽干度下降的问题，可通过改变汽轮机最后几级叶片的材质，如使用硬质合金，加强汽轮机内疏水，减少乏蒸汽内夹带水分的方式来减少侵蚀。因此这一措施可以尝试。

5 提高凝汽器真空的理论依据

经过上面的分析可知，对于三厂夏季汽轮机输出功率下降的问题，解决措施就是要提高凝汽器真空，从而增加汽轮机循环热效率。

凝汽器真空的建立主要靠：第一、乏蒸汽到进入凝汽器冷凝成凝结水的体积骤减，第二、抽真空系统连续抽出凝汽器中的不凝结气体。由于以上两者中前者是影响凝汽器真空的主要因素，且现实中夏季，启动第二台维持真空泵运行对凝汽器真空贡献不大，还会导致大量未凝结乏蒸汽被抽出，所以下面将集中探讨如何通过第一方面来改善凝汽器真空。

5.1 冷却水流量与端差、温升的关系分析

凝汽器中乏蒸汽与循环冷却水之间的热量交换可以通过下式来表示：

由公式3可知，当乏蒸汽流量等均为定值时，循环冷却水流量Dw与循环冷却水温升？驻t成反比。即如果加大冷却水流量，则冷却水温升将减小。根据公式2可知冷却水温升？驻t减小，会促使ts向减小的方向发展。但冷却水同样会影响到凝汽器端差？啄t，且？啄t与冷却水流量Dw成正比关系，即随着冷却水流量增大，？啄t呈增大趋势。如何才能平衡冷却水温升？驻t与端差？啄t的关系从而达到降低饱和温度ts成为关键问题。

根据公式4对三者关系进行定性分析，已知三厂凝汽器传热管为钛管，其导热系数k=16.7w/mk，整个凝汽器39688根传热管总换热面积55000㎡，循环水流量为130104m3/h，循环冷却水的定压比热容在温升范围内变化较小，可取4.2kj/kg℃，将对应数据代入公式4内，得出？啄t≈1/4？驻t，从而可知冷却水流量增加对？驻t减少的影响要大于对？啄t增加的影响。

已知：a、在凝汽器设计中一般对端差的大小都是有一定要求的，一般选取在3～10℃之间，对单流程的可取偏大值，三厂凝汽器为单流程设备，而在夏季时，三厂凝汽器端差仅有约3℃，（海水出口温度约40℃，凝汽器压力对应饱和温度ts约为43℃）。

b、冷却水温升？驻t，在夏季时约为8℃，（海水进口温度最高32℃，出口温度最高40℃），由上面的分析可知，？驻t与？啄t均有可调节的空间，再联系公式2可得出这样的结论：冷却水流量Dw增加将导致ts减小，提高凝汽器真空。

5.2 Dittus-boelter公式的论证

由公式可知，在管道尺寸不变，冷却水物性参数不变的情况下，冷却水流量增加时，Re受到流速的影响会增大，而Pr只与冷却水物性相关，不发生变化，因此管道中的对流换热，在流体流速增加时，会随着对流换热系数h的增大而增强，进而有效地降低凝汽器真空。

5.3 结论

根据以上的推论，在三厂夏季海水温度高时，凝汽器真空低时，可以通过增加循环冷却水流量，来提高凝汽器真空，提升热效率，进而提高汽轮机输出功率。

6 提高凝汽器真空的现实措施

由上面分析可知，增加循环水流量可有效提高凝汽器真空，但具体要如何实施，才能最有利的增加电厂功率输出呢？

在三厂，凝汽器循环水由两台循环水泵提供，每台泵容量为50%，功率3043kW，电机额定转速990rpm，泵转速175rpm，每台泵额定流量65048m3/h，设计扬程12.7m。

叶片式水泵属平方转矩型负载，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。水泵在满足三个相似条件（几何相似、运动相似和动力相似）的情况下遵循相似定律。对于同一台水泵，当输送流体的密度不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律，即流量与转速的一次方成正比;压头（扬程）与转速的二次方成正比;轴功率则与转速的三次方成正比。

升高循环水泵转速将会提高循环水流量，具体方式可以考虑使用高压变频调速器，根据工艺或外界条件的变化来调节变频器的频率，以达到调速目的。但转速提高将不可避免的加大了循环水泵耗能，因此要比较通過增大冷却水量提高真空付出的代价（泵功增加）和得到的收益（汽轮机功率增加）。从而得出最有利真空。

综上所述，是对秦山三厂目前夏季凝气器压力低导致汽轮机输出功率低于设计值这一现象的一些分析与建议，目的是为了能够在夏季通过一些措施，改善凝汽器真空以提高汽机输出功率，从而增加三厂的发电量，减轻年度发电计划的压力，提高电厂运行的经济性。

【参考文献】

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

[2]沈维道、童钧耕《工程热力学》高等教育出版社2007.6.

[3]郝老迷《核反应堆热工水力学》原子能出版社2010.12.