背压式汽轮机运行中排汽温度升高的原因及建议分析

文／冶学良 青海盐湖元品化工有限责任公司 青海格尔木 816099

冶巧萍、陈美岭 青海盐湖工业股份有限公司 青海格尔木 816099

引言：

背压式汽轮机在运转环节上是工业热量供应的主要设备机组系统，但是设备实际运行环节上，极易产生热力负荷与排汽流量不相符等问题，尤其是基础排汽流量过小，则会产生排汽温度升高现状，影响汽轮机的安全运转。所以，本次研究开展典型机组分析，针对机组负荷率、方案设计负荷等方面开展全面探索，有效减少设备进汽温度和排汽温度，保证机组安全性的情况下，提升机组的经济性。

1、背压式汽轮机运转原理

在工业生产过程中，基础排气压力明显大于大气压力的汽轮设备被称为背压汽轮机，其设备的基础排汽可以用于供热或者能量供给的中、低压汽轮设备代替原始老电厂的中、低压锅炉设备。因此该设备又被称为前置式汽轮机，此种现状不仅可以增加原始电厂的发电能力，还可以提升原始的电厂热经济性。因此供热背压式汽轮机在排汽压力方案设计上，设计数值需要根据不同供热目的所制定，而前置式汽轮设备的背压参数一般大于5MPa。其中排汽的供热系统在运转过程中被充分利用之后应凝结成水，随后在由水泵设备送回至锅炉设备作为基础的给水设施。通常供热系统的凝结水资源不能全部回收，需要及时补充水资源[1]。

背压式汽轮机运行时，发电机组所产生的电力功率主要由热量负荷所决定，所以设备运转不能同时满足热量以及电力负荷的基础需求，为此背压式汽轮机一般不能单独进行设备安装，而需要与其他凝结汽体式汽轮机相互组合，并且由凝汽式汽轮机承担应有的电力负荷变动，满足外界环境对于电力负荷的核心需求。

由于汽轮机的电力功率主要由中、低压汽轮设备所需要的蒸汽数量所决定，为此需要利用调压设备有效控制进汽量，以此有效维护排汽压力能够稳定不变，其中气压机组则需要根据电力负荷调节本身的基础进汽量，调整前置式汽轮机的排汽量。所以，在运转过程中不能由前置汽轮设备直接根据电力负荷的大小控制进汽量。由于供热背压式机组基础发电量所决定了热量负荷的基础大小，所以该设备主要适用于热力负荷相对稳定的自然环境，否则需要使用调节抽汽式汽轮机。

由于背压式汽轮机的基础排汽总量以及蒸汽基础含量相对较小，因此该设备与传统凝汽式设备相互对比，该设备所产生的基础蒸汽量较大，背压式汽轮机设备装置的热量效率相比较凝汽式汽轮设备较高，加上该设备在运行时所通过的蒸汽总量大，因此实际运转过程中凝汽式汽轮设备的高压区域，背压式汽轮机与凝汽式汽轮机的高压参数基本上处于相同状态，所以该设备使用过程中一般使用喷嘴式调节配气模式，保证设备在工作状况变动时的基础效果不大，所以该设备一般使用在热力负荷较为稳定的环境[2]。

2、机组设备运转优势

背压汽轮机主要是指设备基础排汽压力始终大于设备外部环境的大气压力，其中设备排汽一般用于提供低气压汽轮机上，以此有效代替电厂中的低压锅炉设备，因此当该设备运转过程中根据其自身操作模式又被称为前置式汽轮设备，该设备在实际运转时不仅可以有效增加原始电厂的基础发电能力，还可以从根本上增加电厂的热量经济性。所以提供热量的背压式汽轮机在排汽压力参数设置上需要根据供热方向合理设定。其中前置式汽轮机所产生的背压参数一般大于5MPa，加上设备实际运转数值则需要根据初始蒸汽机组运行参数所决定，因此当设备运转过程中，排汽在供热系统运转过程中被充分利用之后会不断凝集成为水资源，再由水泵传输至锅炉作为给水条件。

通常情况下，供热系统的凝结水资源不能全部回收，需要及时补充给水资源，所以背压式汽轮机电机组所发出的电功率主要由热量参数负荷所决定，但是此种参数设定模式则不能满足热量与电能的基础负荷需求。前置式汽轮机所产生的电功率运转过程中主要由中、低压汽轮设备所需要的蒸汽数量所决定，为此系统运转时需要充分利用调压设备有效控制设备进汽量，以此维持设备排汽压力不会产生明显变化。而背压式汽轮机运行过程中，低压机组则需要根据电力负荷需求进一步调整自身进汽量，有效改变前置式汽轮设备的基础排汽量。所以背压式汽轮设备在实际运转环节上每个单位功率所需要的蒸汽量应始终大于凝汽式汽轮机设备。

背压式汽轮机在实际操作和运转过程中，所包含的热量大多数被用户所使用，并不存在冷源的损失问题，因此该设备从所使用的燃料热量系数运转现状来看，背压式汽轮设备所装置的热量效率相对高于传统凝汽式汽轮设备。由于背压式汽轮设备在运转时可以通过较大的蒸汽流量，因此该设备运行之前可以直接使用较大尺寸数据的转动叶片，以此保证凝汽式汽轮机设备的高压参数较高。而在设备内部结构上来说，背压式汽轮机设备与传统凝汽式汽轮机设备的高压运转模式比较相似，其中背压式汽轮设备一般使用喷嘴调节气体运转速度，确保设备在运行时其运转效率转变不大。

背压式汽轮机在运转环节上与抽凝机组相比较，设备热力利用率提升了30%左右，与背压式汽轮机运转热量使用相同，所以可以提供至少2种不同的蒸汽参数，当抽汽压力为1.3MPa时，蒸汽物质能够为尿素物质提供各种工作状态。另外一种则需要经过背压压力为0.5MPa的蒸汽工作区域使用，由于机组的灵活性相对较高，因此设备在发电的同时还可以有效解决机组设备蒸汽供给不足等问题和不足。

3、机组生产工艺流程

在背压式汽轮机运转环节上，主汽门内部安装蒸汽过滤网，以此有效分离蒸汽物质中的水滴，从根本上防止杂物进入汽轮机。而背压式汽轮机主要由主要汽门经过三通连接，分别进入汽轮机汽室的两侧位置，而蒸汽则需要在汽轮机中的膨胀位置进行做功操作，有效抽出部分蒸汽进入工业热力网络，而另一部分设备进行蒸汽持续作用之后，排汽应进入排汽热网。

由于设备在运转环节上，抽汽管道上一般安装液态压力止回阀门，防止蒸汽物质倒流从而影响汽轮机的安全运转。因此当设备主要汽门关闭或者降低基础负荷时，抽汽阀门连动装置和设备同样随之作业，确保抽汽阀门操作区域的压力水分能够被有效排出，致使抽汽阀门在弹簧装置的作用下保证设备始终处于关闭状态。

电站热力系统主要由电力方案设计企业按照实际需求以及汽轮机自身情况进行方案的优化，由于背压式汽轮机组一般为中压、单缸、抽汽、背压等设备构成，所以设备机组主要以汽轮机作为主体，以冷油器、轴封加热器作为辅助设备，其中压力等级叶片在生产环节上均为我国全新研发，由于叶片造价十分低廉并且热量运转效率极高，因此成为了近几年我国大力推广的产品[3]。

为了保证背压式汽轮机能够安全和稳定运转，汽轮机生产企业积极引进最先进的电力液体调节系统，并且与计算机控制系统以及液压系统共同构成，确保系统控制精度和自动化水平较高，热电负荷自整性也大为提高。

4、背压式汽轮机温度升高现状

我国某地发电企业在运转过程中，背压式汽轮机成为了影响生产的重要因素之一，为此该设备需要根据实际运转现状设计参数和运行数据。从背压式汽轮机运行现状能够观察出，电站背压式汽轮机想要确保运行质量，进汽压力不能低于0.65MPa、进汽温度为318℃、排汽压力为0.13MPa、设备基础排汽温度应达到210℃。在方案设计时需要充分考虑设备热量负荷以及排汽流量的基础匹配性，但是背压式汽轮机实际运转过程中，实际产生2种不同类型的匹配情况：（1）由于设备基础排气流量过大，为此需要有效减少机组电力负荷情况进而解决相关问题。（2）设备如果过小，会产生排汽流量较小，产生鼓风现状，进而影响汽轮设备的基础安全性，所以必须引起高度重视。

5、背压式汽轮机温度升高原因

5.1 工程案例

某电厂背压式汽轮机系统在运转过程中，由于引进国外生产技术和制造的N600-24.2/566/566型超临界压力、双背压电机机组设备，该机组自从生产并投入使用之后，设备运转温度能够保证基本正常，但是经过设备长时间运转和技术操作过程中，该设备推力轴承工作的局部位置温度达到了105℃，此种超高温环境已经严重影响机组的正常且安全运行，所以技术人员需要针对设备运转温度过高等问题和原因进行详细分析。

背压式汽轮机发电机组发出的电功率由热负荷决定，因而不能同时满足热、电负荷的需要。加上背压式汽轮机实际运转和操作过程中，由于设备气缸生产缺陷、设备受力导致设备结构形变、隔板或者挂耳压板膨胀距离不适合等问题，结合面常会出现变形、渗漏等现象，影响机组的安全运行。

5.2 设备运转特点

背压式汽轮机在实施运转环节上，设备排汽温度升高的主要原因则是由于汽轮机内部蒸汽基础流量过小造成鼓风设备运转较低，所以汽轮机鼓风设备运转特点十分明显。

汽轮机鼓风操作过程中，汽轮机运转级别主要包含3种工作状态，当设备流过等级容积流量大幅度减少，背压式汽轮机压力级别的理想焓降含量以及轮轴焓降随之降低，因此当设备基础容积流量降低至某个参数范围时，轮轴运转效率基本为0，此时工作状态一般属于过渡工作模式，为此需要将系统大于0的工作状态成为做功状态。因此当汽轮设备的基础容积流量不断减少时，反而因为通过动态叶栅的汽流速度过小对转子零部件起到了制动作用，此时背压式汽轮机工作状态类似于鼓风机，能够将气流压力大过叶栅，此种工作状况被称为鼓风工作状态。

除此之外，背压式汽轮机所产生的鼓风特点参数主要包含温度提升率和温度提升量，所以鼓风参数与汽轮机内部蒸汽流量，与次等末级叶片内部结构具有明显联系，由于汽轮设备所产生的蒸汽流量越小，叶片等级则越长，所产生的鼓风现状越严重，严重甚至导致汽轮机气温产生明显转变，一旦汽轮机温度超过了最大限度，会导致隔板转子以及气缸等方面产生极大热量应力，造成转子零部件损坏[4]。

5.3 温度过高的原因

论文在详细分析背压式汽轮机温度提升的主要原因之后，针对各种工作状况进行深入探索最终得出相关结论：汽轮机基础排汽数量的额定范围数值明确之后，想要保证温度稳步提升，需要将汽轮机运转过程与历史工作状况对比，技术人员应详细分析原因，以便于开展针对性和目的性的应对措施。除此之外，一旦设备基础排汽流量严重低于额定设计流量，会导致设备内部不断摩擦造成温度大幅度提高。

5.4 漏气量大的原因

热电厂背压式汽轮机前后采用梳齿迷宫式气封，价格较低，结构也不复杂，运行稳定，危险系数低，同时安装简单。但是，现实中设备存在较长的轴向长度，影响整体的密封效果，因此容易造成泄露。因为存在较多的泄露蒸汽，因此大大提高了轴向加热段的长度，使得其温度随之升高，造成了较大的胀差。同时，轴上凸台和气封块的高低齿之间存在错位引起的位置偏差而倒伏，最终导致漏汽量的不断变大，因此密封情况存在较大隐患。

5.5 冷却失常原因

在汽轮机气封冷却器工作时，其第一级是真空状态，因此气封冷却器可以将泄漏的漏气抽出。所以，气封冷却器的第一级必须是与大气隔离的密封室，抽气机在工作时，密封室通常会呈现负压状态。安装背压式汽轮机时，气封冷却器的位置不能过低。但是热电厂将气封冷却器装在厂区0m处，在轴封运行状态下，第一级真空无法保证，使气封冷却器不能正常运行。

6、背压式汽轮机温度升高优化策略

针对背压式汽轮机运转现状进行详细分析，对于该设备排汽温度升高等专业技术问题，需要使用不同类型的专业技术制定应对策略，尤其需要在全新机组基础配置上开展一系列理论论证，同时在深入分析和了解设备排汽温度提高问题方面应该采取合理化措施，从根本上增加汽轮机运转安全性。

6.1 热负荷设计与实际相互匹配

在热负荷运转参数设计上需要尽可能与背压式汽轮机实际要求保持一致性，同时在考虑主要气流量以及排汽流量基础匹配程度，应该选择适合的负荷参数，从根本上避免汽轮机主要气流量低、排汽温度过高等问题，所以需要针对汽轮机热负荷的参数准确性全面把控。

6.2 设备配合运转

针对设备电站详细分析，通常情况下为了保证背压式汽轮机能够正常使用，设备在方案设计上需要与抽汽凝汽式汽轮机相互配合，此种组合模式有利于热量负荷的系统化调节和经济安全运转，此种配置模式使用效果相对较好，因此被广泛地使用在日常生产环节中，但是由于此种组合模式需要2种设备相互搭配使用，因此对设备经济性造成不利影响[5]。

6.3 额定负荷达到标准

当背压式汽轮机始终处于低负荷运转模式时，无法过多减少设备排汽压力，长期以往会导致设备中轴向推力不断增加，一旦设备基础排汽温度过高，则必须约束和限制背压式汽轮机机组运行负荷不能小于额定设计负荷的40%，从根本上确保设备能够正常运转。

6.4 引进回热系统

通常情况下，运转系统想要确保设计合理性，需要将背压式汽轮机与抽凝式汽轮机回热系统相互配合使用，同时回热系统自身作为背压式汽轮机的备用通道，完成背压式汽轮机运转的灵活性和安全性。

6.5 减少排汽温度

根据现阶段背压式汽轮机运行环节上供热温度最低数值的基础需求，需要适当减少设备进汽温度，如果当设备进汽温度下降至10℃时，其排汽温度则下降至10℃左右，阻止设备排汽温度的不断提升。

6.6 更换转子材料

如果热量负荷与设备排汽负荷在匹配过程中无法有效转变，导致排汽温度仍然处于较高水平，则需要使用更加高级别的抽汽隔板，为此应合理选择汽轮机叶片与隔板材质，有效适应排汽温度升高问题和现状，从根本上解决汽轮机末级区域以及次末级叶片区域的温度提升问题。

6.7 提升排汽质量

在背压式汽轮机运行中排汽温度升高问题研究过程中，为了不断提升排汽质量，需要充分利用锅炉设备主要蒸汽作为核心动力，结合蒸汽喷射设备、排汽升压设备解决设备蒸汽压力不足等问题，加上排汽质量水平需要利用热力计算进一步明确，所以需要不断增加锅炉热负荷，有效缓解排汽量不足等问题，因此此种技术模式成为了未来工业供热技术发展反向之一，实现了机炉耦合需求。

6.8 减少回水温度

在设备运转环节上想要大幅度减少回水温度，背压式汽轮机排汽运转需要使用采暖供热以及热泵管理等技术方式，降低热网结构回水温度，增加背压式汽轮机基础排汽流量，减少设备基础排汽温度，同时为了保证设备运转效果，不能过度降低排汽压力，最终导致设备向推力超出了标准数值范围。

6.9 冷却改造方案

在气封冷却器运行时汽轮机前后气封泄漏的蒸汽进入气封冷却器第一级冷凝。当蒸汽在冷却器中冷却后，蒸汽因为温度降低由气态变为液态，而且压力随之降低，出现负压的状态。而冷却器内部温度较高没有凝结的蒸汽则被抽汽器排出冷却器，和新蒸汽混合后输送到二级室中，保证气封泄漏蒸汽顺利排入气封冷却器。热电厂背压式水轮机安装时，在厂房0m处安装空气密封冷却器：一、二级排水直接排入地沟，由于一级室因为蒸汽冷却产生的负压而形成的真空状态，使得气封冷却器一级疏水无法自然排出冷却器外部，造成一级疏水在冷却器内部不断地积累。当一级疏水因无法排出而不断增多达到一定程度时，大大降低了冷却器的热交换面积，使得冷却器的真空度也不断降低，最终使得气封漏汽不能顺利排入气封冷却器。一般U形管间距大于600mm。由于二级冷却器内腔微正压，排水比较顺畅。

结语：

由此可见，背压式汽轮机是工业供热的主力机组，电力、钢铁、石化等电力企业、自备电站应用较多，但是实际运行中，通常出现背压式汽轮机热负荷和排汽流量不匹配的问题，尤其是机组调峰时排汽流量过小，出现排汽温度偏高的现象，通过原因分析，采取设计优化、运行方式、技术改造等技术措施是可以避免的，分析得出的技术成果对于背压机控制排汽温度高也具有借鉴意义。