汽輪機日常運行時，背壓(也稱“低壓缸排汽壓力”)難以避免偏離設(shè)計值，從而影響汽輪機的出力和經(jīng)濟性[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)濟性的較大影響。機組新投產(chǎn)時熱力性能考核試驗和日常運行節(jié)能減排優(yōu)化試驗、檢修前后性能對比試驗，以及經(jīng)濟性比較分析等均需依據(jù)背壓對機組熱力性能的影響關(guān)系進行偏差修正。用理論計算有時較為困難，或精度不高，故可通過高精度試驗以實測法確定背壓變化對汽輪機熱力性能的影響[3][4]。

此外，汽輪機變工況運行時，在某一穩(wěn)定進汽流量下，當(dāng)進、排汽參數(shù)和高壓調(diào)門開度不變時(最佳滑壓參數(shù)和高壓調(diào)門開度通常可通過滑壓優(yōu)化試驗確定[5])，高、中壓缸效率基本不變，汽輪機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氣動參數(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，有必要通過不同負荷工況變背壓試驗[8]，獲得低壓缸實際工作特性，以分析研究汽輪機變負荷性能狀況，為經(jīng)濟運行和末級葉片選型提供參考。

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

1 機組概況

東汽改進型1000MW汽輪機為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號N1030-24.36/600/600，額定工況設(shè)計參數(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。該機組高壓缸含有10個壓力級，雙分流中壓缸各7個壓力級，四分流低壓缸各5個壓力級，配置了新開發(fā)的高度為1200mm的末級動葉，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 改進型1000MW汽輪機縱剖面圖

2變背壓試驗情況及分析

2.1試驗方法及要點

在機組日常運行范圍內(nèi)，選取若干負荷點，每一負荷點保持汽輪機進汽流量不變(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荷最高可能運行背壓范圍內(nèi)選取三個以上不同背壓工況進行熱力性能試驗，測定機組出力和熱耗。根據(jù)試驗結(jié)果計算得到各負荷點不同背壓下機組出力、熱耗相對于設(shè)計背壓的變化量，據(jù)此繪制出當(dāng)前進汽量狀況下背壓變化對汽輪機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、改變真空泵運行數(shù)量、調(diào)整真空泵進口閥開度和向凝汽器放空氣等方法來實現(xiàn)。

為確保試驗結(jié)果的準確性，需嚴格按ASME標準[10][11]進行試驗，相同負荷不同背壓工況試驗在同一天內(nèi)連續(xù)進行，各工況穩(wěn)定后(主蒸汽壓力波動不超過0.2MPa)，連續(xù)記錄時間不小于45分鐘，數(shù)據(jù)采集頻率不大于10秒。

2.2試驗結(jié)果

在100%、75%和50%額定負荷點分別選取4～5個不同背壓工況進行試驗，試驗結(jié)果進行一類(系統(tǒng))、二類(參數(shù))修正。各工況試驗結(jié)果見表1～表3。

由表1～表3數(shù)據(jù)可知，相同負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%負荷點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

試驗結(jié)果表明，100%負荷工況下，背壓由5.5kPa上升到9.5kPa時，汽輪機熱耗由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%負荷工況下，背壓由4.7kPa變化到9.3kPa時，汽輪機熱耗上升約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%負荷工況下，背壓由5.5kPa上升3.5kPa時，汽輪機熱耗上升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熱力性能的影響規(guī)律，根據(jù)表1～表3試驗結(jié)果可推算出各負荷工況設(shè)計背壓下的熱耗和出力，并以此為基準計算變背壓工況熱耗和出力相對于設(shè)計背壓的變化量，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，汽輪機熱耗與之呈正相關(guān)變化，而出力則呈負相關(guān)變化。對于不同的負荷，背壓變化對熱耗和出力的影響率差異較大。高負荷大流量工況，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)系的汽輪機變工況特性[12][13]。

根據(jù)圖2、圖3曲線，易得到各負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，可作為該型汽輪機背壓對熱耗和出力的修正依據(jù)。

2.4變背壓特性與先進機組比較

為進一步評價東汽機組變背壓特性，將代表國內(nèi)先進水平的上汽-西門子1000MW汽輪機在某電廠通過高精度試驗獲得的背壓對出力影響關(guān)系與本次試驗結(jié)果同示于圖4進行比較。該上汽機組采用1146mm末級葉片，中低壓分缸壓力為0.625MPa，與東汽機組較接近，應(yīng)具有一定可比性。

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

2.4變背壓特性與先進機組比較

為進一步評價東汽機組變背壓特性，將代表國內(nèi)先進水平的上汽-西門子1000MW汽輪機在某電廠通過高精度試驗獲得的背壓對出力影響關(guān)系與本次試驗結(jié)果同示于圖4進行比較。該上汽機組采用1146mm末級葉片，中低壓分缸壓力為0.625MPa，與東汽機組較接近，應(yīng)具有一定可比性。

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