優(yōu)化汽輪機(jī)熱耗高的措施芻議

徐 巍

優(yōu)化汽輪機(jī)熱耗高的措施芻議

徐 巍

徐 巍 崔志寧 邱 影

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所

徐巍，女，出生于遼寧省沈陽(yáng)市，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，本科學(xué)歷，工程師，職務(wù)：設(shè)計(jì)人員，研究方向：汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，電力企業(yè)這一國(guó)家壟斷行業(yè)正在面臨國(guó)際大軍的挑戰(zhàn)。與日韓、歐美國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的汽輪機(jī)設(shè)備雖然能以其短交貨期和價(jià)格低廉勝人一籌，但其關(guān)鍵性能卻無(wú)法與其他國(guó)家媲美，技術(shù)落后使這一方面的差距逐年增大，大大打擊了國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使市場(chǎng)份額占有率降低。怎樣優(yōu)化汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高汽輪機(jī)熱效率是目前汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家亟須解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)熱耗高這一問(wèn)題有針對(duì)性地進(jìn)行探討，并總結(jié)出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施建議。

在近十年里，中國(guó)電力企業(yè)順應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的潮流大量開(kāi)發(fā)外貿(mào)市場(chǎng)，向國(guó)外，特別是亞洲國(guó)家出口了大量電力設(shè)備。然而，在出口期間，汽輪機(jī)以價(jià)格戰(zhàn)略打入國(guó)外市場(chǎng)，片面的注重成本控制，忽視了產(chǎn)品性能和質(zhì)量的保障和優(yōu)化。汽輪機(jī)頻發(fā)故障、性能測(cè)試不合格等各種問(wèn)題屢次發(fā)生，由此引發(fā)了不少合同糾紛，這類情況的出現(xiàn)使電力產(chǎn)品質(zhì)量名譽(yù)大大受損，為其在國(guó)際市場(chǎng)的立足和業(yè)務(wù)擴(kuò)展畫(huà)上一個(gè)感嘆號(hào)。

對(duì)汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)熱效率的高低能反映出火電機(jī)組從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到安裝調(diào)試、運(yùn)行管理這一系列的水平高低，除此之外，解決汽輪機(jī)熱耗高的問(wèn)題能提高發(fā)電廠的可靠性、安全性，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文借鑒國(guó)內(nèi)一些汽輪機(jī)生產(chǎn)商的經(jīng)驗(yàn)，以專業(yè)角度分析如何優(yōu)化汽輪機(jī)熱耗高出現(xiàn)的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，從而提高中國(guó)汽輪機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

汽輪機(jī)組凈熱耗=［WT（HT-HF）+WR（HR）］/（KWG-∑K Wi）（KJ/KW·h）

上述公式中，WT是主蒸汽量（kg/h），HT是主汽門(mén)入口蒸汽焓（kJ/kg），HR是通過(guò)再熱器的蒸汽焓值差（kJ/kg），WR是再熱蒸汽流量（kg/h），KWG是發(fā)電機(jī)終端輸出功率（KW），HF是省煤器進(jìn)口給水焓（kJ/ kg），∑K Wi指取電動(dòng)主油泵、靜態(tài)勵(lì)磁時(shí)消耗的功率（KW）。

由這一公式可以分析得出，汽輪機(jī)的熱耗主要表現(xiàn)在以下過(guò)程中。

1.新蒸汽參數(shù)：新蒸汽的溫度高低與耐熱高的屬性相關(guān)。公式中，排汽壓力不變時(shí)，熱效率的提高與新蒸汽參數(shù)直接相關(guān)。

2.給水加熱：保持背壓和功率、新蒸汽參數(shù)相同的情況下，給水加熱過(guò)程增加了進(jìn)汽量，從而使排汽量相應(yīng)減少。普遍來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)師會(huì)安排一除氧器、三高壓加熱器、四低壓加熱器的結(jié)構(gòu)。

3.背壓：保持新蒸汽參數(shù)不變，加速熱效率循環(huán)的一大方法是降低背壓，這一方法能有效降低平均放熱溫度。然而，要想降低背壓，要有效控制水溫、冷卻水源等熱條件，同時(shí)要增大汽輪機(jī)的凝汽器及末級(jí)扇葉，這些做法都會(huì)提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本，要按照實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況選用。

4.再熱循環(huán)：一般的汽輪機(jī)提高熱效率的措施都是中間再熱，以保證再熱蒸汽的熵值，提高其溫度。

優(yōu)化汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)

我國(guó)汽輪機(jī)在出口貿(mào)易上處于劣勢(shì)，提高汽輪機(jī)熱效率，要從其本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。參照中國(guó)某主要汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家的汽輪機(jī)參數(shù)，分析得出以下幾個(gè)措施來(lái)優(yōu)化汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)。

1.改進(jìn)汽封系統(tǒng)

一般的汽封系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子會(huì)磨損鐵素體汽封，導(dǎo)致汽封間隙增大，喪失了原有的密封功能。在提升技術(shù)的前提下，新型的高低齒汽封，即DAS汽封，改善了鐵素體汽封齒的缺陷，同時(shí)確保了轉(zhuǎn)子和鐵素體汽封二者不被磨損，提高了密封強(qiáng)度，有效優(yōu)化了汽輪機(jī)的熱功能系統(tǒng)。但是美中不足的是，這種高低齒汽封設(shè)計(jì)僅僅允許0-0.13毫米的間隙，不易操作，對(duì)安裝技術(shù)要求的提高使得現(xiàn)場(chǎng)工作的工作量以及工作難度也隨之提高。

2.通流部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化

適時(shí)優(yōu)化汽輪機(jī)的通流部分這一措施對(duì)汽輪機(jī)熱耗率的降低程度最為明顯。具體的操作可由以下五個(gè)方面作為出發(fā)點(diǎn)。

1）改善動(dòng)葉根部發(fā)動(dòng)度，重新設(shè)計(jì)葉片型線，通過(guò)這兩個(gè)步驟來(lái)相應(yīng)降低動(dòng)、靜葉在汽輪機(jī)工作過(guò)程中的熱損失；

2）增加高壓缸級(jí)數(shù)從而提高速比；

3）設(shè)計(jì)更優(yōu)的動(dòng)葉型線和動(dòng)葉圍帶形狀，從而提高動(dòng)葉流動(dòng)效率和級(jí)效率；

4）提高級(jí)后壓力，降低級(jí)焓降；

5）調(diào)節(jié)中壓缸的級(jí)間焓降分配和葉高的指數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)提高汽輪機(jī)速比。

3.拉長(zhǎng)低壓缸中末級(jí)葉片

優(yōu)化汽輪機(jī)熱耗的另一個(gè)重要途徑是增加做功能力，為達(dá)到這種效果在理論上可以通過(guò)拉長(zhǎng)低壓缸中的末級(jí)葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)下汽輪機(jī)組的動(dòng)靜平衡技術(shù)不夠成熟，沒(méi)能把這一設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但是，這種方法的有效性是毋庸置疑的，在對(duì)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)過(guò)程中應(yīng)勇于創(chuàng)新。

優(yōu)化熱力系統(tǒng)以提高汽輪機(jī)熱效率

目前，中國(guó)超臨界機(jī)組大多數(shù)是以主蒸汽壓力24.2MPa，再熱蒸汽溫度及主蒸汽溫度為566℃，再熱壓降損為10％，凝汽器背壓為10.13kPa等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，保證汽輪機(jī)的熱耗在1888keal/KW.h。而要提高汽輪機(jī)熱效率，可以通過(guò)以下幾種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

保證再熱熱段管道的完整性。通過(guò)增大熱段管道口徑值能減少對(duì)管道的壓損，這一措施普遍來(lái)說(shuō)能降低2％管道壓損率，從而降低13kJ/KW .h的熱量消耗。

減少凝汽器背壓。舉現(xiàn)階段印度正在實(shí)施的項(xiàng)目作為例子分析，該項(xiàng)目循環(huán)水保持33-34℃的年均溫度，控制凝汽管9～11℃的換熱端差。凝汽器換熱面積的增大，加上冷卻塔換熱面積的增大，都能減少凝汽器背壓，然而，要實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，會(huì)同時(shí)要求增高運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)的高度以及加深凝汽器坑。分析發(fā)現(xiàn)，這一舉措大大提高了建筑成本，因而沒(méi)辦法要求凝汽器的背壓無(wú)限降低。就現(xiàn)階段來(lái)看，10.13kPa減到9.55kPa的背壓水平是允許的，這樣一來(lái)大概可降低30KJ/KW .h的熱耗。

提高再熱蒸汽和主蒸汽的溫度。以經(jīng)濟(jì)角度看來(lái)，要想提高主蒸汽的溫度，就要求汽輪機(jī)高壓缸、鍋爐的所有參數(shù)都進(jìn)行優(yōu)化，這一舉措所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本是巨額的。因而，通過(guò)提高主蒸汽溫度來(lái)提高汽輪機(jī)熱效率的方法并不可取，但是假若提高再熱蒸汽溫度，只需要重新設(shè)計(jì)鍋爐管排，在再熱熱段用P92材質(zhì)的管道代替常規(guī)的P91材質(zhì)，而對(duì)其他方面的設(shè)計(jì)沒(méi)有改變太多，從經(jīng)濟(jì)角度看來(lái)具有一定的可行性。假設(shè)把再熱蒸汽的溫度由566℃改成600℃，就能降低約63KJ/KW .h的熱量損耗。

除此之外，治理內(nèi)漏閥門(mén)和改造疏水系統(tǒng)也是降低汽輪機(jī)熱耗的一大有效措施。疏水閥門(mén)在處于高溫高壓時(shí)會(huì)有內(nèi)漏現(xiàn)象產(chǎn)生，第一會(huì)使汽輪機(jī)的熱耗急劇增加，第二會(huì)加重凝汽器的熱負(fù)荷，沒(méi)辦法保證機(jī)組的真空狀態(tài)，這兩方面的弊端都會(huì)降低汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)型。因此，有效治理內(nèi)漏閥門(mén)、優(yōu)化疏水系統(tǒng)是非常必要的，可對(duì)泄漏嚴(yán)重的疏水氣動(dòng)門(mén)采用研磨處理，或直接更換。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件允許的條件下，簡(jiǎn)化疏水系統(tǒng)，把多余的閥門(mén)去掉，從本質(zhì)上降低系統(tǒng)內(nèi)漏的幾率。在汽輪機(jī)工作過(guò)程中，要減少在低負(fù)荷狀態(tài)下疏水門(mén)長(zhǎng)期打開(kāi)的狀態(tài)。在低負(fù)荷狀態(tài)且高蒸汽溫度時(shí)，只要保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒就能關(guān)掉疏水門(mén)，這樣能降低能耗，但也要求操作人員在工作流程中做好工作對(duì)接。

采用低負(fù)荷調(diào)節(jié)汽門(mén)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造也是降低汽輪機(jī)熱耗的一個(gè)方式。依照現(xiàn)階段測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，熱耗率在汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的增量很小。因此，在平時(shí)管理優(yōu)化閥門(mén)時(shí)，按照現(xiàn)兩閥開(kāi)啟的運(yùn)作方式來(lái)控制主汽壓時(shí)能夠在一定程度上減少低負(fù)荷調(diào)峰工作時(shí)候的熱耗。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，汽輪機(jī)在100％到70％電負(fù)荷的條件下工作，負(fù)荷10％的減少量與熱耗率0.3％的增加量相對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)，汽輪機(jī)機(jī)組的熱耗增加很少，而相反的，高壓缸效率2％的減少量與負(fù)荷10％的減少量相對(duì)應(yīng)。由此可得，這一控制閥門(mén)的方法同時(shí)兼顧了循環(huán)效率與高壓缸效率的變化，值得堅(jiān)持。

通過(guò)實(shí)施以上優(yōu)化措施，汽輪機(jī)的熱耗可以低至1862.8keal/KW. h。除此之外，假設(shè)背壓再降低0.85kPa，即可再有39KJ/KW. h的熱耗降低。在考慮上述舉措來(lái)優(yōu)化汽輪機(jī)熱效率時(shí)，要充分考慮設(shè)計(jì)成本問(wèn)題，特別時(shí)在降低背壓的過(guò)程中，更要牢牢結(jié)合公司經(jīng)濟(jì)能力來(lái)進(jìn)行，要在保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的基礎(chǔ)上進(jìn)行汽輪機(jī)優(yōu)化改造工作。

結(jié)語(yǔ)

從汽輪機(jī)作業(yè)成本看來(lái)，理論上說(shuō)，越早投資進(jìn)行汽輪機(jī)改造就收益得越早，否則因短回收期的限制，投資收益差。就目前電力企業(yè)來(lái)說(shuō)，因設(shè)備的生產(chǎn)任務(wù)多，三到六年之后實(shí)施改造能夠較合理地保證汽輪機(jī)的改造質(zhì)量。通過(guò)以上措施的改進(jìn)，汽輪機(jī)和熱力系統(tǒng)會(huì)更加完善，能有效率地優(yōu)化汽輪機(jī)熱耗高的問(wèn)題，從技術(shù)上保證和支持了我國(guó)汽輪機(jī)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步進(jìn)軍和擴(kuò)寬國(guó)際市場(chǎng)。而這些研究雖然在一定程度上解決了汽輪機(jī)熱耗高的問(wèn)題，但還是需要相關(guān)專家和技術(shù)人員不斷探討對(duì)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)和工作流程的改進(jìn)方法，從而使我國(guó)電力企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈、復(fù)雜多變的市場(chǎng)大環(huán)境中保有長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.055