火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行能耗分析與優(yōu)化研究

許馳

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

火電廠大型汽輪機(jī)的運(yùn)行能耗受到多種因素的影響，通過(guò)對(duì)實(shí)際能耗進(jìn)行分析，研究出火電廠大型汽輪機(jī)運(yùn)行能耗影響因素，有利于制定出更合理的降耗對(duì)策，實(shí)現(xiàn)真正意義上的能源節(jié)能降耗，此舉對(duì)于提高整個(gè)火電廠社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都有重大意義。

1 火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行能耗分析

1．1 汽耗率

火電廠大型汽輪機(jī)組每生產(chǎn)1kW·h的電能，需要消耗的蒸汽量被稱為發(fā)電機(jī)組汽耗率，這一指標(biāo)使用字母d表示。根據(jù)火電廠大型汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的需求，若想計(jì)算出汽耗率，就要對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的汽耗量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

其中，公式當(dāng)中的Pe表示的是發(fā)電機(jī)的功率；h0、hc和qrh分別表示的是汽輪機(jī)組的主蒸汽焓值、排氣焓值與吸收熱量；aj和Yj分別表示的汽輪機(jī)組系統(tǒng)的抽汽份額與做功不足系數(shù)；ηm和ηg表示的是機(jī)械效率與發(fā)電機(jī)效率。

在計(jì)算中，如果公式中的qrh數(shù)值為零，則實(shí)際機(jī)組可以被定義為對(duì)純凝機(jī)組，公式當(dāng)中的∑為零，此時(shí)上述公式對(duì)于純凝機(jī)組和非再熱機(jī)組均適用。

1．2 熱耗率

對(duì)于火電廠大型汽輪機(jī)而言，在計(jì)算熱耗率時(shí)，要先對(duì)機(jī)組的熱耗量進(jìn)行計(jì)算，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的熱耗量計(jì)算要以小時(shí)為單位。在計(jì)算中，同時(shí)還要考慮到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，以便選擇出適合的能耗指標(biāo)，解決實(shí)際的問(wèn)題。機(jī)組的汽耗率反映的是火電廠大型汽輪機(jī)組的做功情況，而熱耗率能作為單獨(dú)的能耗指標(biāo)，對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)判，綜合汽耗率和熱耗率兩項(xiàng)指標(biāo)，能夠計(jì)算分析出汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行能耗。

2 火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行能耗影響因素

2．1 溫度因素

溫度因素和壓力因素都是影響火電廠大型汽輪機(jī)能耗的主要因素。其中，溫度會(huì)影響到火電廠大型汽輪機(jī)的工作效率，并且設(shè)備的損耗也會(huì)因此發(fā)生變化。如果汽輪機(jī)本身在運(yùn)行中有較大的噴水量，或者空氣吹入量較高，同時(shí)燃料供應(yīng)短缺的情況發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致溫度不符合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的要求。如果這一問(wèn)題不能得到妥善處理，會(huì)使汽輪機(jī)本身的工作效率降低，如果水壓值不符合工況要求，就會(huì)導(dǎo)致鍋爐內(nèi)部的燃料不能充分燃燒，在蒸汽流量增加的情況下，蒸汽氣壓會(huì)相應(yīng)降低，最終降低運(yùn)行效率，增加設(shè)備能耗。

2．2 設(shè)備因素

火電廠大型汽輪機(jī)是火電廠主要的動(dòng)力設(shè)備，汽輪機(jī)中的汽缸是其重要組成部分。汽缸作用是實(shí)現(xiàn)空氣與汽輪機(jī)隔離，這種方式可以確保蒸汽直接做功于汽輪機(jī)上。因此，若想降低火電廠大型汽輪機(jī)的能耗，可以從汽缸的運(yùn)行角度著手，通過(guò)提高汽缸運(yùn)行效率的方式，以達(dá)到降低能耗的效果。但是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)火電廠大型汽輪機(jī)汽缸設(shè)備還存在一些缺陷，汽缸運(yùn)行效率往往并不能得到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)的技術(shù)設(shè)備相比，我國(guó)的火電廠大型汽輪機(jī)汽缸還有一定的提升空間。同時(shí)，在發(fā)展中也能看出，受到我國(guó)經(jīng)濟(jì)因素的影響，火電廠大部分都使用我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的汽缸設(shè)備，因此，增加了火電廠大型汽輪機(jī)運(yùn)行能耗問(wèn)題。

2．3 電力因素

火電廠大型汽輪機(jī)運(yùn)行期間，電網(wǎng)中電力負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，比較容易產(chǎn)生明顯峰谷的波動(dòng)。因此，工作人員在實(shí)際的操作中，往往會(huì)采用反復(fù)調(diào)整汽輪機(jī)運(yùn)行的方式，使其適應(yīng)不同電力負(fù)荷的變化，但是這種情況不可避免地會(huì)增加汽輪機(jī)的能耗。

3 火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行降耗對(duì)策

3．1 特性曲線

特性曲線即為調(diào)節(jié)性特征曲線，是通過(guò)計(jì)算得到的太藕節(jié)及壓力比為ε自變量的函數(shù)關(guān)系曲線。一般來(lái)說(shuō)，常用的特性曲線類型包括了反動(dòng)度特性曲線、流量特性曲線。兩種曲線的表達(dá)方式分別為：

在計(jì)算中應(yīng)用到調(diào)節(jié)特性參數(shù)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)特性曲線圖以及參數(shù)曲線進(jìn)行參考，結(jié)合特性曲線進(jìn)行變負(fù)荷熱力計(jì)算，可以在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最為精準(zhǔn)的成果。部分機(jī)組沒(méi)有調(diào)節(jié)特性曲線，而是需要根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的方式，將計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的各項(xiàng)參數(shù)納入到曲線繪制中，并且用于火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷熱力計(jì)算。

3．2 優(yōu)化方法

（1）合理設(shè)定操作工序。根據(jù)以往的研究可以得出，啟動(dòng)火電廠大型汽輪機(jī)所需的冷態(tài)氣壓值在2.5～3MPa，啟動(dòng)溫度至260～300℃，凝結(jié)器內(nèi)部的真空壓力在-50～40kPa。當(dāng)汽輪機(jī)正式進(jìn)入啟動(dòng)區(qū)間之后，首先需要通過(guò)預(yù)熱的操作方式，提高氣缸內(nèi)部的溫度，而這一環(huán)節(jié)正是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，能耗最高的環(huán)節(jié)。所以，為了降低火電廠大型汽輪機(jī)變負(fù)荷能耗，技術(shù)人員要根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不同運(yùn)行模式下汽輪機(jī)的狀態(tài)，合理地設(shè)定操作程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟動(dòng)和停止運(yùn)行的優(yōu)化。此外，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)得出，火電廠大型汽輪機(jī)的停機(jī)操作基本上發(fā)生在檢修期間，所以，工作人員還要對(duì)檢修制度進(jìn)行優(yōu)化，并在工作中嚴(yán)格貫徹落實(shí)至制度，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，并確保排查所有潛在的故障隱患，提升汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行周期。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)運(yùn)行水溫?；痣姀S大型汽輪機(jī)的運(yùn)行要滿足相應(yīng)的水溫條件，燃料的投放同樣也會(huì)受到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中水溫的影響。

例如，當(dāng)水溫較低時(shí)，火電廠大型汽輪機(jī)的運(yùn)行能耗會(huì)增加，此時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生額外的煙氣排放量，不僅拉低了火電廠大型汽輪機(jī)整體運(yùn)行效率，而且還會(huì)增加對(duì)環(huán)境的污染。所以，工作人員提出，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水溫的方式，確保水溫始終在合理的范圍內(nèi)。例如，對(duì)設(shè)備的密封管道進(jìn)行排查，防止出現(xiàn)設(shè)備漏電，保證設(shè)備密封性能良好，這種方式還可以確保加熱器始終保持正常的運(yùn)行狀態(tài)，并為設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障。

（3）優(yōu)化配置運(yùn)行參數(shù)。無(wú)論是何種工藝設(shè)備，合理的參數(shù)配置都能顯著提高設(shè)備運(yùn)行表現(xiàn)，對(duì)于汽輪機(jī)而言也不例外。火電廠大型汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)同樣可以通過(guò)科學(xué)優(yōu)化的方式，在各種監(jiān)測(cè)工具和長(zhǎng)期實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)的支持配合下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的參數(shù)組合。比如，我國(guó)某地區(qū)的火電廠大型汽輪機(jī)管理部門工作人員，為了優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)維人員和操作人員共同配合，參考了火電廠熱力系統(tǒng)的位置以及管道走向，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過(guò)調(diào)整后，熱能的損耗降到了最低水平。而且，技術(shù)部門還對(duì)高壓外下缸與中壓外下缸的輸水系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，改變了高加疏水方式，確定了最佳的參數(shù)組合。

3．3 案例分析

（1）負(fù)荷計(jì)算?；痣姀S大型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)主要參數(shù)與配置結(jié)構(gòu)為：①噴嘴汽道總數(shù)為116個(gè)；②噴嘴出口角正弦值為0.27；③噴嘴出口面積為488.2cm2；④動(dòng)葉出口角正弦值為0.40；⑤動(dòng)葉出口角直徑為1162.7cm。

為了對(duì)火電廠大型汽輪機(jī)的變負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合特性曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最終得出調(diào)節(jié)級(jí)特性參數(shù)方程為：

將火電廠大型汽輪機(jī)復(fù)合滑壓運(yùn)行的數(shù)據(jù)代入方程中，可以分別汽輪機(jī)的不同工況下的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出μ值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判斷變負(fù)荷的實(shí)際能耗。

（2）運(yùn)行優(yōu)化?；痣姀S大型汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行能耗的優(yōu)化步驟如下：

①根據(jù)汽輪機(jī)組的基本參數(shù)，以及前文提到的計(jì)算公式，可以計(jì)算出通用的變負(fù)荷運(yùn)行能耗曲線。

②在求取出結(jié)果后，使用對(duì)比分析的方式，完成數(shù)據(jù)結(jié)果的驗(yàn)證，并將正確的結(jié)果作為尋求最優(yōu)降耗方法的基準(zhǔn)參數(shù)。

③構(gòu)建復(fù)合滑壓運(yùn)行基準(zhǔn)曲線，并在其中選擇若干機(jī)組負(fù)荷點(diǎn)和主蒸汽壓力值，將選擇的數(shù)據(jù)作為初壓基準(zhǔn)值。

④根據(jù)選擇的各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，將主蒸汽壓力值基準(zhǔn)作為參照，并選擇合理三至五個(gè)不同的壓力點(diǎn)作為試驗(yàn)工況點(diǎn)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組試驗(yàn)工況點(diǎn)。對(duì)比分析不同運(yùn)行狀態(tài)現(xiàn)代的熱耗率、絕對(duì)電效率等指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)比分析的方式，將機(jī)組運(yùn)行最小熱耗率與最大電效率作為最佳工況，獲取對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力。

⑤將各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力值進(jìn)行擬合，最終得到優(yōu)化參數(shù)曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占據(jù)重要地位，在對(duì)火電廠大型汽輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改良中，要重點(diǎn)關(guān)注能源節(jié)約、提高能源利用率等方面的管理，通過(guò)采用切實(shí)有效的管理方案，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。