汽輪機(jī)高能耗成因及節(jié)能措施

戴家漲

摘? 要：經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)電力行業(yè)的發(fā)展，而火力發(fā)電是我國(guó)目前主要的發(fā)電方式，也是高耗能行業(yè)。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下，火力發(fā)電場(chǎng)的節(jié)能降耗是重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。而汽輪機(jī)是火電廠正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，如何提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率、降低能耗是亟待解決的問(wèn)題。本文首先分析了汽輪機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及影響汽輪機(jī)高能耗的主要因素。在此基礎(chǔ)上，一方面從汽輪機(jī)本體系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、冷端系統(tǒng)、排水系統(tǒng)及引入膠球清洗系統(tǒng)等方面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，另一方面從減少泄露損失方面對(duì)蒸汽輪機(jī)節(jié)能方法進(jìn)行探索。汽輪機(jī)節(jié)能降耗的研究和應(yīng)用對(duì)于電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)? 能耗? 節(jié)能? 效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0095-03

Causes of High Energy Consumption of Steam Turbines and Energy-Saving Measures

DAI Jiazhang

（Zhejiang Energy Group Aksu Thermal Power Co.， Ltd.， Aksu， Xinjiang， uygur autonomous region， 843000? China）

Abstract： Economic and social development is inseparable from the development of the power industry， and thermal power generation is currently the main power generation method in my country， and it is also a high-energy-consuming industry. Under the sustainable development strategy， the energy saving and consumption reduction of thermal power plants is a key concern. The steam turbine is the key equipment for the normal operation of thermal power plants. How to improve the operating efficiency of the steam turbine and reduce the energy consumption is an urgent problem to be solved. This article first analyzes the composition of the steam turbine system and the main factors affecting the high energy consumption of the steam turbine. On this basis， on the one hand， the steam turbine body system， regenerative system， cold end system， drainage system and the introduction of the rubber ball cleaning system are optimized to achieve energy-saving goals. On the other hand， the steam turbine energy-saving methods are reduced in terms of leakage loss. Explore. The research and application of steam turbine energy saving and consumption reduction are of great practical significance for the sustainable development of the power industry and for ensuring the stable operation of the national economy.

Key Words： Steam turbine; Energy consumption; Energy saving; Efficiency

汽輪機(jī)也稱(chēng)蒸汽透平發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種旋轉(zhuǎn)式蒸汽動(dòng)力裝置，高溫高壓蒸汽穿過(guò)固定噴嘴成為加速的氣流后噴射到葉片上，使裝有葉片排的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)外作功。蒸汽輪機(jī)是發(fā)電廠發(fā)電的主要設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在運(yùn)行中，蒸汽輪機(jī)的不規(guī)則運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致蒸汽輪機(jī)的各個(gè)部分發(fā)生變化。這種不當(dāng)操作將導(dǎo)致過(guò)載，這將增加蒸汽輪機(jī)的能耗。在使用過(guò)程中，蒸汽輪機(jī)將不斷打開(kāi)和關(guān)閉，這是高能耗的原因之一[1]。

1? 汽輪機(jī)的構(gòu)成和分類(lèi)

汽輪機(jī)由靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分組成。靜止部分包括汽缸、隔板、噴咀和軸承等;轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括軸、葉輪、葉片和聯(lián)軸器等;此外，還有汽封和盤(pán)車(chē)裝置。汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按工作原理區(qū)分，主要包括蒸汽在各級(jí)噴嘴（或靜葉）中膨脹的沖動(dòng)式汽輪機(jī)，蒸汽在靜葉和動(dòng)葉中都膨脹的反動(dòng)式汽輪機(jī)，以及蒸汽在噴嘴中膨脹后的動(dòng)能在幾列動(dòng)葉上加以利用的速度級(jí)汽輪機(jī)[2]。

按熱力特性區(qū)分，主要包括凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機(jī)等類(lèi)型。凝汽式汽輪機(jī)排出的蒸汽流入凝汽器，排汽壓力低于大氣壓力，因此具有良好的熱力性能，是最為常用的一種汽輪機(jī)。供熱式汽輪機(jī)既提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械，又提供生產(chǎn)或生活用熱，具有較高的熱能利用率。背壓式汽輪機(jī)的排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機(jī)。抽汽式汽輪機(jī)是能從中間級(jí)抽出蒸汽輪機(jī)的葉片汽供熱的汽輪機(jī)。飽和蒸汽輪機(jī)是以飽和狀態(tài)的蒸汽作為新蒸汽的汽輪機(jī)。

2? 影響汽輪機(jī)高能耗的因素

作為電廠原動(dòng)機(jī)的汽輪機(jī)，相應(yīng)的汽輪機(jī)組能夠使得熱能、電能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，汽輪機(jī)可以和鍋爐、泵、加熱器等一起使用。汽輪機(jī)組的能耗偏高原因有兩個(gè)：第一是汽機(jī)本身，外缸和噴嘴室容易變形，軸端汽封和隔板汽封漏氣情況較嚴(yán)重，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)提升力不充足，低壓缸出汽邊水腐蝕比較嚴(yán)重，氣閥壓損失較大，熱力系統(tǒng)容易出現(xiàn)泄漏，汽輪機(jī)組自身泄漏情況也比較嚴(yán)重;第二是機(jī)組的調(diào)整和運(yùn)行方面。凝汽器的真空有些偏高、冷卻水的過(guò)高溫度、實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷和參數(shù)沒(méi)有對(duì)應(yīng)、未采取運(yùn)行技術(shù)及優(yōu)化運(yùn)行方式等都會(huì)增加能耗的運(yùn)行，使電廠成本支出加大[3-4]。

在汽輪機(jī)實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，除噴嘴損失、動(dòng)葉片損失和離開(kāi)速度損失外，還有端壁損失、扇形損失、盤(pán)式摩擦損失，部分進(jìn)氣損失、泄漏損失、水分損失等階段。階段的實(shí)際焓降降低，并且由于這些損失，效率降低。以某脈沖式汽輪機(jī)為例，分別計(jì)算了高壓缸和中壓缸階段的損失分配。根據(jù)兩個(gè)階段的位置，不存在部分進(jìn)入損失和水分損失。

脈沖或反作用蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間有一定的徑向間隙，并且一個(gè)間隙的兩側(cè)具有一定的壓力差。因此，會(huì)導(dǎo)致工作蒸汽從間隙泄漏到隔膜或葉片的背面，并造成泄漏損失。除了按需要向下游流動(dòng)外，蒸汽還會(huì)在固定葉片和轉(zhuǎn)子之間，或者在旋轉(zhuǎn)葉片尖端和固定缸之間泄漏。密封件提供了一個(gè)或多個(gè)限制，以最小化這些泄漏流。顯然，各種類(lèi)型的密封件的尖端與相鄰的旋轉(zhuǎn)或固定部分之間的間隙越小，不良的泄漏就越少。泄漏損失通常包括隔膜填料的泄漏損失和尖端泄漏損失。

3? 蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能

加強(qiáng)對(duì)火力發(fā)電節(jié)能減排的研究，已成為維護(hù)中國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題[5-6]。本文從蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化和減少泄露損失兩個(gè)方面進(jìn)行汽輪機(jī)節(jié)能探討。

3.1 蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 冷端系統(tǒng)改造

在循環(huán)水系統(tǒng)中安裝第二個(gè)過(guò)濾器大大緩解了冷凝器堵塞的問(wèn)題。在循環(huán)泵上加裝變頻器，根據(jù)冷卻水量調(diào)節(jié)泵功率，節(jié)省大量電能。采用真空泵工作液冷卻裝置，提高夏季冷凝器的真空度，延長(zhǎng)了真空泵的使用壽命。

3.1.2 排水系統(tǒng)改造

使渦輪機(jī)和渦輪機(jī)的疏水通道進(jìn)入不同的疏水膨脹位置，調(diào)節(jié)支管和總管之間的角度，并使進(jìn)入方向朝向疏水膨脹器，以確保疏水性平滑。在主蒸汽管和再熱蒸汽管的疏水管道上加裝節(jié)流裝置，避免由于主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)值過(guò)高以及冷卻水不足而導(dǎo)致疏水膨脹的溫度過(guò)高和過(guò)壓的情況。

3.1.3 引入膠球清洗系統(tǒng)

使用有效的膠球清洗系統(tǒng)可達(dá)到95%或更高的集球率，減少冷凝器污垢系數(shù)，改善傳熱效果，并改善冷凝器真空度。

3.2 減少泄露損失

蒸汽輪機(jī)中發(fā)生的主要損失是作為泄漏而發(fā)生損失，該泄漏使蒸汽繞過(guò)葉片排，因此對(duì)葉片排中產(chǎn)生的功率不做任何功[7]。為了提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，汽輪機(jī)流道的設(shè)計(jì)間隙很小，通常約為0.5～1mm。

采用新型的接觸鐵氧體蜂窩狀蒸汽密封代替舊的迷宮梳狀蒸汽密封，蜂窩密封技術(shù)的作用是節(jié)流膨脹和渦流消散能量。節(jié)流膨脹原理類(lèi)似于舊的迷宮梳蒸汽密封。渦流耗散能量是由于氣體進(jìn)入密封腔后突然填充到蜂窩孔中。蜂窩芯吸收了能量，但蜂窩單元無(wú)法存儲(chǔ)能量，因此蜂窩孔會(huì)阻止蒸汽泄漏。與傳統(tǒng)的蒸汽密封相比，蜂窩蒸汽密封可以使徑向間隙減小，減少泄漏，并吸收蒸汽中的水分，有效減少葉片的侵蝕。蜂窩狀蒸汽密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)踐表明，改造機(jī)組的熱耗率降低了4.9%以上，汽缸效率提高了3%～5%，技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)非常接近機(jī)組的設(shè)計(jì)值。在變化的負(fù)載條件下運(yùn)行的熱耗率單位趨于平穩(wěn)。年節(jié)能量為4萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，該機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益得到了明顯改進(jìn)，節(jié)能效果顯著。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)蒸汽輪機(jī)的組成和分類(lèi)的分析，得出汽輪機(jī)高能耗的影響因素主要包括本體系統(tǒng)和蒸汽泄露兩個(gè)原因。繼而通過(guò)蒸汽輪機(jī)本體系統(tǒng)的優(yōu)化以及泄露損失的減少措施，不僅提高了能源效率和經(jīng)濟(jì)效率，而且還提高了蒸汽的有效利用率。為蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)改造和節(jié)能潛力的挖掘提供了指導(dǎo)。此外，相關(guān)措施也可廣泛應(yīng)用于工業(yè)供熱、工藝流程和行業(yè)回收系統(tǒng)的各個(gè)部門(mén)，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的節(jié)能效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 王建錄，張曉東，侯明軍.超超臨界二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].熱力發(fā)電，2017，46（8）：11-15.

[2] 袁榮科.淺談提高燒結(jié)余熱發(fā)電量的技術(shù)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化[J].科技資訊，2019，17（18）：34-35.

[3] 陳榮青.關(guān)于電廠熱機(jī)設(shè)備運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題及技術(shù)研究[J].化工管理，2017，40（6）：78-82.

[4] 胡華強(qiáng)，徐運(yùn)達(dá)，李曉倩. 燃?xì)狻羝?lián)合電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化與循環(huán)水泵的選擇[J]. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2020（11）：30-34.

[5] 薛鋒.汽輪機(jī)通流部分故障及診斷分析[J].科技資訊，2019，17（25）：62-64.

[6] 張立春.火電廠機(jī)組汽輪機(jī)本體檢修的幾點(diǎn)思考[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，32（25）：58-61.

[7] 楊宇，王家鋆.汽輪機(jī)缸效率變化對(duì)熱耗率影響的計(jì)算方法研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2021，63（1）：5-7.