煤電汽輪機節(jié)能改造優(yōu)化路徑探析

內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司 劉 銳

1 大型機組汽輪機本體節(jié)能改造概述

1.1 節(jié)能改造的基本內(nèi)容

指通過改造能耗設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用新的節(jié)能技術(shù)等方式，在對設(shè)備性能、安全性等方面造成較小影響的基礎(chǔ)上，減少設(shè)備能耗的技術(shù)過程[1]。大型機組汽輪機是很多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的核心動力設(shè)備，受到傳統(tǒng)技術(shù)機制的影響，多數(shù)大型機組汽輪機的能耗都較高，給生態(tài)環(huán)境造成較大不良影響。目前針對大型機組汽輪機本體的節(jié)能改造基本思路包括以下方面。

升級核心技術(shù)。即通過對汽輪機核心燃料系統(tǒng)、動力系統(tǒng)進行技術(shù)升級，減少其正常工況下的單位能耗；配置節(jié)能裝置。即通過配置某種節(jié)能裝置來達到優(yōu)化汽輪機運行機制、降低直接能耗目的。隨著節(jié)能技術(shù)的研究不斷深入，各種新型節(jié)能裝置及技術(shù)在大型機組汽輪機中的應(yīng)用也發(fā)揮了越來越重要的作用；優(yōu)化能源、動力結(jié)構(gòu)。即通過對汽輪機能源結(jié)構(gòu)或動力機制進行優(yōu)化設(shè)計、改造，直接減少單位能耗，或通過降低能源損失、提升能源熱效率等方式間接降耗。隨著相關(guān)領(lǐng)域?qū)C電設(shè)備運行邏輯的研究越來越深入，通過科學(xué)的汽輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計或改變油箱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化供油、供電機制，都可達到節(jié)能降耗目的。

1.2 必要性

第二次工業(yè)革命至今汽輪機技術(shù)經(jīng)過多輪革新，支持其運行所用到的燃料包括煤油、柴油、重油等，近年來也出現(xiàn)了以天然氣為主要燃料的汽輪機。但無論燃料類型如何，汽輪機運行過程的高能耗問題依然存在。尤其是在發(fā)電及部分重工業(yè)領(lǐng)域中，大型機組汽輪機的能耗問題依然非常突出。

一方面，大型機組汽輪機的單位能耗較高，需消耗大量不可再生資源；另一方面，在大型機組汽輪機運行過程中燃料燃燒會產(chǎn)生大量的污染物。尤其是一些技術(shù)相對落后的汽輪機，由于燃料燃燒不充分、熱轉(zhuǎn)化率不高，對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響更為嚴(yán)重。新形勢下，節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展已成為全球共識，我國更是將節(jié)能環(huán)保作為未來資金、技術(shù)的重點投入領(lǐng)域。積極推進大型機組汽輪機的節(jié)能改造，不僅有助于減少能耗、降低污染，還可對汽輪機結(jié)構(gòu)、能源轉(zhuǎn)化機制進行優(yōu)化，進一步提升系統(tǒng)的運行效率，對提升社會生產(chǎn)力也有積極意義。

2 大型機組汽輪機本機存在的能耗問題及影響因素

2.1 能耗問題

運行效率問題。在大型機組汽輪機本機中中壓缸和高壓缸是最為重要的構(gòu)成部分，在汽輪機組運行過程中一般中壓缸和高壓缸是合缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸部分則以獨立的中壓內(nèi)缸和高壓內(nèi)缸形式運行。這種結(jié)構(gòu)形式下較易出現(xiàn)效率較低情況，導(dǎo)致整個機組的熱耗較高。顯然，汽輪機核心組件的效率不足對整個機組的運行效能都會產(chǎn)生不良影響。

密封性問題。大型機組汽輪機運行過程中對蒸汽的加壓處理非常關(guān)鍵，對機組部分機構(gòu)的氣密性有更高要求。密封性問題的存在直接導(dǎo)致汽輪機出現(xiàn)熱損失，同時也會影響蒸汽的加壓效果，進而產(chǎn)生更高的能耗。如，大型機組汽輪機本機一般采取中壓缸和高壓缸結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，而低壓缸一般為對稱分流式。為有效滿足運行需求，中壓缸和高壓缸間對蒸汽進行加壓加熱。但受傳統(tǒng)設(shè)計及工藝的影響，部分汽輪機調(diào)節(jié)級葉頂和葉根的氣封方面存在問題，導(dǎo)致熱量散失，同時影響加壓加熱效果。

內(nèi)部蒸汽流通通道問題。在大型機組汽輪機本機的中壓、高壓缸結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部通道的構(gòu)造形式、空間大小需和實際生產(chǎn)運行需求相結(jié)合。部分汽輪機運行中，由于內(nèi)部空間存在較大間隙，導(dǎo)致蒸汽流通速率受到影響，同時也會產(chǎn)生大量的熱量散失。不僅會影響設(shè)備熱轉(zhuǎn)換效率，也會導(dǎo)致機組運行損耗較大；排氣熱損失問題。大型機組汽輪機發(fā)揮作用的關(guān)鍵在于對蒸汽的利用，而設(shè)備運行過程中必然會設(shè)計到排氣的環(huán)節(jié)。目前大多數(shù)汽輪機排出的都是高溫高熱氣體，意味著排氣過程會產(chǎn)生大量的熱量損失。另外由于部分大型機組汽輪機本機存在通道氣密性問題，也會導(dǎo)致異常排氣情況出現(xiàn)，進而產(chǎn)生更多的熱量散失。

2.2 影響因素

在大型機組汽輪機運行過程中，較常見的能耗問題包括機組本身運行效率問題和熱量損失問題，各種問題間也存在一定的聯(lián)系。

單列調(diào)節(jié)級承擔(dān)降焓過大。單列調(diào)節(jié)級所承擔(dān)的焓降過大會產(chǎn)生較大的能耗問題。近年來相關(guān)領(lǐng)域關(guān)于大型機組汽輪機本機的技術(shù)改造中，部分方法會導(dǎo)致缸體壓力級流通面積增大，同時調(diào)節(jié)劑壓力降低，這種方式也會影響系統(tǒng)能耗。在大型機組汽輪機本機運行過程中，調(diào)節(jié)級承擔(dān)的焓降在高壓缸焓降總量中的占比為3%～30%，而單列調(diào)節(jié)級承擔(dān)焓降增大時機組運行效率會降低。

調(diào)節(jié)氣門節(jié)流損失過大。通常大型機組汽輪機運行在額定負荷下運行時需打開3個調(diào)節(jié)氣門。但如調(diào)節(jié)氣門裝置出現(xiàn)故障或裝置型號不匹配，會直接影響其節(jié)流效果。另外如操作方式不規(guī)范或出現(xiàn)違規(guī)行為，也會引發(fā)節(jié)流損失過大的問題。部分大型機組汽輪機本機中氣門控制的噴嘴數(shù)量不合理、或存在噴嘴堵塞的情況，也會影響系統(tǒng)能耗。

水冷凝汽器故障。在大型機組汽輪機的整個動能結(jié)構(gòu)中水冷凝汽器是較關(guān)鍵的裝置之一，如該裝置配置不合理或出現(xiàn)故障會導(dǎo)致冷卻水質(zhì)量不佳。如水冷凝氣器密封性不足會引發(fā)蒸汽、冷卻水泄露，不僅會導(dǎo)致直接的水資源浪費現(xiàn)象，還會在一些部分留下水垢。水垢的存在和不斷累積會持續(xù)影響大型機組汽輪機的熱效率，還可能埋下安全隱患。

3 大型機組汽輪機本機改造的基本思路和方法

大型機組汽輪機本機的節(jié)能改造需結(jié)合汽輪機實際構(gòu)造、能耗機制及運行環(huán)境，從多個角度對其進行合理改造。

3.1 汽輪機機組器材改造

在大型機組汽輪機本機的節(jié)能改造中，應(yīng)從機組器材及各類零部件的角度，通過優(yōu)化選型和提升質(zhì)量可靠性等方式，充分保證本機各裝置復(fù)合設(shè)計及工藝要求。可利用三維設(shè)計技術(shù)對汽輪機內(nèi)部構(gòu)造進行可視化設(shè)計，了解在各種運行工況下相關(guān)器材、裝置的運行狀態(tài)，然后對器材進行合理改造。

如，在需解決各類閥門內(nèi)漏問題中，可在設(shè)計優(yōu)化端對汽輪機本機的閥門結(jié)構(gòu)進行明確，通過采用質(zhì)量可靠且型號對應(yīng)的閥門及科學(xué)化的安裝工藝，嚴(yán)格保證閥門密封性。同時可重點選用符合節(jié)能環(huán)保技術(shù)工藝的閥門裝置，進一步改善系統(tǒng)運行過程的熱損失問題；可在傳統(tǒng)汽輪機的構(gòu)造基礎(chǔ)上對中壓缸、高壓缸進行擴容處理，以改善其流通效率，在該過程中可利用更為先進的四維汽輪機技術(shù)進一步提升機組運行的熱效率。另外可對冷卻凝汽器裝置進行改良，提升其相關(guān)裝置結(jié)構(gòu)的氣密性，以減少汽、水滲漏的情況，進而減少能源損失。

3.2 汽輪機凸輪結(jié)構(gòu)改造

在大型機組汽輪機本機節(jié)能改造中可對凸輪機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和改造。首先對高壓缸調(diào)節(jié)氣門進行改良，同時優(yōu)化系統(tǒng)壓力配置，將高壓缸內(nèi)壓力控制在合理范圍內(nèi)以達到節(jié)能目的。然后優(yōu)化高壓缸氣門位置，結(jié)合對凸輪機構(gòu)造的改造減少氣門重疊的情況。

3.3 汽輪機真空系統(tǒng)改造

真空系統(tǒng)是大型機組汽輪機本機發(fā)揮作用的關(guān)鍵系統(tǒng)，其運行過程的各類問題也是引發(fā)能耗問題的關(guān)鍵所在。在針對大型機組汽輪機本機真空系統(tǒng)的改造中，首先可通過減少空氣分壓力來優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的壓力狀況，同時對蒸汽、熱水中的余熱進行合理回收利用，達到節(jié)能降耗的目的。隨著現(xiàn)代技術(shù)研究的不斷深入，部分大型機組汽輪機可采用部分電動或回收熱量驅(qū)動的方式以減少能耗。

4 大型機組汽輪機節(jié)能改造實例分析

某發(fā)電企業(yè)配置有125MW汽輪機裝置，在額定工況135MW下的熱耗為8165kJ/kWh，其中高壓缸效率為82.5%，中壓缸效率為92.56%（其中包含約6%的閥門壓力損失），低壓缸效率為86.66%（其中包含約3%的排汽熱損）。針對該大型機組系統(tǒng)中汽輪機本機的節(jié)能改造，適當(dāng)提升調(diào)節(jié)級壓力、降低焓降。同時基于ASME標(biāo)準(zhǔn)和機組運行情況對設(shè)備軸封進行修正，尤其是通過檢查修復(fù)軸封間隙減少運行過程的熱損失。另外，為有效提升機組的運行效率和能源利用率，還重點對機組調(diào)峰能力進行改造。

具體來講，本電站機組采取的是兩班制，非再熱機組的調(diào)峰能力尚可，但是再熱機組則較難實現(xiàn)調(diào)峰處置。為此在汽輪機本機內(nèi)采用實心軸及高窄法蘭，同時將動靜葉柵的密封形式由軸向密封改造為縱向密封，增大軸向間隙、減少泄露量。通過一系列改造，讓中壓及高壓缸差脹對運行效率的影響降低。

另外對設(shè)備原有的轉(zhuǎn)子上鑲氣封構(gòu)造改為斜平齒結(jié)構(gòu)，增大低壓差脹允許值。通過增大調(diào)節(jié)級過渡圓角及減少大軸溝槽寬度，以降低設(shè)備運行中應(yīng)力集中的情況?；诖耍瑱C組在80%左右的負荷狀態(tài)下停機8h后再次開機可快速運行至滿負荷狀態(tài)。另外，技術(shù)團隊將汽輪機本機高壓缸的材料由ZG25CrMo改造為ZG15Cr2Mo1，全面提升了缸體抗蠕變性能，進一步提升了機組的調(diào)峰性能。

在一系列改造下，經(jīng)約一月的試運行分析，設(shè)備在額定工況135MW下的熱耗為7966kJ/kWh，其中高壓缸效率為89.6%，中壓缸效率為93.17%（其中閥門壓力損失降低至5.1%），低壓缸效率為89.10%（其中排汽熱損降低至2.3%）。

綜上，應(yīng)充分結(jié)合大型機組汽輪機的運行狀況和能耗問題，對影響其運行效率及導(dǎo)致其能耗過高的原因進行全面分析。在此基礎(chǔ)上對汽輪機本機的構(gòu)造、器件、運行機制進行優(yōu)化改造，以減少不必要的熱損失，同時結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際技術(shù)需求，對汽輪機運行模式、機制進行改良，以達到全面降低機組能耗目的。