汽輪機(jī)系統(tǒng)能耗分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉 渤

（國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

引言

近幾年，國(guó)內(nèi)非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)出高速發(fā)展的局面，火電裝機(jī)相應(yīng)占比有所降低。然而，在國(guó)家電力領(lǐng)域的發(fā)展中，火力發(fā)電占主導(dǎo)位置的狀況，在短期內(nèi)依然是不會(huì)發(fā)生改變的。盡管我國(guó)近年來(lái)火電機(jī)組的能耗水平逐漸降低，然而相較于部分發(fā)達(dá)國(guó)家，依然存在一定的差距。針對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的能耗實(shí)際分布情況加以分析，有利于挖掘火電機(jī)組在節(jié)能方面的潛力，優(yōu)化改造汽輪機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)、為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供理論指導(dǎo)[1]。

1 汽輪機(jī)能耗產(chǎn)生的主要因素

蒸汽在汽輪機(jī)中經(jīng)多種不同方式實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，便構(gòu)成各不相同的汽輪機(jī)工作原理。汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的主要設(shè)備，且廣泛應(yīng)用于船舶、化工業(yè)中。

1.1 汽輪機(jī)設(shè)備因素

從火電應(yīng)用的汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，汽缸是汽輪機(jī)的核心部位，能夠?qū)崿F(xiàn)汽輪機(jī)外部空氣與同流的有效分離，并且保障汽輪機(jī)組正常運(yùn)行，為汽輪機(jī)提供可靠的電力輸出。因此，為了有效解決汽輪機(jī)能耗問題，必須全面掌握汽輪機(jī)組汽缸的工作原理，充分發(fā)揮汽缸在整個(gè)汽輪機(jī)中的作用，提高運(yùn)行效率。但是，我國(guó)當(dāng)前汽輪機(jī)應(yīng)用技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定的差距。由于我國(guó)技術(shù)人員的專業(yè)水平不足，許多自主研發(fā)的汽輪機(jī)汽缸存在一定的缺陷，其實(shí)際運(yùn)行效率無(wú)法滿足額定功率，因此造成汽輪機(jī)運(yùn)行效率低下，造成能源浪費(fèi)，不利于節(jié)能降耗的發(fā)展目標(biāo)。

1.2 汽輪機(jī)溫度和蒸汽壓力因素

汽輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)受到蒸汽壓力和外界溫度的影響，一般情況下，在汽輪機(jī)的汽缸運(yùn)行中，氣缸內(nèi)的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而影響氣缸內(nèi)燃燒溫度的主要原因包括噴水量、空氣量等因素。如果噴水量超出了常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)加大汽輪機(jī)中的汽缸壓力，影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行，加大燃料消耗。如果燃料供給不足，會(huì)導(dǎo)致溫度無(wú)法滿足實(shí)際要求，出現(xiàn)加熱器積垢問題，也會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的汽缸運(yùn)行效率產(chǎn)生影響，這些因素都是增加汽輪機(jī)能耗的主要原因。倘若汽輪機(jī)的空氣吹入量不足，會(huì)造成汽輪機(jī)汽缸壓力下降，氣缸內(nèi)的燃料燃燒不充分，汽輪機(jī)工作效率不高，從而造成大量的燃料浪費(fèi)。

1.3 人為因素

在汽輪機(jī)的汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)指派專業(yè)技術(shù)員開展汽輪機(jī)的狀態(tài)維護(hù)和檢查檢修等工作，保障汽輪機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)故障影響火電廠的正常生產(chǎn)。汽輪機(jī)的檢修、檢查和養(yǎng)護(hù)工作，都是人為操作完成的。倘若技術(shù)人員難以維持循環(huán)水系統(tǒng)、凝汽器以及汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，就會(huì)影響汽輪機(jī)的運(yùn)行環(huán)節(jié)，加大汽輪機(jī)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性，能源消耗增大，汽輪機(jī)工作效率降低，不利于節(jié)能降耗。

2 汽輪機(jī)節(jié)能改造可行性研究

2.1 經(jīng)濟(jì)效益層面的可行性

為了全面推進(jìn)汽輪機(jī)應(yīng)用過程中的節(jié)能降耗效果，在節(jié)能改造過程中，必須對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化。要重視汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的投入情況分析，同時(shí)也要對(duì)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造的成本以及節(jié)能收益成果進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，確保汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，在開展汽輪機(jī)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)改造中，改造費(fèi)用都會(huì)比新采購(gòu)汽輪機(jī)的成本低，同時(shí)通過合理的結(jié)構(gòu)改造，也能夠?qū)崿F(xiàn)汽輪機(jī)與新型節(jié)能汽輪機(jī)達(dá)到近乎相同的節(jié)能效果。改造后的汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，也能滿足火電廠的節(jié)能要求，對(duì)電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益具有顯著提升。因此，從火電廠經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)看，通過對(duì)汽輪機(jī)節(jié)能改造設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)企業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2.2 技術(shù)改造層面的可行性

隨著我國(guó)當(dāng)前汽輪機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該領(lǐng)域的節(jié)能降耗技術(shù)也不斷成熟。在火電廠的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，通過合理的優(yōu)化可以全面提升汽輪機(jī)組的能源轉(zhuǎn)化率，并且有效降低汽輪機(jī)運(yùn)行中的能源損耗，提高汽輪機(jī)組的安全性，保障汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，從技術(shù)角度來(lái)看，開展汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)火電廠的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展也具有重要意義。

3 汽輪機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 低加改造混合式加熱器

在汽輪機(jī)組熱力系統(tǒng)中，回?zé)嵯到y(tǒng)是其中主要的構(gòu)成部分，回?zé)峒訜崞魇窍到y(tǒng)中的主要設(shè)備之一。一般在這個(gè)系統(tǒng)，除了除氧器應(yīng)用混合式加熱器之外，其它加熱器均為表面式。一些業(yè)界人士針對(duì)這一系統(tǒng)的布置進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用混合式加熱器可以明顯提升汽輪機(jī)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。因此，用混合式加熱器替換其中一臺(tái)或幾臺(tái)表面式加熱器，在燃煤電站的節(jié)能優(yōu)化改造中具有一定可行性[2]。

依照電廠混合加熱器的相關(guān)應(yīng)用，在其改造方面，通過重力式系統(tǒng)的布置方法加以改造，同時(shí)結(jié)合布置的難易程度以及可行性等方面進(jìn)行考慮，僅僅對(duì)于其中的一臺(tái)或者兩臺(tái)低加熱器進(jìn)行相應(yīng)改造。對(duì)于回?zé)嵯到y(tǒng)的布置，我們提出三種不同的混合加熱器應(yīng)用方式：一是將8 號(hào)低加熱器轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜郊訜崞?。二是? 號(hào)低加熱器轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜郊訜崞?。三是? 號(hào)與8 號(hào)低加熱器共同轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜郊訜崞鳌?/p>

由于采用重力式系統(tǒng)布置的方式，會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水流動(dòng)壓頭不足的現(xiàn)象，因此，將水泵加裝于混合式加熱器后。

3.2 采用低溫省煤器結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的超臨界機(jī)組中，大部分機(jī)組尾部位置煙氣相應(yīng)的溫度都超過120 ℃，這一部分熱量實(shí)際上存著者較好的應(yīng)用價(jià)值。若是直接將其排放出去，便會(huì)導(dǎo)致一定量的排煙損失，在燃煤機(jī)組的眾多類型損失中，排煙損失所占據(jù)的比例超過50%。因此，對(duì)鍋爐尾部相應(yīng)位置的溫度加以控制，是燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一個(gè)主要方式[3]。如今，在各種煙氣余熱應(yīng)用方式中，在空氣預(yù)熱器之后的尾部煙道中實(shí)施低溫省煤器的布設(shè)是較為常用的方式。低溫省煤器主要應(yīng)用于鍋爐尾部產(chǎn)生的煙氣，針對(duì)低壓加熱側(cè)對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水實(shí)施一定的加熱處理，在換熱條件上和省煤器比較相似，但水側(cè)溫度低于省煤器相應(yīng)的溫度，所以將其稱為低溫省煤器。安裝低溫省煤器，汽輪機(jī)組中的回?zé)嵯到y(tǒng)便可以得到一份外來(lái)的熱量，可以有效回收相應(yīng)的排煙熱損失，并顯著提升電廠的熱效率。伴隨能源價(jià)格的不斷上漲，節(jié)能減排壓力逐漸加大，在汽輪機(jī)機(jī)組中進(jìn)行低壓省煤器的加裝的經(jīng)濟(jì)作用也越發(fā)凸顯。

3.2.1 低溫省煤器的布置

低溫省煤器是鍋爐尾部位置煙氣余熱應(yīng)用的一種相關(guān)設(shè)備，通常在鍋爐尾部煙道進(jìn)行安裝，位于脫硫除塵器之前、空氣預(yù)熱器之后，亦有部分安裝于脫硫除塵器之后。相關(guān)文獻(xiàn)中闡述過其他不同的安裝方式，例如，德國(guó)的部分汽輪機(jī)機(jī)組采取多臺(tái)換熱器相應(yīng)的旁路煙道技術(shù)。有學(xué)者提出雙級(jí)低壓省煤器煙氣利用技術(shù)，同時(shí)針對(duì)其實(shí)施了經(jīng)濟(jì)性分析。因國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)機(jī)組煙氣的溫度通常在120～130 ℃范圍內(nèi)，相較于應(yīng)用旁路煙道機(jī)相應(yīng)的機(jī)組溫度相對(duì)偏低，低溫省煤器通常在空氣預(yù)熱器之后進(jìn)行安裝。鍋爐一側(cè)的低溫省煤器在空氣預(yù)熱器之后進(jìn)行安裝，這一部分煙氣在鍋爐內(nèi)部的換熱中不進(jìn)行參與，因此，除卻煙氣凝結(jié)所導(dǎo)致的一些腐蝕性問題以外，安裝低溫省煤器并不會(huì)給鍋爐的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響。

3.2.2 低溫省煤器水側(cè)連接方式

在汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中，低壓省煤器存在著多種不同的連接方式，而且各種不同的連接方式對(duì)于汽輪機(jī)機(jī)組所帶來(lái)熱經(jīng)濟(jì)性方面的影響也存在一定的差異。相關(guān)研究人員根據(jù)某發(fā)電廠600 MW 發(fā)電機(jī)組性能試驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)信息，充分應(yīng)用等效焓降的基本原理，針對(duì)汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中低壓省煤器幾種不同連接方式相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性加以分析，根據(jù)最佳的方案對(duì)電廠實(shí)施了相應(yīng)改造。研究人員利用對(duì)低溫省煤器改造中水側(cè)系統(tǒng)采用不同連接方式的對(duì)比，得出不同連接方式對(duì)汽輪機(jī)機(jī)組在經(jīng)濟(jì)方面的影響。

由于鍋爐尾部煙氣的溫度通常為129 ℃，可以被加熱的僅有6 號(hào)、7 號(hào)和8 號(hào)低壓加熱器之間的凝結(jié)水，因此，進(jìn)行四種低溫省煤器汽輪機(jī)側(cè)相應(yīng)的布置方式：一是采用串聯(lián)的連接方式，在6 號(hào)和7 號(hào)低加之間進(jìn)行串聯(lián)。二是采用并聯(lián)的方式，在2 號(hào)和6 號(hào)低加之間進(jìn)行并聯(lián)。三是采用并聯(lián)的方式，在6 號(hào)和7 號(hào)低加之間進(jìn)行并聯(lián)。四是采用并聯(lián)的方式，8 號(hào)和7 號(hào)低加進(jìn)行并聯(lián)。

3.3 設(shè)置冷卻水降溫系統(tǒng)

對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，常見的水循環(huán)系統(tǒng)包括開式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于開式水循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種模式下的水循環(huán)的冷卻水溫度受到外部因素的影響，而閉式水循環(huán)系統(tǒng)冷卻水的溫度受到的影響因素較多，主要為設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。所以，為了能夠更好地發(fā)揮節(jié)能降耗需求，提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，必須由專門技術(shù)人員定期開展水循環(huán)系統(tǒng)的檢查工作，在檢查水循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，也要對(duì)水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合實(shí)際檢測(cè)結(jié)果設(shè)置有效的解決措施。在條件允許的情況下，還可以采用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行處理。當(dāng)遇到冷卻法問題時(shí)，也會(huì)引發(fā)溫度急劇上升，因此，要時(shí)刻關(guān)注冷卻水的溫度，并做好冷卻塔水冷卻裝置的定期維護(hù)，保障汽輪機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免冷卻塔出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，提高冷卻循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[4]。

3.4 汽輪機(jī)供水溫度調(diào)控

火電廠汽輪機(jī)整個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)所消耗的燃料與供水的溫度有著直接關(guān)聯(lián)，而且，當(dāng)電廠汽輪機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下，倘若供水溫度偏低，就必須及時(shí)補(bǔ)充燃料，這樣直接造成整個(gè)汽輪機(jī)運(yùn)行過程中大量排煙，出現(xiàn)部分熱量隨著煙氣排放而流失，導(dǎo)致汽輪機(jī)燃燒率有所降低[5]。因此，為了實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行節(jié)能降耗的目的，必須有效提升汽輪機(jī)燃燒效率，并有效控制汽輪機(jī)供水溫度，這一環(huán)節(jié)對(duì)技術(shù)人員的要求較高，不僅要求技術(shù)人員能夠熟練掌握各類設(shè)備的基本運(yùn)行原理，同時(shí)還要確保每一個(gè)操作都嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。此外，應(yīng)制定完善的維護(hù)體系，有效開展維護(hù)工作，規(guī)避汽輪機(jī)內(nèi)部存在的溫度故障。技術(shù)人員還要實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)汽輪機(jī)供水環(huán)節(jié)中的水溫狀態(tài)，確保水溫以及水位線都滿足正常標(biāo)準(zhǔn)，為供水架設(shè)系統(tǒng)的密封性提供可靠支持。在進(jìn)行檢查過程中發(fā)現(xiàn)密封不嚴(yán)的現(xiàn)象，應(yīng)該及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理，提高汽輪機(jī)供水系統(tǒng)的密封效果，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也提高供水溫度，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)節(jié)能降耗的運(yùn)行效果。

3.5 改進(jìn)汽輪機(jī)啟停模式

對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行原理分析發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)的啟停系統(tǒng)和汽車的啟停系統(tǒng)原理大致相同，當(dāng)汽輪機(jī)在啟動(dòng)或者停止模式下，都會(huì)不同程度地造成柴油損耗。因此，如果能夠采取科學(xué)的方法，對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)與停止模式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，就能夠有效降低汽輪機(jī)的能源損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。為此，我們必須合理優(yōu)化汽輪機(jī)的啟動(dòng)和停止運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)在汽輪機(jī)運(yùn)行前，要全面監(jiān)控汽輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，做好汽輪機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高汽輪機(jī)運(yùn)行的節(jié)能效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在電力行業(yè)，保持汽輪機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的意義，同時(shí)也應(yīng)做好相關(guān)的降低能量損耗工作，這便需要對(duì)汽輪機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，針對(duì)其中存在的不足加以改進(jìn)，提高汽輪機(jī)運(yùn)行的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，確保火電廠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟，持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。