發(fā)電廠汽輪機(jī)及其輔機(jī)設(shè)備節(jié)能技術(shù)探析

內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司 王少東

發(fā)電廠早期型號(hào)汽輪機(jī)配備梳齒式汽封結(jié)構(gòu)，存在安裝間隙大、密封效果不佳的局限性，限制汽缸運(yùn)行效率提升，后續(xù)本單位將梳齒式汽封結(jié)構(gòu)更換為F 型汽封和側(cè)齒汽封結(jié)合的全新結(jié)構(gòu)形式，調(diào)節(jié)各處汽封間隙值。側(cè)齒汽封是在迷宮汽封節(jié)流過程以外再加上渦街阻汽過程，使蒸汽產(chǎn)生小渦流形成渦街。蒸汽進(jìn)入汽封齒后面的汽室，產(chǎn)生具有動(dòng)能的渦街并相互碰撞摩擦，使動(dòng)能全部消耗轉(zhuǎn)化為熱能，蒸汽流速轉(zhuǎn)化為渦街流速，一方面使流出汽室的氣流速度降低、一方面使外部高壓蒸汽進(jìn)入汽室的能力降低，密封效果顯著提高、降低了汽封漏氣，通過改善汽封密封效果來提升汽缸運(yùn)行效率、減少機(jī)組熱耗值[1]。

1 發(fā)電廠汽輪機(jī)及其輔機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造技術(shù)要點(diǎn)

1.1 汽輪機(jī)缸效提升改造

本單位在汽輪機(jī)缸效提升改造環(huán)節(jié)以汽封結(jié)構(gòu)作為改造重點(diǎn)，徹底解決原有汽封結(jié)構(gòu)軸封和汽封間隙過大問題，根據(jù)機(jī)組情況與節(jié)能改造要求來選擇恰當(dāng)?shù)钠饨Y(jié)構(gòu)，包括蜂窩汽封、布萊登汽封、側(cè)齒汽封、接觸式汽封、刷式汽封。

蜂窩汽封。以隔板汽封或是中低壓葉頂汽封作為改造部位，原位更換為蜂窩汽封，在汽流通過汽封時(shí)憑借阻力來改變汽流方向，再把汽流引入蜂窩帶出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，取得流動(dòng)阻尼效果。蜂窩汽封具備除濕功能，適用于現(xiàn)場環(huán)境較為潮濕的發(fā)電廠項(xiàng)目，但卻存在汽封磨損速度快的局限性，需要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)力度，定期更換全新汽封部件與處理轉(zhuǎn)子抱死等故障問題。

布萊登汽封。以高壓缸隔板作為改造部位，利用彈簧彈力、汽封前后蒸汽壓力差平衡力等多重作用力來調(diào)節(jié)汽封間隙值，實(shí)時(shí)感應(yīng)汽輪機(jī)組運(yùn)行工況和自調(diào)節(jié)密封間隙值，取得理想密封效果。同時(shí)此類汽封對(duì)蒸汽品質(zhì)和汽輪機(jī)前后壓差有著嚴(yán)格要求，不適用于中低壓部位。

側(cè)齒汽封。任何部位都可以作為改造位置，在原有梳齒汽封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在高齒側(cè)面增設(shè)1～2道軸向階梯形短齒，控制汽流在周邊形成渦流，起到阻攔蒸汽流動(dòng)的作用，有著易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但無法徹底解決因過度磨損而增加汽封間隙值的問題。

接觸式汽封。以汽輪機(jī)軸端汽封最外側(cè)作為改造位置，在汽封塊中間部位鑲嵌密封片，保持密封片和軸端直接接觸狀態(tài)，利用彈簧壓力驅(qū)使密封片自動(dòng)退讓，可以有效預(yù)防負(fù)壓區(qū)形成，但是對(duì)汽封材料強(qiáng)度有著嚴(yán)格要求，并且在摩擦期間持續(xù)產(chǎn)生熱量。

刷式汽封。以高壓、中壓或是低壓缸軸封處作為改造位置，拆除原有高齒部件，原位更換金屬刷式密封調(diào)，密封條高度略大于高齒高度，后續(xù)在機(jī)組運(yùn)行期間憑借密封條刷絲束來取得風(fēng)阻效果，由于刷絲具備彈性，可充分適應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)子瞬態(tài)跳動(dòng)狀態(tài)，但此類汽封的采購成本較為高昂，多用于高規(guī)格發(fā)電廠項(xiàng)目[2]。

1.2 低壓缸排汽通道改造

早期型號(hào)汽輪機(jī)普遍選擇在排汽通道內(nèi)部設(shè)置多臺(tái)低壓加熱器，配備抽汽管道與支撐鋼架，這會(huì)明顯增加低壓缸排汽阻力，由此引發(fā)排汽場汽流分配不均、渦流場、真空度低下等連鎖問題出現(xiàn)。對(duì)此需對(duì)低壓缸排汽通道進(jìn)行改造，本單位在通道內(nèi)部額外設(shè)置多干排汽導(dǎo)流板，以支撐管上部作為排汽導(dǎo)流板安裝位置，并把排汽通道直角部位變更為圓弧過渡部位。其作用是改變流體的流向，以達(dá)到改變傳動(dòng)蒸汽動(dòng)能的方向和大小的目的。加裝導(dǎo)流板后可回收低壓缸排氣的動(dòng)能，使動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗埽浞掷门艢庥嗨?，減少流動(dòng)損失。如此可以顯著降低低壓缸排汽阻力系數(shù)，提升凝汽器換熱效率。

1.3 低壓缸導(dǎo)汽管彎頭改造

傳統(tǒng)型號(hào)汽輪機(jī)普遍采取多節(jié)型焊接彎頭作為低壓缸導(dǎo)汽管彎頭，此類彎頭的結(jié)構(gòu)型式較為特殊，在汽輪機(jī)組投運(yùn)使用期間會(huì)在彎管內(nèi)部出現(xiàn)明顯的工質(zhì)流動(dòng)局部受阻現(xiàn)象，實(shí)際動(dòng)能損失量遠(yuǎn)超正常水準(zhǔn)，進(jìn)而降低了汽輪機(jī)缸效值，對(duì)此需對(duì)低壓缸導(dǎo)汽管彎頭進(jìn)行換型改造[3]。

本單位利用停機(jī)檢修時(shí)提前準(zhǔn)備若干數(shù)量的大型熱壓一體彎頭，檢查彎頭壁面光滑程度，清理表面灰塵銹跡與修補(bǔ)缺陷部位，隨后拆除原有的多節(jié)型焊接彎頭，原位安裝大型熱壓一體彎頭，更換完畢后向汽輪機(jī)通電開展調(diào)試作業(yè)，驗(yàn)證各項(xiàng)使用功能與彎頭內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)情況是否達(dá)到預(yù)期要求，改造后可提高進(jìn)出口流量均勻度。進(jìn)出口流量均勻度對(duì)低壓缸的效率著重要的影響，通過優(yōu)化進(jìn)出口的設(shè)計(jì)和增加流量控制裝置，可使進(jìn)出口流量更加均勻，以減少能量損失。

1.4 水塔噴淋裝置噴頭改造

發(fā)電廠老舊型號(hào)的水塔噴淋裝置普遍采取反射淋水盤式噴頭，此類噴頭存在淋灑面積小、存在過多盲區(qū)、散熱效果不佳、霧化能力薄弱等局限性，實(shí)際冷卻效果并未達(dá)到預(yù)期，使得循環(huán)冷卻水的實(shí)際溫度高于理想溫度，會(huì)削弱凝汽器換熱效果，致使汽輪機(jī)組長期處于低效運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)此需對(duì)水塔噴淋裝置噴頭進(jìn)行節(jié)能改造，以更換噴頭種類作為改造內(nèi)容，可使用無軸承旋轉(zhuǎn)式陀螺淋水盤噴頭來取代原裝噴頭。

根據(jù)本單位汽輪機(jī)組改造后運(yùn)行情況，新型噴頭有著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無噴灑盲區(qū)、有效噴淋面積大的優(yōu)勢(shì)，可顯著改善循環(huán)冷卻水散熱效果與凝汽器真空度，把循環(huán)冷卻水水溫始終控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)因水溫過高對(duì)機(jī)組整體運(yùn)行效率造成負(fù)面影響。

1.5 水環(huán)真空泵改造

真空泵是發(fā)電廠汽輪機(jī)組的重要組成部分，由水環(huán)、泵體、吸氣腔、排汽腔等部件組成，負(fù)責(zé)在汽輪機(jī)組啟動(dòng)期間持續(xù)維持凝汽器真空度，持續(xù)排出凝汽器外側(cè)不溶于凝結(jié)水的氣體。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來看，水環(huán)式真空泵控制工作液在泵組內(nèi)部密閉循環(huán)流動(dòng)，在抽氣混合加熱、泵輪高速攪拌等因素影響下，工作液溫度隨時(shí)間推移而持續(xù)提高，最終在超出入口負(fù)壓飽和溫度后在內(nèi)部出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，使得真空泵降低出力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致真空泵停機(jī)失效，需額外配備冷卻系統(tǒng)和定期補(bǔ)注冷卻工作液，方可滿足汽輪機(jī)組工作需要[4]。

本單位以水環(huán)泵真空泵作為節(jié)能改造對(duì)象，以提升凝汽器真空度和提升汽輪機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性作為改造目標(biāo)，在真空泵冷卻系統(tǒng)內(nèi)引入深井冷卻水，以開式冷卻真空泵和末端冷卻器的間隔部位作為深水井管道接入節(jié)點(diǎn)。如此，在系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)檢測冷卻水溫度，如果開式冷卻水溫度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)則開啟水閥來投入深井水，將深井水作為補(bǔ)充冷卻水，以此來調(diào)節(jié)水源溫度、工作液溫度和改善真空泵出力情況。

1.6 循環(huán)水系統(tǒng)改造

發(fā)電廠汽輪機(jī)普遍采取二次循環(huán)供水形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由凝汽器、自然通風(fēng)冷卻塔組成，不但負(fù)責(zé)持續(xù)提供冷卻用水，還負(fù)責(zé)向其他輔助設(shè)備提供開式冷卻水。在循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行期間，使用中水作為補(bǔ)充水源，中水本身會(huì)含有一定的雜質(zhì)，如懸浮顆粒物、膠凝物體等。所安裝轉(zhuǎn)刷式清污機(jī)僅能濾除循環(huán)水所含的大體積雜質(zhì)，無法完全濾除塑料薄膜、水塔填料碎片等小體積雜質(zhì)，此類雜物進(jìn)入凝汽器后容易堵塞換熱管，進(jìn)而降低換熱效率與增加凝汽器端差。

對(duì)此，需在轉(zhuǎn)刷式清污機(jī)后端位置加裝二次濾網(wǎng)，二次濾網(wǎng)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、排污閥門、管道等部分組成，在清污機(jī)濾除大體積雜質(zhì)后開啟排污閥門，利用網(wǎng)芯內(nèi)外水壓差，使用旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行二次過濾，濾除剩余的泥沙、懸浮物等小體積雜質(zhì)，二次過濾完畢后把出口壓差恢復(fù)至正常水準(zhǔn)。重復(fù)上述操作自動(dòng)完成循環(huán)水過濾任務(wù)，并由工作人員定期清理濾網(wǎng)，重點(diǎn)清理濾網(wǎng)表面沉積物，以此來提高過濾效率、保障過濾效果。

1.7 凝汽器抽真空系統(tǒng)改造

原有汽輪機(jī)組以水環(huán)真空泵作為抽真空系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行期間持續(xù)開展抽真空作業(yè)，水環(huán)真空泵在投運(yùn)使用期間暴露出運(yùn)行噪音分貝值超標(biāo)、夏季工作液溫度過高、異常振動(dòng)等多項(xiàng)問題，泵機(jī)入口轉(zhuǎn)子部位頻繁出現(xiàn)汽蝕缺陷等質(zhì)量通病，還有可能引發(fā)真空保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)等安全事故出現(xiàn)。因此須對(duì)凝汽器抽真空系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。本單位采取蒸汽噴射抽真空方式，加裝一級(jí)或是二級(jí)蒸汽噴射器，抽真空系統(tǒng)運(yùn)行期間憑借高速流動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力蒸汽，持續(xù)把凝汽器內(nèi)部不溶于水的氣體和動(dòng)力蒸汽相互混合處理后再通過噴射器出口向外排出，排汽經(jīng)由管道排入冷凝器，經(jīng)過冷卻處理作為疏水，將其回收到凝汽器熱井中循環(huán)使用。

同時(shí)，在凝汽器喉部下端增加除鹽水噴淋系統(tǒng)，由霧化的除鹽水與凝汽器內(nèi)的乏汽充分混合，霧化水吸收汽輪機(jī)排氣的熱量，降低上部排汽的溫度，排汽體積急劇縮小，原來被蒸汽占據(jù)的空間形成了高度真空；在汽輪機(jī)排汽口造成較高的真空使蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹到最高壓力，增加了蒸汽在汽輪機(jī)中的可用焓降，提高了低壓缸的做功效率。為保障抽真空系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，使其在復(fù)雜環(huán)境中始終保持穩(wěn)定工況，需要保留原有凝汽器真空泵，在泵機(jī)旁并聯(lián)安裝蒸汽噴射器，把原有真空泵作為備用設(shè)備，如果蒸汽噴射器無法滿足凝汽器抽真空需要，則把備用設(shè)備投入使用[5]。

1.8 變頻器改造

發(fā)電廠在汽輪機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)配備工頻循環(huán)水泵且以蝶閥作為水泵出口門，僅具備全開、全閉兩種運(yùn)行模式，通過調(diào)整水泵投入臺(tái)數(shù)、轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻水流量，現(xiàn)場運(yùn)行期間時(shí)常出現(xiàn)單臺(tái)循環(huán)水泵流量不足、多臺(tái)水泵流量超標(biāo)的問題，不但會(huì)因水泵投入臺(tái)數(shù)過多而消耗額外電能，還無法始終維持汽輪機(jī)穩(wěn)定真空狀態(tài)[6]。對(duì)此需對(duì)變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。本單位給水泵變頻改造后，將固定頻率的交流電源轉(zhuǎn)換為可變頻率的交流電源，通過變頻器控制輸出電壓的頻率和幅值來調(diào)整給水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和流量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。整體改造由一托一工頻、變頻自動(dòng)切換結(jié)構(gòu)來取代原有結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)力電纜保持電動(dòng)機(jī)和變頻器相互聯(lián)接狀態(tài)，一次動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 循環(huán)水泵一次動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，QF為高壓開關(guān)、M為電動(dòng)機(jī)、TF為變頻器，增設(shè)2臺(tái)高壓開關(guān)來確保給水泵具備工變頻切換功能。在給水泵變頻運(yùn)行期間上下口開關(guān)合閘后啟動(dòng)變頻器和給水泵，工頻運(yùn)行期間則停止斷開上下口開關(guān)與閉合水泵旁路開關(guān)。同時(shí)，做好變頻器選型工作，在現(xiàn)場高壓開關(guān)柜和高壓電機(jī)部位串聯(lián)安裝變頻器，要求變頻器滿足輸入功率因數(shù)高、瞬時(shí)失電5個(gè)周期內(nèi)仍舊保持滿載運(yùn)行狀態(tài)、具備故障電路監(jiān)測和報(bào)警功能、接受4～20mA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等條件。

2 結(jié)語

為保障發(fā)電廠汽輪機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，最大程度挖掘機(jī)組節(jié)能潛力、取得理想節(jié)能效益和發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)電廠都應(yīng)提高對(duì)汽輪機(jī)組節(jié)能改造技術(shù)的重視程度，圍繞汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行問題來設(shè)立節(jié)能改造目標(biāo)，全面掌握缸效提升改造、排汽通道改造、導(dǎo)汽管彎頭改造等節(jié)能改造技術(shù)要點(diǎn)，向汽輪機(jī)組設(shè)備改造效果提供有力技術(shù)保障，取得最佳的改造效果。