基于熱力分析的火電廠汽輪機性能優(yōu)化研究

摘 要：針對火電廠汽輪機的性能優(yōu)化進行深入探討，采用熱力分析作為主要研究手段。通過詳細分析汽輪機在不同工況下的熱力性能，揭示影響其效率的關(guān)鍵因素。建立汽輪機熱力模型，對其在不同負荷和運行參數(shù)下的效率進行模擬分析。結(jié)果表明，汽輪機內(nèi)部泄漏、熱力過程不完善以及排氣損失是制約其性能提升的主要問題。本文提出的優(yōu)化措施包括改進密封結(jié)構(gòu)、優(yōu)化熱力系統(tǒng)設(shè)計以及提高排氣系統(tǒng)的效率等。通過對比優(yōu)化前后的性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些措施能有效提高汽輪機的整體效率，降低能耗。為火電廠汽輪機性能優(yōu)化提供理論支持，也為相關(guān)行業(yè)的節(jié)能減排提供實踐指導，具有較高的工程應用價值。

關(guān)鍵詞：熱力分析；火電廠；汽輪機；性能優(yōu)化；節(jié)能減排法

中圖分類號：TM 62" " 文獻標志碼：A

火電廠作為支撐全球電力供應的重要基石，其運行效率直接關(guān)系到能源利用與環(huán)境保護平衡[1]。汽輪機作為火電廠核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接影響電廠的整體效率和經(jīng)濟效益。隨著能源緊缺和環(huán)境問題日益突出，對汽輪機性能進行優(yōu)化，提高其熱效率，已成為當前火電行業(yè)亟待解決的問題[2]。通過深入熱力分析，探尋汽輪機性能提升潛力點，為火電廠節(jié)能減排提供科學依據(jù)[3]。通過精細化建模和仿真分析，系統(tǒng)地評估汽輪機在不同運行條件下的性能表現(xiàn)，識別能量損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并提出針對性的優(yōu)化策略。期望能為火電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量，推動汽輪機技術(shù)向著更高效、更環(huán)保的方向邁進。

1 熱力分析及建模

熱力分析是火電廠汽輪機性能優(yōu)化研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是深入理解和改進汽輪機性能的理論基礎(chǔ)。熱力分析主要涉及熱力學第一定律和第二定律應用，通過這兩個定律，可以精確地分析和計算汽輪機在工作過程中的能量轉(zhuǎn)換和損失情況[4]。在熱力分析前，需要建立一個精確熱力模型。這個模型是理論研究與實際運行之間的橋梁，它能夠幫助模擬和分析汽輪機的實際運行情況，找出性能瓶頸，提出優(yōu)化方案[5]。確定模型范圍和精度。由于汽輪機是一個復雜系統(tǒng)，包括多個相互關(guān)聯(lián)的部件，例如高壓缸、中壓缸、低壓缸、進汽閥門、排汽閥門等，因此需要根據(jù)研究目的和實際需求來選擇模型的詳細程度。本研究采用集總參數(shù)法，將汽輪機劃分為不同的功能區(qū)域，每個區(qū)域都用一組參數(shù)來描述其熱力狀態(tài)。

為了建立一個精確熱力模型，需要定義汽輪機各組件和其間熱力學過程。

1.1 模型劃分

將汽輪機簡化為幾個主要部分，見表1。

1.2 模型假設(shè)

蒸汽在汽輪機中的流動是一維的。

忽略汽輪機內(nèi)部的摩擦損失。

汽輪機的效率只與進出口狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。

1.3 熱力學方程

每個部分都可以建立熱力學方程，如公式（1）～公式（3）所示。

進汽部分的計算過程如公式（1）所示。

[h1=h{f，in}]

[s1=s{f，in}] （1）

式中：h1和s1分別為進汽部分的焓和熵；h{f，in}和s{f，in}為進入汽輪機的蒸汽的焓和熵。

高壓缸部分的計算過程如公式（2）所示。

[w{hp}=h1-h2]

[＼eta{hp}=＼frac{w{hp}}{h1-h{2s}}] （2）

式中：w{hp}為高壓缸的輸出功；h2為高壓缸出口的焓；h{2s}為等熵過程中高壓缸出口的焓；＼eta{hp}為高壓缸的效率。

中壓缸和低壓缸的方程與高壓缸類似，只是參數(shù)不同。

排汽部分的計算過程如公式（3）所示。

[h{ex}=h{f，out}]

[s{ex}=s{f，out}] （3）

式中：h{ex}和s{ex}分別為排汽部分的焓和熵；h{f，out}和s{f，out}為離開汽輪機的蒸汽的焓和熵。

可以在每個缸的效率中考慮泄漏和損失。如果高壓缸有內(nèi)部泄漏，那么其效率會下降，這可以通過降低（＼eta_{hp}）來模擬。給定進口蒸汽的狀態(tài)（壓力、溫度或焓、熵）以及各缸的效率，可以逐步計算汽輪機各部分的出口狀態(tài)和輸出功。這通常需要使用蒸汽性質(zhì)表或相應的軟件庫來獲取蒸汽的熱力學性質(zhì)[6]。基于質(zhì)量守恒、能量守恒和熱力學第二定律，建立一系列微分方程和代數(shù)方程，來描述汽輪機內(nèi)部工質(zhì)的流動、傳熱和做功過程。這些方程中包括多個未知數(shù)，例如溫度、壓力、熵、焓等，它們之間的關(guān)系復雜而微妙，需要通過數(shù)值方法進行求解[7]。在建模過程中，特別考慮汽輪機內(nèi)部的泄漏和熱損失。內(nèi)部泄漏是汽輪機性能下降的主要原因之一，它會導致蒸汽在缸體內(nèi)部發(fā)生不必要的流動和混合，從而降低有效做功。為準確模擬這種現(xiàn)象，在模型中引入了泄漏系數(shù)和泄漏路徑的概念，通過調(diào)整這些參數(shù)來反映不同工況下的泄漏情況[8]。

在汽輪機運行過程中部分熱量會通過缸體、軸承和密封件等部件散失到環(huán)境中，造成能源浪費。為了量化這種損失，采用傳熱學基本原理，計算各部件的熱阻和熱流密度，從而得到熱損失的具體數(shù)值。將所有方程和參數(shù)整合到一個統(tǒng)一的數(shù)學模型中，形成一個完整的熱力模型。這個模型不僅能夠模擬汽輪機的穩(wěn)態(tài)運行過程，還能夠分析動態(tài)過程中的性能變化。通過對比模擬結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)，可以驗證模型的準確性和可靠性，為后續(xù)的性能優(yōu)化工作提供堅實的基礎(chǔ)。

2 火電機組的性能及耗差分析

2.1 實時數(shù)據(jù)的校正處理

從分散控制系統(tǒng)（DCS）中獲取的實時數(shù)據(jù)，在火電機組性能分析中占有舉足輕重的地位。為保證數(shù)據(jù)的準確性與完整性，必須經(jīng)過一系列校正處理。性能分析對數(shù)據(jù)有幾個核心要求：不僅要求主要設(shè)備運行參數(shù)數(shù)據(jù)完整，還必須涵蓋難以檢測到的特殊參數(shù)，例如汽輪機的排汽焓等。不僅要求各參數(shù)變化趨勢準確，還要求具體數(shù)值精確，例如主汽流量的檢測精度。數(shù)據(jù)的一致性也至關(guān)重要，例如主汽流量與機組負荷之間應當保持邏輯上的一致性。當DCS提供實時數(shù)據(jù)不滿足上述要求時，就需要進行數(shù)據(jù)校正。這個過程涵蓋數(shù)據(jù)預處理、粗差檢驗、數(shù)據(jù)修補以及機組能量平衡校驗。數(shù)據(jù)預處理常采用慣性濾波處理算法，以消除動態(tài)滯后所帶來的誤差。粗差檢驗則主要根據(jù)上下游及相關(guān)參數(shù)的變化趨勢，來驗證數(shù)據(jù)的準確性和趨勢正確性。需要對不完整或失真數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)修補。這時會使用經(jīng)過基準熱力試驗樣本標定的機理模型，來重建這些缺失或失真的參數(shù)。而機組能量平衡校驗，則是對主汽流量等重要參數(shù)進行進一步校驗，以保證基于這些參數(shù)的性能指標與機組負荷保持一致。

2.2 火電機組性能指標的實時監(jiān)測與分析

火電機組性能指標分為機組級和設(shè)備級兩大類。機組級指標如圖1所示，反映了機組的整體性能。而設(shè)備級指標，例如鍋爐效率、汽輪發(fā)電機組熱耗率、廠用電率等，更側(cè)重于反映各個設(shè)備的運行效率。為實時監(jiān)測和分析這些性能指標，需要不斷地收集和校正實時數(shù)據(jù)。通過對比歷史數(shù)據(jù)和行業(yè)標準，可以及時發(fā)現(xiàn)機組或設(shè)備的性能下降或異常情況，以便采取相應的優(yōu)化或維修措施。這種實時監(jiān)測和分析對提高火電機組的運行效率、延長設(shè)備使用壽命、減少能源浪費和環(huán)境污染都至關(guān)重要。更重要的是，它為評估和改進火電機組的整體性能提供了一個科學、客觀的方法。

2.3 火電機組耗差指標的在線分析

在火力發(fā)電領(lǐng)域，耗差現(xiàn)象源自機組實際運行參數(shù)，與理想狀態(tài)或設(shè)計基準值偏離相比，這種偏離會直接導致能耗增加。這些參數(shù)包括但不限于主蒸汽溫度、壓力、給水溫度、凝汽器真空度等。當這些參數(shù)偏離理想值時，就會導致機組的效率下降，煤耗增加，從而影響電廠的經(jīng)濟效益。

3 試驗結(jié)果與分析

為驗證優(yōu)化措施有效性，對優(yōu)化前后的汽輪機進行對比試驗。根據(jù)某電廠#3機組的實時運行數(shù)據(jù)，對機組在247MW負荷下工況進行詳細耗差分析。在鍋爐側(cè)發(fā)現(xiàn)主要耗差來源包括排煙溫度、飛灰含碳量等。以排煙溫度為例，實時數(shù)據(jù)顯示，排煙溫度略高于設(shè)計值，導致熱效率降低和煤耗增加。通過調(diào)整燃燒控制和空氣預熱器運行，可以有效降低排煙溫度，從而提高鍋爐效率。根據(jù)預定的閥點和負荷基準，全負荷段工況性能試驗精心選取了8個不同的負荷點。而在寬負荷配汽方式試驗中，對每個負荷點的5個工況進行測試。在這些測試中，主汽壓力和高壓調(diào)節(jié)閥開度被調(diào)整改變，而其他運行條件則保持不變。對變背壓特性性能試驗來說，在每個負荷點對4個工況進行試驗。在這些試驗中，將背壓設(shè)定為變化25%的條件，而其他條件則維持不變。在試驗開始前，嚴格隔離系統(tǒng)，精確調(diào)整負荷及各項運行參數(shù)，保證符合試驗的嚴格要求。除氧器水箱和凝汽器熱井補水至高位，并調(diào)整至穩(wěn)定平衡狀態(tài)，保證試驗期間無須額外補水，并通過控制凝結(jié)水流量來維持除氧器水位穩(wěn)定。

在試驗過程中，暫時停止系統(tǒng)外部的排污、排水和排汽等活動，保證所有運行參數(shù)能夠盡可能保持穩(wěn)定。鍋爐耗差分解見表2。耗差優(yōu)化對比如圖2所示。

當對汽輪機組性能進行診斷試驗時，為保證能夠準確評估機組性能，并揭示機組設(shè)計特性與實際運行之間的差異以及潛在問題，需要采用一系列嚴謹?shù)姆椒ê筒襟E。以下是關(guān)鍵的策略和技術(shù)，旨在通過邏輯推理判斷機組性能試驗結(jié)果的正確性。須制定具體的運行方式和工況選擇標準，以保證試驗能夠覆蓋機組的各種運行條件。這些選擇應基于機組的設(shè)計參數(shù)和預期運行范圍，以保證試驗的廣泛性和代表性。對功率確定和數(shù)據(jù)的測量范圍來說，需要設(shè)定明確的標準和程序。通過精確測量和記錄關(guān)鍵參數(shù)，例如溫度、壓力、流量等，可以獲取機組性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時，為了保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，還需要對數(shù)據(jù)進行適當修正，以消除測量誤差和干擾因素的影響。在數(shù)據(jù)分析階段，采用邏輯推理的方法對試驗結(jié)果進行判斷至關(guān)重要。通過對比設(shè)計數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)，可以識別機組性能的差異和潛在問題。這些差異和問題可能是由設(shè)計缺陷、制造誤差、運行維護不當?shù)榷喾N因素引起的。為了減少各種因素對試驗結(jié)果的影響，需要采取措施來優(yōu)化試驗條件。包括保證試驗環(huán)境的穩(wěn)定性、使用高精度的測量設(shè)備、合理調(diào)整運行參數(shù)等。采取這些措施，可以使試驗條件盡可能接近設(shè)計條件，從而提高試驗結(jié)果的準確性和可靠性。

負荷下熱耗率與高壓調(diào)節(jié)閥開度的關(guān)系如圖3所示，隨著開度變小，節(jié)流損失逐漸增加，因此隨著高壓調(diào)節(jié)閥開度逐漸變小，機組的熱耗率呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。特別是在高壓調(diào)節(jié)閥開度較小、節(jié)流損失較大的情況下，主汽壓力和熱耗率對高壓調(diào)節(jié)閥開度的變化有明顯響應。具體而言，當高壓調(diào)節(jié)閥開度從100%減至30%時，主汽壓力顯著上升了1.35MPa，而熱耗率也相應增加了約121.7kJ。這種趨勢揭示了高壓調(diào)節(jié)閥開度對機組性能的重要影響，為優(yōu)化機組運行提供了重要參考。在不影響機組正常運行的前提下，通過調(diào)整運行方式和提升檢修水平，有效地降低能耗，提高了機組整體效率。優(yōu)化后的汽輪機在整體效率、熱耗率以及排放等方面的性能均有明顯改善。優(yōu)化后的汽輪機整體效率提高約24%，熱耗率降低了約19%，排放也得到了有效控制。這些改善有助于火電廠降低運營成本、提高經(jīng)濟效益，同時也為節(jié)能減排、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。

4 結(jié)論

熱力分析是評估和提高汽輪機性能的有效手段，它能精準地識別汽輪機在運行過程中的能量損失點和效率瓶頸。本文針對汽輪機內(nèi)部泄漏、熱力過程不完善以及排氣損失等關(guān)鍵問題，提出切實可行的優(yōu)化措施。這些措施包括改進密封技術(shù)、優(yōu)化熱力系統(tǒng)設(shè)計、提高排氣系統(tǒng)效率等，旨在全面提高汽輪機的整體性能。通過采取這些優(yōu)化措施，汽輪機效率和性能得到顯著提升，有助于火電廠降低運營成本，提高經(jīng)濟效益，同時也為節(jié)能減排、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。為火電廠汽輪機的性能優(yōu)化提供科學理論支撐和實踐指導，對推動火電行業(yè)的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

參考文獻

[1]張偉，王子杰，張建.汽輪機熱力性能分析及優(yōu)化研究[J].動力工程學報，2020，40（5）：398-404.

[2]王明坤，李政，孫浩.火電廠汽輪機熱力系統(tǒng)運行優(yōu)化研究[J].能源與節(jié)能，2019（8）：72-73.

[3]趙云龍，王曉放，盛曉文.基于熱力系統(tǒng)分析的汽輪機性能評估與優(yōu)化[J].熱能動力工程，2018，33（4）：43-48.

[4]劉建民，陳果，張健.火電廠汽輪機熱力性能在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2017，46（9）：114-119.

[5]林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994.

[6]李勇，曹麗華，楊善讓.凝汽式汽輪機相對內(nèi)效率在線監(jiān)測的一種近似方法[J].中國電機工程學報，2002，22（7）：152-156.

[7]江寧，曹祖慶.從經(jīng)濟性能試驗結(jié)果分析凝汽機組的熱力系統(tǒng)嚴密性[J].汽輪機技術(shù)，2000，42（1）：47-51.

[8]馬琳，王麗君.汽輪機熱力系統(tǒng)性能監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)軟件平臺的研究[J].汽輪機技術(shù)，2003，45（6）：365-367.