汽轮机系统能耗分析与结构优化研究

张宇 吴迪

【摘 要】汽轮机是影响火力发电厂工作效率及生产成本的首要生产装置之一，自始至终都是火力发电厂进行生产经营的发展目标，面对当前的时代潮流下，企业要想最大程度上获得经济效益，应该针对汽轮机组的运转情况，通过换新、调整原有设备，进行设备的节能降耗研究，尽力降低设备的运转耗能，确保机组始终处于最优的运转状态。本文在此基础上就汽轮机系统能耗分析与結构优化进行了简要的分析，仅供参考。

【关键词】汽轮机；能耗分析；结构优化

1汽轮机组工作原理

第一，冲动作用原理。冲动作用原理指的是在汽轮机中的高速蒸汽通过叶汽道时产生的气流会推动叶片转动，这样一种由于气流方向发生改变之后产生的冲动力将产生机械功。其基本特点是只有叶片的方向发生了改变。第二，反动作用原理。与冲动作用原理相似的是，反动作用原理也是由热蒸汽通过叶汽道时发生的作用，进而推动叶片旋转做功。不同之处是蒸汽在叶道中发生的是膨胀与加速现象，这样产生的力使叶片做功。

2能耗影响因素的总结与研究

第一，汽缸的工作性能。汽缸是汽轮机内的主要零部件之一，在发电流程中起到了密闭隔断的作用，将蒸汽封闭在机组内部，进而通过蒸汽热能带动机组做功转，实现热能到机械能的转换目标，因此在气缸的外周配套有多种类型的管道，实现排汽、进汽以及回热抽汽等工序任务。在发电的过程中，汽轮机内缸与内部蒸汽直接接触，因而有大量的热能传导至缸壁，继而辐射传导至外缸，成为了主要的热能消耗因素。因此在设备的设计方面，必须在两层之间设置夹层气流，以减少该类能耗。第二，运行机组通流性。电厂的汽轮机组为蒸汽做功，再由热能转化为机械能为发电机提供驱动，因此在汽轮机组的运行中蒸汽的流通性直接影响了做功的效率。如果流通性不足，汽轮机组内的阻碍会导致大量能源消耗。但如果可以改善运行中的流通面积及流通量的话，其能量消耗将大大降低。第三，工作环境的影响。对于电厂汽轮机组的工作效率与能耗水平起到影响的环境因素主要包括气压与温度两种。在汽轮机组的工作过程中，汽轮机的汽缸会在燃料持续供应的情况下，产生更大的喷水量和空气比重，这些环境因素的改变将会带来明显的热能消耗的提高，从而影响汽轮机组的做工效率。

3能耗分析方法

3.1热平衡法

热平衡法是最基本的热力系统分析计算方法，是一种单纯的汽水流量平衡和能量平衡方法。通过列写各级加热器的汽水质量平衡和能量平衡方程，求得各级加热器抽汽系数，利用功率方程和吸热方程最终求得系统的热经济指标。热平衡法概念清晰、计算精度高，计算过程较为复杂，目前一般用来检验其它方法的精度。

3.2等效焓降法

等效焓降法是由前苏联专家提出，我国西安交通大学林万超教授加以推广应用。可用于热力系统的整体计算与局部定量分析，用简单的局部运算代替复杂的整体运算。它具有简捷、准确、方便等特点，是一种方便有效的方法。目前，这一方法已经广泛地应用在电厂热力系统定量分析中。

3.3循环函数法

循环函数法是马芳礼教授在美国的Salisbury提出加热单元概念的基础上，根据几十年教学和工程设计经验创立的一种热力系统计算方法。该方法能较好的适应计算复杂的热力系统，也适用于局部的定量分析。

3.4矩阵法

矩阵分析是通过将各级回热加热器的热平衡方程与功率方程联立来完成热力系统计算。矩阵中的各个元素取决于整个系统中相关热力参数，在系统结构或热力参数变化情况下，只需相应的改变矩阵的结构与矩阵元素。因此，矩阵分析法计算通用性较强，且适合用编程的方法实现耗差分析。

3.5?分析法

?分析法是基于热力学第二定律的方法，它从量和质两方面分析热功转化过程，重点突出能量转化过程中在质方面的不可逆损失，从而评价热力系统能量转化和利用的完善程度。

4结构优化

4.1低加改造为混合式加热器

回热系统是火电机组的核心热力系统，主要设备是回热加热器，在常规的火力发电厂回热系统中，除了除氧器采用混合式加热器外，其余加热器均为表面式。相关研究等对回热系统的布置损失作了大量的研究，指出采用表面式加热器会增加系统的布置损失，而采用混合式加热器能显著提高机组的热经济性。因此，将一台或数台面式加热器改为混合式加热器，在燃煤电站的节能优化改造中是可行的。在混合式加热器的换热过程中，加热蒸汽与给水直接接触，最终将给水加热到加热蒸汽压力下的饱和温度，给水的压力与加热蒸汽压力一致。这就产生了混合式加热器的布置难题，即需要额外采取某种措施推动给水逐级流动。在混合式加热器的运用研究中出现了两种解决该问题的方案，一是在每个混合式加热器后都配置水泵，美国人在他们的低压加热器全混合的系统中采用的就是这种方法，并设置了水箱以应付负荷波动问题；二是采用重力式系统布置，将加热器布置在不同的高度上，高度差产生重力压头，使低压水流能自动落入压力稍高的下一个加热器，英国和苏联采用的就是这种布置，并在多台机组上成功运用。据混合式加热器在电厂中的应用，混合式加热器改造采用重力式系统布置，考虑到实际布置的可行性和难易程度，仅仅对一台或者两台低压加热器进行混合式加热器改造，因此，提出三种采用混合式加热器的回热系统布置方案：方案一是8号低压加热器改为混合式加热器；方案二是7号低压加热器改用混合式加热器；方案三是7、8号低压加热器同时改为混合式加热器。考虑到在重力式系统布置方案中，可能会出现凝结水流动压头不足的情况，因此，在混合式加热器后加装水泵，方案一和方案二中水泵安装在混合式低加之后，方案三中水泵安装在7号低加之后。根据混合式加热器的工作原理建立混合式加热器的仿真模型，与汽轮机系统模型相连接，组成带有混合式加热器的系统模型。依据混合式加热器在电厂中的应用和常规回热系统的布置情况，提出了混合式加热器替代面式低加的3种方案，并对3种方案进行了仿真研究。主要研究结论如下：（1）某600MW超临界机组采用混合式低压加热器使汽轮机组的发电功率增加、热耗率减少。在THA工况下，方案3功率增加703kW，燃耗率降低8.51kJ/kWh，经济性表现最好；（2）方案3在VWO、THA、75%THA、50%THA四个工况下的变工况计算表明，各工况下机组的性能均有较好改善，在50%THA工况时，机组功率增量、增幅、热耗率减少量及减幅均为最大，在低负荷下，采用混合式低加能获得更显著的经济收益。

4.2低温省煤器

我国在运行的600MW超临界机组中，绝大多数机组的尾部烟气温度处于120℃以上，这部分热量具有很好的利用价值，如果不加以利用就会排放出去造成大量的排烟损失，而排烟损失在燃煤机组的诸多损失中占50%以上，因此降低锅炉尾部烟气温度是燃煤发电机组节能降耗的一个有效手段。现阶段烟气余热利用方式中最常用的方式是在空气预热器之后的尾部烟道中布置低温省煤器。低温省煤器利用锅炉尾部烟气来加热低压加热器水侧的凝结水，其换热条件类似于省煤器，但水侧的温度低于省煤器的温度，称之为低温省煤器。低温省煤器的安装使得汽轮机回热系统得到一份外来热量，节省了一部分抽汽，很好的回收排烟热损失，提高了全厂的热效率。随着能源价格上升、节能减排的压力增大，在运机组加装低压省煤器的经济性显得越来越突出。

参考文献：

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[2]郭江龙.大型汽轮机组能耗诊断平台研制及推广应用[J].河北电力技术，2011，3004：56.

[3]唐先勇.燃气发电厂汽轮机运行过程中节能降耗的实现[J].技术与市场，2016，2309：21-22.

（作者单位：黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司）