火电厂朗肯循环设备特性及运行监视

张 鹏，周三平

(西安石油大学，陕西 西安 710065)

电力作为我国社会发展的基础能源，电力生产的安全问题一直是一个对国民生产生活影响都很大的问题。随着科学技术的发展，当前的火电厂多采用集中控制系统，集控控制系统是一种较为先进的管理控制系统，利用当前的电子设备和信息技术的发展实现对火电厂设备的集控管理，提高了当前火电厂的管理效率。随着该系统中的应用，使火电厂的设备变得更加智能和自动化[1]。就目前来看，我国中大型火电厂中都广泛的运用集控运行系统，其已经成为火电厂在运行中的重要手段。虽然集控运行系统在实际工作中比较稳定，同时可以提高生产效率，但在运转过程中依然存在很多不足之处[2]。在电力生产中，人的因素、设备的因素和管理的因素错综复杂的影响着机组的安全运行，但在所有的因素中无疑人的专业素养是机组安全运行的重要影响因素。随着电力生产的发展，在安全运行方面积累了很多宝贵的专业经验，但是系统化的理论少之又少，如何从现有的理论中发展出适用于机组运行的理论，作为指导可见是一个非常重要的课题。

本文着眼于研究现有热力发电机组中朗肯循环及其设备的运行特点，从热力学第二定律的角度对众多的参数进行整理简化，论证了主汽压力是标志朗肯循环状态的参数，同时从运行的角度系统的构建了循环状态、设备状态，并提出在监视中把两种状态分离开来，提出了静止设备和动态调整设备、动态非调整设备，按运行特性把设备分类管理，从而实现对机组调整监视的简化，为机组操作人员及集中控制系统的设计人员提供了理论的指导，使得在操作控制中更加得心应手，从而提高监视效率，做到能及时发现问题及时调整，把事故扼杀在摇篮之中。

1 热力过程的方向性

为了应用工质，使其从热源吸取能量，然后膨胀对外做功，而后工质恢复到初态，使这些工质周尔复始的进行这样的过程，形成热力循环，就可以源源不断的获得机械能。组成热力循环的过程归纳起来可分为两大类，一类是不需要任何附加条件就可以自然地进行的过程，称为自发过程，如热量由高温物体传递给低温物体，高压气体膨胀为低压气体等，它的反方向过程不可能自发地进行，属于不可逆过程。自发过程的反方向过程称为非自发过程，他们必须要有附加条件才能进行，如使热量从低温物体传向高温物体是非自发过程。在由热能转换为机械能的热力循环中，以卡诺循环为例，如图1所示，工质从热源定温吸取热量q1，对外绝热膨胀做出机械功W，定温对冷源放热q2，然后加给一定的外功后绝热压缩至所需压力，这四个过程完成了吸收热量放出机械功的完整循环，循环不断进行，机械功源源不断。在卡诺循环的四个过程中，要完成定温吸热、绝热膨胀、则需要定温放热、绝热压缩作为补充条件，它一方面体现了热力循环必须由自发和非自发过程相互补充才能完成，另一方面也体现了过程进行的条件即热力学第二定律所指出的不可能制造只从一个热源吸取热量，使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机，只有创造条件使整个过程符合热力学定律，才能使循环不断的进行。在组成循环的四个热力过程中，定温吸热体现了从高温热源吸取能量的过程，绝热膨胀体现了对外做出机械能的过程，这两个过程是可以自发进行的过程，同时它也是构造热力循环的目的，实现了从高温热源吸取热量转换成了机械能。要实现这两个过程，必须有低温热源，使工质膨胀到所能到达的冷源，必须把冷却后的工质再压缩到所需的压力，这样才能构成完整的工质循环。从以上分析可见可以把热力循环分为两个部分，即定温吸热、绝热膨胀实现了目的的过程和定温放热、绝热压缩创造条件的部分。这样要实现获取机械功的目的，就必须完成好创造条件这个过程。这样分开以后，热力循环的监视就成了一个目标非常明确的问题，同时也确定了两个特征点，一个是循环条件创造的完成即一定状态的工质，一个是循环的完成即热力膨胀后的工质状态，这样这个问题分析之后，对整个热力循环就可以提纲挈领的把握了，对整个热力循环监视的简化有极大的意义。

图1 卡诺循环p-v、t-s图

以上分析了具有代表性的卡诺循环的构成特点，火力发电所利用的工质通常是水，以水为工质的朗肯循环虽然有其自身的特点，但从原理分析同样有着卡诺循环的一般性。

在采用蒸汽作工质时，由于水的汽化和蒸汽的凝结，当压力不变时温度也不变，这样就可以实现定温吸热和定温放热两个过程，再加上绝热膨胀和绝热压缩便可利用卡诺循环，但是由于(1)在绝热压缩中，气液混合物体积很大且混合物会导致压缩机工作不稳定。(2)循环限于饱和区，上限温度受制于临界温度，即使实现卡诺循环热效率也不高。(3)膨胀末期，湿蒸汽干度过小，不利于动力机安全。基于以上原因，在实际的以蒸汽作工质的循环中，通常使用朗肯循环作为其热力循环。朗肯循环主要由定压吸热、绝热膨胀、定压放热、绝热压缩四个热力过程构成，与卡诺循环相比定压吸收的热量的上限更高，绝热膨胀后汽水混合物的湿度小，定压放热后能把汽水混合物完全凝结成水，加入再热和回热后更有利于循环的进行。由以上可见朗肯循环脱胎于卡诺循环，在电厂实际的热力过程中，略去回热，同样可以将其分成自发的过程即定压吸热和绝热膨胀过程，和非自发的过程如定压放热和绝热压缩过程两大部分，其中定压吸热包括冷再蒸汽重新进入锅炉后重新加热，绝热膨胀包括主蒸汽在高压汽缸中做功和再热蒸汽在中低压汽缸中做功。自发过程体现了构造过程的目的，非自发过程体现了要实现过程所需要的条件，这样在整个循环过程中，完成了定压吸热和绝热膨胀后便达到了我们得到机械功的目的，完成定压放热和绝热压缩便为热力循环创造了条件。锅炉给水的状态体现了热力循环的起点，汽轮机低压缸的排汽状态反应了做功的结束状态，这两个点体现了热力循环进行的程度和状态。朗肯循环原理图2所示。

图2 朗肯循环及t-s图

2 朗肯循环各设备运行与监视特点

在热力发电厂中，工质的定压吸热过程在锅炉中进行，其中省煤器把压缩后的过冷水加热到一定温度，经汽包、下降管、炉水循环泵在锅炉的水冷壁中蒸发吸热，从水冷壁中出来的汽水混合物在汽包中分离后，水侧继续循环，饱和蒸汽进入低温过热器、中温过热器、高温过热器加热到额定温度后进入汽轮机做功，高压缸做完功的蒸汽在回到锅炉的再热器中重新加热到额定温度后回到中低压缸进行做功。在锅炉中进行的这些过程均是工质定压吸热的过程，在这个流程中，由过冷水经省煤器、水冷壁加热到饱和蒸汽，最后在过热器中加热到过热蒸汽，在再热器中同样是定压加热过程。在完成这些过程的设备中，炉水循环泵用来增加炉水循环的压头，保证水冷壁的受热均匀，防止发生水动力不稳定，从而防止使换热面损坏。

在各换热面中，过热器、再热器通常用配有减温水来调节汽温，减温水调门开启后，经过一定的延时反应到过热器或再热器出口，其它如水冷壁，汽包均无可操作设备，因此在运行过程中，把这些设备的工作温度及压力变化控制在规定的范围内即可保证其运行的安全。此外，在这些受热面中，除炉水循环泵和减温水调门有频繁动作的设备外，其它均为静态的设备，对于动态设备，为保证其在工作过程中不出问题，需要频繁监视，调节超出调节范围外需手动干预进行调整，而静态设备则不同，在运行过程中，只能保证其运行在设计参数范围内，只要参数不超限，安全性则可以保证。

对于过热器再热器减温水的调节而言，其动态调节特性如图3所示，调节的目的是保证其出口温度在合理的范围内，调节方式是减温水调节阀门开度，示意图如下。在运行过程中，这部分设备的典型事故是水冷壁，过热器，再热器，省煤器管路的泄露即“四管泄露”，造成泄露的原因中管壁过热是造成的主要原因，据相关统计过热在电力机组中的占比达50%以上[5]。在其它原因中有温度调整不均匀，温升率超出材料允许值，加热器未投运等运行因素[6]。汽包中水位为保证锅炉中各受热面的安全有至关重要的作用，在汽包炉中，汽包水位是汽水的明显分界点，汽包温度即其工作压力所对应的饱和温度，因水在蒸发过程中温度保持不变，所以，水位本质上也是温度的分界点。在直流炉中，通常要监视中间点温度的过热度，把过热度控制在一定范围内，从而汽水分离的界面就会控制在一定的区域内，从而各设备的温度就会按对应压力进行分布，设备安全性就能得到保证，因此，在机组的运行中汽包水位是监视中不可忽视的重要参数。在水位事故中，汽包缺水、满水、再进一步蒸汽中带水通常是其表现形式。

综上可见，在锅炉中监视好汽包水位或中间点温度过热度，同时控制主汽压力在合理范围内，就可以保证各换热面温度的合理分布，燃烧调整调整过程中保证受热面热偏差、温升率在允许范围内，蒸汽参数在额定范围内就可以保证设备的安全。这样静态部分安全性主要靠运行参数在额定范围内，对于动态部分中不可调节部分比如炉水泵主要是监视其参数，可调节部分如主再蒸汽减温水，烟气挡板需关注其调节状态，不能自动调节时应切手动干预。保证调节正常即可保证对应的参数在合理的范围内。

图3 减温水阶跃响应图

图4 汽轮机调门对主汽压力阶跃响应图

绝热膨胀过程在汽轮机里完成，汽轮机运行监视技术中包含主蒸汽压力和温度的监视、排气压力监视和监视段压力、振动情况监视、 轴向位移监视以及汽轮机转速五项监视技术，而在汽轮机运行的优化问题方面，相关技术人员可针对汽轮机的滑定运行方式和背压值进行优化[8]。由这些监视和优化的问题中可以明确的看到，监视的一部分内容是汽轮机本身设备的状况，汽轮机主要由转动部分和静止部分两大部分，在监视过程中，汽轮机的振动，轴承温度，润滑油温，高低压缸的膨胀以及胀差，轴向位移，各级抽气压力等参数共同反应了汽轮机的状态。另一部分则反应了在热力循环中的状况，比如主再蒸汽参数，定滑压问题，背压优化。就热力循环整体而言，主汽调门用于调节汽轮机的出力，调节过程中，主蒸汽压力随着调门的开度而变化，而其他部件不过是为了完成水蒸气的膨胀过程，把热能转换为机械能。这样对于整体循环而言，应当关注汽轮机的调门开度和汽轮发电机组的出力，调门的动作情况反应了汽轮机为保持其出力而进行的调节状况，同时由于一定的主汽压对应一定的负荷，从而对主汽压也有一定的影响，阶跃响应如图4所示。这样，在汽轮机的工作过程中，调门的调节影响着主汽的流量及当时的主再蒸汽参数，对整个循环的工作效率有重要的影响，而其它参数主要表达了汽轮机的状态。可见，在监视中，调门的开度或者说汽轮机的进汽参数对循环状态有着重要的影响，而另一个监视的重点就是汽轮机的状态，这样就实现了循环状态与设备状态的分离，从而达到监视的层次分明，重点突出。

定压放热过程是在凝气器里完成的，凝汽器本质是一个大的换热器，通过大量的换热来保持汽轮机排气压力的稳定，这个过程的监视主要是对机组真空的监视，而真空在运行过程中扰动相对较小，通常是可以保持稳定的。在这个过程中循环水泵是其中最大的动力设备，此外有汽室真空泵用于抽掉汽侧的空气，水侧用于抽掉循环水侧的空气，通常没有调节的部分。绝热压缩过程在凝结水泵和给水泵中完成，对这两个工过程的监视本质上是对泵的监视。同样可以区分出设备状态部分和对热力循环影响部分，以轴承振动，温度，润滑油状态反应了设备是否正常，而泵的进出口参数，转速和流量反应了在循环中的职能作用。

回热过程是为了提高机组的循环效率，利用做完功的蒸汽重新加热机组给水，以提高锅炉进水温度。在实际的循环过程中通常由几级高压加热器和几级低压加热器组成，在运行过程中，各段抽气的压力可以反应汽轮机级间通流部分的情况，因此常作为分析机组的重要参数，对于加热器而言，水侧泄露是其常见故障，因此加热器的水位也是十分重要的监视对象，特别是高水位对汽轮机的安全形成了重大的威胁。加热器的温升或端差时对加热器本身状态的反应。可见，抽汽参数归于对汽轮机的监视，加热器的监视只是水位和端差，对于循环而言就是各级加热器的水侧端差保持较高从而保证较高的锅炉给水温度。

以上探讨了电厂朗肯循环中所涉及设备的运行特点，可见在整个热力循环实现的过程中，虽然牵扯的设备较多，但是，认真分析之后，创造循环条件的非自发过程，即绝热压缩和定压放热过程，所涉及的设备主要是大型泵，其工作的结果是把汽轮机所排出的汽水混合物全部冷却成水然后再压缩到所需的压力下，即达到锅炉的给水压力，创造了这个条件，整个热力过程便可顺利的进行。在正常的监视过程中通常把主汽压力作为监视的重要参数，因为在循环过程中由于锅炉的压降是一定的，主汽压力通常与锅炉给水压力只相差一个小值，这样监视主汽压力也就监视了给水压力。实现目的的自发过程，即锅炉中自高温的吸热过程，汽轮机中蒸汽膨胀做功过程，在监视过程主要是保证设备工作在额定参数值之内，以免对设备造成损坏，同时保证动态调节设备在调节范围内。

3 朗肯循环总体评价及监视特点

在热力发电厂中，凝汽器的真空正常状态下通常非常稳定，即使随着外界温度变化，也会通过调整运行方式，比如调整循环水泵的运行方式，使其变化在很小的范围内。主再热汽温同样由于调节手段多也容易稳定在额定范围内。对于汽轮机而言，通常调门的开度维持在一定的范围内以保证汽轮机运行在较高的效率工况内，因此，一定的运行压力通常对应着一定的主汽流量，这样从朗肯循环的热力学过程来看，主汽压力的每个数值便对应着热力循环的一种状态，压力发生变化，整个循环的节点参数便发生变化。在实践中可见，在负荷稳定的情况下，保持锅炉主汽压压力的稳定对于整个热力循环的稳定都有非常大的意义。在机组稳态运行中可以看到，保持主气压稳定后机组可以很快进入稳定状态。在变工况运行中保持主汽压能随着负荷的变化而达到对应负荷的压力，对于维持整个热力循环的稳定同样是非常重要的。对于循环的量而言，主汽流量的大小反应了同参数下机组做功的大小，但在同一机组中，单用主汽压力便反应出了热力循环的状态和程度。

在热力机组的监视过程中，锅炉的主再热器除了减温水调节系统外属于静态系统，减温水截门始终保持全开，需要进行调整的仅仅是减温水的几个调门，凝汽器系统本质上是对循环水系统的监视以保证冷却水的顺利冷却，汽轮机除高中压主汽门调门外，凝泵，给水泵都属于转子和静止配合的动力设备，这样分析之后，对整个热力系统各设备的监视上，就可以大大的简化，只要动态设备调节没有什么故障，静态设备运行在额定的参数下，就可以保证热力循环的正常。

通过以上分析就可以实现循环状态的监视和热力设备状态监视的分离，循环状态以主汽压力为主同时兼顾主汽流量，而设备状态以监视设备固有参数。这样就可以在监视中大大简化纷繁的参数，对设备合理的把握。

4 结论

在以上的分析中，首先从理论的角度剖析了热力循环的过程，指出四个过程可以分成两部分，一部分是创造条件部分，一部分是实现目的部分，创造条件的结果便是一定压力的水，只要这个条件满足，在后两个部分中便可以实现由热能转化为机械能。其次，进一步从整个循环的过程来分析，指出在循环的过程中，主汽压力代表的是热力循环的状态，主汽压力的变化意味着循环状态的变化，意味着各设备热力参数及工作状态的变化，这样监视和调整主蒸汽压力在维持整个循环的稳定有非常重要的意义。最后在分析各设备特点的基础上，对各设备的监视做了分类，指出在整个热力过程中就设备而言分为属于静态部分和由动静部分构成的动力设备，静态设备侧重于单纯的监视，而动态设备则是包含有调整的监视。对于整个热力循环而言，保证设备的不故障，是监视中的重要内容，从而实现设备状态的监视与热力循环状态调整的分开。总之，从热力学第二定律的角度出发，分析了循环的条件性和目的性，从设备的特点出发，分出了动态静态设备的不同，从整个循环出发，把循环状态与设备状态分开，通过这些基本点的分开实现对机组状态的合理把握，便于实现机组的安全运行。