汽轮机系统能耗分析与结构优化研究

刘 渤

（国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200）

引言

近几年，国内非化石能源发电装机容量呈现出高速发展的局面，火电装机相应占比有所降低。然而，在国家电力领域的发展中，火力发电占主导位置的状况，在短期内依然是不会发生改变的。尽管我国近年来火电机组的能耗水平逐渐降低，然而相较于部分发达国家，依然存在一定的差距。针对燃煤发电机组所产生的能耗实际分布情况加以分析，有利于挖掘火电机组在节能方面的潜力，优化改造汽轮机机组结构、为实现节能降耗提供理论指导[1]。

1 汽轮机能耗产生的主要因素

蒸汽在汽轮机中经多种不同方式实现能量的转化，便构成各不相同的汽轮机工作原理。汽轮机是火力发电厂的主要设备，且广泛应用于船舶、化工业中。

1.1 汽轮机设备因素

从火电应用的汽轮机内部结构来看，汽缸是汽轮机的核心部位，能够实现汽轮机外部空气与同流的有效分离，并且保障汽轮机组正常运行，为汽轮机提供可靠的电力输出。因此，为了有效解决汽轮机能耗问题，必须全面掌握汽轮机组汽缸的工作原理，充分发挥汽缸在整个汽轮机中的作用，提高运行效率。但是，我国当前汽轮机应用技术与发达国家仍存在一定的差距。由于我国技术人员的专业水平不足，许多自主研发的汽轮机汽缸存在一定的缺陷，其实际运行效率无法满足额定功率，因此造成汽轮机运行效率低下，造成能源浪费，不利于节能降耗的发展目标。

1.2 汽轮机温度和蒸汽压力因素

汽轮机在实际运行中也会受到蒸汽压力和外界温度的影响，一般情况下，在汽轮机的汽缸运行中，气缸内的燃烧会产生大量的热量，而影响气缸内燃烧温度的主要原因包括喷水量、空气量等因素。如果喷水量超出了常规标准，就会加大汽轮机中的汽缸压力，影响汽轮机的正常运行，加大燃料消耗。如果燃料供给不足，会导致温度无法满足实际要求，出现加热器积垢问题，也会对汽轮机的汽缸运行效率产生影响，这些因素都是增加汽轮机能耗的主要原因。倘若汽轮机的空气吹入量不足，会造成汽轮机汽缸压力下降，气缸内的燃料燃烧不充分，汽轮机工作效率不高，从而造成大量的燃料浪费。

1.3 人为因素

在汽轮机的汽轮机组运行过程中，应指派专业技术员开展汽轮机的状态维护和检查检修等工作，保障汽轮机能够稳定运行，避免出现故障影响火电厂的正常生产。汽轮机的检修、检查和养护工作，都是人为操作完成的。倘若技术人员难以维持循环水系统、凝汽器以及汽轮机稳定运行，就会影响汽轮机的运行环节，加大汽轮机运行的风险性，能源消耗增大，汽轮机工作效率降低，不利于节能降耗。

2 汽轮机节能改造可行性研究

2.1 经济效益层面的可行性

为了全面推进汽轮机应用过程中的节能降耗效果，在节能改造过程中，必须对汽轮机内部结构进行有效优化。要重视汽轮机结构优化的投入情况分析，同时也要对汽轮机结构优化改造的成本以及节能收益成果进行精准计算，确保汽轮机结构优化后具备良好的经济效益。一般情况下，在开展汽轮机应用的结构改造中，改造费用都会比新采购汽轮机的成本低，同时通过合理的结构改造，也能够实现汽轮机与新型节能汽轮机达到近乎相同的节能效果。改造后的汽轮机长期运行，也能满足火电厂的节能要求，对电力生产的经济效益具有显著提升。因此，从火电厂经济效益角度来看，通过对汽轮机节能改造设计，对促进企业发展具有重要意义。

2.2 技术改造层面的可行性

随着我国当前汽轮机的应用越来越广泛，该领域的节能降耗技术也不断成熟。在火电厂的汽轮机结构优化中，通过合理的优化可以全面提升汽轮机组的能源转化率，并且有效降低汽轮机运行中的能源损耗，提高汽轮机组的安全性，保障汽轮机稳定运行。因此，从技术角度来看，开展汽轮机结构优化，对火电厂的长远发展也具有重要意义。

3 汽轮机系统结构的优化

3.1 低加改造混合式加热器

在汽轮机组热力系统中，回热系统是其中主要的构成部分，回热加热器是系统中的主要设备之一。一般在这个系统，除了除氧器应用混合式加热器之外，其它加热器均为表面式。一些业界人士针对这一系统的布置进行研究发现，应用混合式加热器可以明显提升汽轮机机组的热经济性。因此，用混合式加热器替换其中一台或几台表面式加热器，在燃煤电站的节能优化改造中具有一定可行性[2]。

依照电厂混合加热器的相关应用，在其改造方面，通过重力式系统的布置方法加以改造，同时结合布置的难易程度以及可行性等方面进行考虑，仅仅对于其中的一台或者两台低加热器进行相应改造。对于回热系统的布置，我们提出三种不同的混合加热器应用方式：一是将8 号低加热器转变为混合式加热器。二是将7 号低加热器转变为混合式加热器。三是将7 号与8 号低加热器共同转变为混合式加热器。

由于采用重力式系统布置的方式，会出现凝结水流动压头不足的现象，因此，将水泵加装于混合式加热器后。

3.2 采用低温省煤器结构

目前，国内在运行的超临界机组中，大部分机组尾部位置烟气相应的温度都超过120 ℃，这一部分热量实际上存着者较好的应用价值。若是直接将其排放出去，便会导致一定量的排烟损失，在燃煤机组的众多类型损失中，排烟损失所占据的比例超过50%。因此，对锅炉尾部相应位置的温度加以控制，是燃煤发电机组实现节能减排的一个主要方式[3]。如今，在各种烟气余热应用方式中，在空气预热器之后的尾部烟道中实施低温省煤器的布设是较为常用的方式。低温省煤器主要应用于锅炉尾部产生的烟气，针对低压加热侧对应的凝结水实施一定的加热处理，在换热条件上和省煤器比较相似，但水侧温度低于省煤器相应的温度，所以将其称为低温省煤器。安装低温省煤器，汽轮机组中的回热系统便可以得到一份外来的热量，可以有效回收相应的排烟热损失，并显著提升电厂的热效率。伴随能源价格的不断上涨，节能减排压力逐渐加大，在汽轮机机组中进行低压省煤器的加装的经济作用也越发凸显。

3.2.1 低温省煤器的布置

低温省煤器是锅炉尾部位置烟气余热应用的一种相关设备，通常在锅炉尾部烟道进行安装，位于脱硫除尘器之前、空气预热器之后，亦有部分安装于脱硫除尘器之后。相关文献中阐述过其他不同的安装方式，例如，德国的部分汽轮机机组采取多台换热器相应的旁路烟道技术。有学者提出双级低压省煤器烟气利用技术，同时针对其实施了经济性分析。因国内汽轮机机组烟气的温度通常在120～130 ℃范围内，相较于应用旁路烟道机相应的机组温度相对偏低，低温省煤器通常在空气预热器之后进行安装。锅炉一侧的低温省煤器在空气预热器之后进行安装，这一部分烟气在锅炉内部的换热中不进行参与，因此，除却烟气凝结所导致的一些腐蚀性问题以外，安装低温省煤器并不会给锅炉的实际运转造成影响。

3.2.2 低温省煤器水侧连接方式

在汽轮机回热系统中，低压省煤器存在着多种不同的连接方式，而且各种不同的连接方式对于汽轮机机组所带来热经济性方面的影响也存在一定的差异。相关研究人员根据某发电厂600 MW 发电机组性能试验的一些数据信息，充分应用等效焓降的基本原理，针对汽轮机回热系统中低压省煤器几种不同连接方式相应的经济性加以分析，根据最佳的方案对电厂实施了相应改造。研究人员利用对低温省煤器改造中水侧系统采用不同连接方式的对比，得出不同连接方式对汽轮机机组在经济方面的影响。

由于锅炉尾部烟气的温度通常为129 ℃，可以被加热的仅有6 号、7 号和8 号低压加热器之间的凝结水，因此，进行四种低温省煤器汽轮机侧相应的布置方式：一是采用串联的连接方式，在6 号和7 号低加之间进行串联。二是采用并联的方式，在2 号和6 号低加之间进行并联。三是采用并联的方式，在6 号和7 号低加之间进行并联。四是采用并联的方式，8 号和7 号低加进行并联。

3.3 设置冷却水降温系统

对于我国当前的汽轮机结构来说，常见的水循环系统包括开式循环系统和闭式循环系统。对于开式水循环系统来说，这种模式下的水循环的冷却水温度受到外部因素的影响，而闭式水循环系统冷却水的温度受到的影响因素较多，主要为设备的实际运行情况。所以，为了能够更好地发挥节能降耗需求，提高汽轮机的运行效率，必须由专门技术人员定期开展水循环系统的检查工作，在检查水循环系统时，也要对水质环境进行测定，并结合实际检测结果设置有效的解决措施。在条件允许的情况下，还可以采用化学物质进行处理。当遇到冷却法问题时，也会引发温度急剧上升，因此，要时刻关注冷却水的温度，并做好冷却塔水冷却装置的定期维护，保障汽轮机冷却循环系统的正常运行，避免冷却塔出现堵塞现象，提高冷却循环系统的运行效率，同时降低运行风险[4]。

3.4 汽轮机供水温度调控

火电厂汽轮机整个运行环节所消耗的燃料与供水的温度有着直接关联，而且，当电厂汽轮机处于运行状态下，倘若供水温度偏低，就必须及时补充燃料，这样直接造成整个汽轮机运行过程中大量排烟，出现部分热量随着烟气排放而流失，导致汽轮机燃烧率有所降低[5]。因此，为了实现汽轮机运行节能降耗的目的，必须有效提升汽轮机燃烧效率，并有效控制汽轮机供水温度，这一环节对技术人员的要求较高，不仅要求技术人员能够熟练掌握各类设备的基本运行原理，同时还要确保每一个操作都严格按照相关规定执行。此外，应制定完善的维护体系，有效开展维护工作，规避汽轮机内部存在的温度故障。技术人员还要实时监控整个汽轮机供水环节中的水温状态，确保水温以及水位线都满足正常标准，为供水架设系统的密封性提供可靠支持。在进行检查过程中发现密封不严的现象，应该及时采取有效措施进行处理，提高汽轮机供水系统的密封效果，保障设备的稳定运行，同时也提高供水温度，实现汽轮机节能降耗的运行效果。

3.5 改进汽轮机启停模式

对汽轮机的运行原理分析发现，汽轮机的启停系统和汽车的启停系统原理大致相同，当汽轮机在启动或者停止模式下，都会不同程度地造成柴油损耗。因此，如果能够采取科学的方法，对汽轮机启动与停止模式进行优化改进，就能够有效降低汽轮机的能源损耗，实现节能降耗目标。为此，我们必须合理优化汽轮机的启动和停止运行状态，同时在汽轮机运行前，要全面监控汽轮机的运行状态，做好汽轮机各项参数的调节，提高汽轮机运行的节能效果。

4 结语

在电力行业，保持汽轮机正常稳定运转具有十分重要的意义，同时也应做好相关的降低能量损耗工作，这便需要对汽轮机组系统结构加以优化，针对其中存在的不足加以改进，提高汽轮机运行的效率，实现节能减排的目标，确保火电厂在竞争激烈的市场中站稳脚跟，持续、稳定发展。