基于热力分析的火电厂汽轮机性能优化研究

摘 要：针对火电厂汽轮机的性能优化进行深入探讨，采用热力分析作为主要研究手段。通过详细分析汽轮机在不同工况下的热力性能，揭示影响其效率的关键因素。建立汽轮机热力模型，对其在不同负荷和运行参数下的效率进行模拟分析。结果表明，汽轮机内部泄漏、热力过程不完善以及排气损失是制约其性能提升的主要问题。本文提出的优化措施包括改进密封结构、优化热力系统设计以及提高排气系统的效率等。通过对比优化前后的性能数据，发现这些措施能有效提高汽轮机的整体效率，降低能耗。为火电厂汽轮机性能优化提供理论支持，也为相关行业的节能减排提供实践指导，具有较高的工程应用价值。

关键词：热力分析；火电厂；汽轮机；性能优化；节能减排法

中图分类号：TM 62" " 文献标志码：A

火电厂作为支撑全球电力供应的重要基石，其运行效率直接关系到能源利用与环境保护平衡[1]。汽轮机作为火电厂核心设备，其性能优劣直接影响电厂的整体效率和经济效益。随着能源紧缺和环境问题日益突出，对汽轮机性能进行优化，提高其热效率，已成为当前火电行业亟待解决的问题[2]。通过深入热力分析，探寻汽轮机性能提升潜力点，为火电厂节能减排提供科学依据[3]。通过精细化建模和仿真分析，系统地评估汽轮机在不同运行条件下的性能表现，识别能量损失的关键环节，并提出针对性的优化策略。期望能为火电行业的可持续发展贡献力量，推动汽轮机技术向着更高效、更环保的方向迈进。

1 热力分析及建模

热力分析是火电厂汽轮机性能优化研究中的关键环节，它是深入理解和改进汽轮机性能的理论基础。热力分析主要涉及热力学第一定律和第二定律应用，通过这两个定律，可以精确地分析和计算汽轮机在工作过程中的能量转换和损失情况[4]。在热力分析前，需要建立一个精确热力模型。这个模型是理论研究与实际运行之间的桥梁，它能够帮助模拟和分析汽轮机的实际运行情况，找出性能瓶颈，提出优化方案[5]。确定模型范围和精度。由于汽轮机是一个复杂系统，包括多个相互关联的部件，例如高压缸、中压缸、低压缸、进汽阀门、排汽阀门等，因此需要根据研究目的和实际需求来选择模型的详细程度。本研究采用集总参数法，将汽轮机划分为不同的功能区域，每个区域都用一组参数来描述其热力状态。

为了建立一个精确热力模型，需要定义汽轮机各组件和其间热力学过程。

1.1 模型划分

将汽轮机简化为几个主要部分，见表1。

1.2 模型假设

蒸汽在汽轮机中的流动是一维的。

忽略汽轮机内部的摩擦损失。

汽轮机的效率只与进出口状态有关，与过程无关。

1.3 热力学方程

每个部分都可以建立热力学方程，如公式（1）～公式（3）所示。

进汽部分的计算过程如公式（1）所示。

[h1=h{f，in}]

[s1=s{f，in}] （1）

式中：h1和s1分别为进汽部分的焓和熵；h{f，in}和s{f，in}为进入汽轮机的蒸汽的焓和熵。

高压缸部分的计算过程如公式（2）所示。

[w{hp}=h1-h2]

[＼eta{hp}=＼frac{w{hp}}{h1-h{2s}}] （2）

式中：w{hp}为高压缸的输出功；h2为高压缸出口的焓；h{2s}为等熵过程中高压缸出口的焓；＼eta{hp}为高压缸的效率。

中压缸和低压缸的方程与高压缸类似，只是参数不同。

排汽部分的计算过程如公式（3）所示。

[h{ex}=h{f，out}]

[s{ex}=s{f，out}] （3）

式中：h{ex}和s{ex}分别为排汽部分的焓和熵；h{f，out}和s{f，out}为离开汽轮机的蒸汽的焓和熵。

可以在每个缸的效率中考虑泄漏和损失。如果高压缸有内部泄漏，那么其效率会下降，这可以通过降低（＼eta_{hp}）来模拟。给定进口蒸汽的状态（压力、温度或焓、熵）以及各缸的效率，可以逐步计算汽轮机各部分的出口状态和输出功。这通常需要使用蒸汽性质表或相应的软件库来获取蒸汽的热力学性质[6]。基于质量守恒、能量守恒和热力学第二定律，建立一系列微分方程和代数方程，来描述汽轮机内部工质的流动、传热和做功过程。这些方程中包括多个未知数，例如温度、压力、熵、焓等，它们之间的关系复杂而微妙，需要通过数值方法进行求解[7]。在建模过程中，特别考虑汽轮机内部的泄漏和热损失。内部泄漏是汽轮机性能下降的主要原因之一，它会导致蒸汽在缸体内部发生不必要的流动和混合，从而降低有效做功。为准确模拟这种现象，在模型中引入了泄漏系数和泄漏路径的概念，通过调整这些参数来反映不同工况下的泄漏情况[8]。

在汽轮机运行过程中部分热量会通过缸体、轴承和密封件等部件散失到环境中，造成能源浪费。为了量化这种损失，采用传热学基本原理，计算各部件的热阻和热流密度，从而得到热损失的具体数值。将所有方程和参数整合到一个统一的数学模型中，形成一个完整的热力模型。这个模型不仅能够模拟汽轮机的稳态运行过程，还能够分析动态过程中的性能变化。通过对比模拟结果与实际运行数据，可以验证模型的准确性和可靠性，为后续的性能优化工作提供坚实的基础。

2 火电机组的性能及耗差分析

2.1 实时数据的校正处理

从分散控制系统（DCS）中获取的实时数据，在火电机组性能分析中占有举足轻重的地位。为保证数据的准确性与完整性，必须经过一系列校正处理。性能分析对数据有几个核心要求：不仅要求主要设备运行参数数据完整，还必须涵盖难以检测到的特殊参数，例如汽轮机的排汽焓等。不仅要求各参数变化趋势准确，还要求具体数值精确，例如主汽流量的检测精度。数据的一致性也至关重要，例如主汽流量与机组负荷之间应当保持逻辑上的一致性。当DCS提供实时数据不满足上述要求时，就需要进行数据校正。这个过程涵盖数据预处理、粗差检验、数据修补以及机组能量平衡校验。数据预处理常采用惯性滤波处理算法，以消除动态滞后所带来的误差。粗差检验则主要根据上下游及相关参数的变化趋势，来验证数据的准确性和趋势正确性。需要对不完整或失真数据进行数据修补。这时会使用经过基准热力试验样本标定的机理模型，来重建这些缺失或失真的参数。而机组能量平衡校验，则是对主汽流量等重要参数进行进一步校验，以保证基于这些参数的性能指标与机组负荷保持一致。

2.2 火电机组性能指标的实时监测与分析

火电机组性能指标分为机组级和设备级两大类。机组级指标如图1所示，反映了机组的整体性能。而设备级指标，例如锅炉效率、汽轮发电机组热耗率、厂用电率等，更侧重于反映各个设备的运行效率。为实时监测和分析这些性能指标，需要不断地收集和校正实时数据。通过对比历史数据和行业标准，可以及时发现机组或设备的性能下降或异常情况，以便采取相应的优化或维修措施。这种实时监测和分析对提高火电机组的运行效率、延长设备使用寿命、减少能源浪费和环境污染都至关重要。更重要的是，它为评估和改进火电机组的整体性能提供了一个科学、客观的方法。

2.3 火电机组耗差指标的在线分析

在火力发电领域，耗差现象源自机组实际运行参数，与理想状态或设计基准值偏离相比，这种偏离会直接导致能耗增加。这些参数包括但不限于主蒸汽温度、压力、给水温度、凝汽器真空度等。当这些参数偏离理想值时，就会导致机组的效率下降，煤耗增加，从而影响电厂的经济效益。

3 试验结果与分析

为验证优化措施有效性，对优化前后的汽轮机进行对比试验。根据某电厂#3机组的实时运行数据，对机组在247MW负荷下工况进行详细耗差分析。在锅炉侧发现主要耗差来源包括排烟温度、飞灰含碳量等。以排烟温度为例，实时数据显示，排烟温度略高于设计值，导致热效率降低和煤耗增加。通过调整燃烧控制和空气预热器运行，可以有效降低排烟温度，从而提高锅炉效率。根据预定的阀点和负荷基准，全负荷段工况性能试验精心选取了8个不同的负荷点。而在宽负荷配汽方式试验中，对每个负荷点的5个工况进行测试。在这些测试中，主汽压力和高压调节阀开度被调整改变，而其他运行条件则保持不变。对变背压特性性能试验来说，在每个负荷点对4个工况进行试验。在这些试验中，将背压设定为变化25%的条件，而其他条件则维持不变。在试验开始前，严格隔离系统，精确调整负荷及各项运行参数，保证符合试验的严格要求。除氧器水箱和凝汽器热井补水至高位，并调整至稳定平衡状态，保证试验期间无须额外补水，并通过控制凝结水流量来维持除氧器水位稳定。

在试验过程中，暂时停止系统外部的排污、排水和排汽等活动，保证所有运行参数能够尽可能保持稳定。锅炉耗差分解见表2。耗差优化对比如图2所示。

当对汽轮机组性能进行诊断试验时，为保证能够准确评估机组性能，并揭示机组设计特性与实际运行之间的差异以及潜在问题，需要采用一系列严谨的方法和步骤。以下是关键的策略和技术，旨在通过逻辑推理判断机组性能试验结果的正确性。须制定具体的运行方式和工况选择标准，以保证试验能够覆盖机组的各种运行条件。这些选择应基于机组的设计参数和预期运行范围，以保证试验的广泛性和代表性。对功率确定和数据的测量范围来说，需要设定明确的标准和程序。通过精确测量和记录关键参数，例如温度、压力、流量等，可以获取机组性能的关键数据。同时，为了保证数据的准确性和可靠性，还需要对数据进行适当修正，以消除测量误差和干扰因素的影响。在数据分析阶段，采用逻辑推理的方法对试验结果进行判断至关重要。通过对比设计数据和实际测量数据，可以识别机组性能的差异和潜在问题。这些差异和问题可能是由设计缺陷、制造误差、运行维护不当等多种因素引起的。为了减少各种因素对试验结果的影响，需要采取措施来优化试验条件。包括保证试验环境的稳定性、使用高精度的测量设备、合理调整运行参数等。采取这些措施，可以使试验条件尽可能接近设计条件，从而提高试验结果的准确性和可靠性。

负荷下热耗率与高压调节阀开度的关系如图3所示，随着开度变小，节流损失逐渐增加，因此随着高压调节阀开度逐渐变小，机组的热耗率呈现缓慢上升的趋势。特别是在高压调节阀开度较小、节流损失较大的情况下，主汽压力和热耗率对高压调节阀开度的变化有明显响应。具体而言，当高压调节阀开度从100%减至30%时，主汽压力显著上升了1.35MPa，而热耗率也相应增加了约121.7kJ。这种趋势揭示了高压调节阀开度对机组性能的重要影响，为优化机组运行提供了重要参考。在不影响机组正常运行的前提下，通过调整运行方式和提升检修水平，有效地降低能耗，提高了机组整体效率。优化后的汽轮机在整体效率、热耗率以及排放等方面的性能均有明显改善。优化后的汽轮机整体效率提高约24%，热耗率降低了约19%，排放也得到了有效控制。这些改善有助于火电厂降低运营成本、提高经济效益，同时也为节能减排、实现绿色可持续发展做出积极贡献。

4 结论

热力分析是评估和提高汽轮机性能的有效手段，它能精准地识别汽轮机在运行过程中的能量损失点和效率瓶颈。本文针对汽轮机内部泄漏、热力过程不完善以及排气损失等关键问题，提出切实可行的优化措施。这些措施包括改进密封技术、优化热力系统设计、提高排气系统效率等，旨在全面提高汽轮机的整体性能。通过采取这些优化措施，汽轮机效率和性能得到显著提升，有助于火电厂降低运营成本，提高经济效益，同时也为节能减排、实现绿色可持续发展做出了积极贡献。为火电厂汽轮机的性能优化提供科学理论支撑和实践指导，对推动火电行业的技术进步和产业升级具有重要意义。

参考文献

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