電廠集控運(yùn)行中汽輪機(jī)的優(yōu)化技術(shù)探究

大唐彬長發(fā)電有限責(zé)任公司 陜西 咸陽 713602

1 引言

在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，對各種能源的需求也在不斷增加。以中國為例，當(dāng)今社會的電力負(fù)荷正在不斷增加。發(fā)電廠作為電力資源的主要來源，也承受著巨大的生產(chǎn)壓力，其集控操作的穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。中國發(fā)電的主要能源結(jié)構(gòu)仍然是煤炭，同樣也使火力發(fā)電廠成為主要的發(fā)電形式。汽輪機(jī)是發(fā)電廠發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分。其運(yùn)行的穩(wěn)定性將直接決定火力發(fā)電廠的供電質(zhì)量。在不斷進(jìn)行火力發(fā)電廠的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備引進(jìn)的同時，也促進(jìn)了汽輪機(jī)的不斷改進(jìn)。然而，在當(dāng)前的火力發(fā)電廠的集控運(yùn)行中，仍然出現(xiàn)各種問題影響汽輪機(jī)的運(yùn)行效率和安全性。本文以一個600MW直接空冷機(jī)組為例，對現(xiàn)在有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，分析新系統(tǒng)降低排氣溫度的效果以供參考。

2 電廠汽輪機(jī)概述

電廠集控運(yùn)行系統(tǒng)屬于全分布式系統(tǒng)，其核心就是微處理器。最大的特點(diǎn)是可以實現(xiàn)集中管理和分散控制。隨著計算機(jī)信息技術(shù)等高科技的發(fā)展，也在朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化以及實時化的方向不斷發(fā)展。在電廠中的通信技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和其他硬件技術(shù)的支持下，還需要溫濕度控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)和接地系統(tǒng)，集中控制室布局和布線布局的配合。目前，大容量火力發(fā)電機(jī)組主要運(yùn)用單閥和順序閥兩種配氣方式控制汽輪機(jī)的進(jìn)氣。單閥配氣方式在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的情況下不利于長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這種配氣方式主要是在應(yīng)用在試運(yùn)行階段和投產(chǎn)后的半年試生產(chǎn)期內(nèi)；順序閥配氣方式可以減少閥門進(jìn)汽節(jié)流損失，因此經(jīng)濟(jì)性比較好，機(jī)組順序閥下的經(jīng)濟(jì)性最終取決于閥序控制特性，不合理的閥序控制特性不僅會影響到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性、一次調(diào)頻性能和經(jīng)濟(jì)性，而且可能會引起機(jī)組軸瓦溫度升高及軸瓦振動增大等問題，影響機(jī)組安全運(yùn)行。自從將汽輪機(jī)引入發(fā)電廠以來，不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，蒸輪機(jī)的技術(shù)也在不斷更新和改進(jìn)，但是這也顯示了許多問題需要進(jìn)行優(yōu)化。

3 電廠集控運(yùn)行分析

3.1 集散控制系統(tǒng)的定義 集散控制系統(tǒng)是基于微處理器的完全分布式系統(tǒng)。主要特征是集中管理和分散控制。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)也朝著網(wǎng)絡(luò)化、實時化和高集成化的方向發(fā)展。集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品有很多類型，包括通信、操作、集中管理、分散過程控制。這些部分通過通信部分作為鏈接來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3.2 集散控制系統(tǒng)運(yùn)行條件 集散控制系統(tǒng)是電廠生產(chǎn)的重要組成部分。需要計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和硬件技術(shù)的支撐。此外，還需要多年處于工作狀態(tài)下的溫度控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、線路布置和集控室布置這些外部環(huán)節(jié)的配合。

4 電廠汽輪機(jī)類型

一種是反動式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)運(yùn)行中，沖動原理使空氣導(dǎo)管內(nèi)的蒸汽迅速膨脹，對葉片產(chǎn)生反作用，這就是汽輪機(jī)的反作用原理。在此原理的驅(qū)動下，氣道中氣流改變方向，隨著蒸汽的膨脹，葉片迅速旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行速度發(fā)生變化。

另一種是沖動式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生大量蒸汽，蒸汽通過蒸汽噴嘴流入氣道，使葉片快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動能，促進(jìn)蒸汽輪機(jī)運(yùn)行，這是沖動原理。蒸汽直接作用在葉片上，繼而使葉片旋轉(zhuǎn)，并使氣道迅速膨脹，葉片迅速旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)蒸汽輪機(jī)運(yùn)行并確保運(yùn)行效率。

5 電廠集控運(yùn)行中汽輪機(jī)出現(xiàn)的問題

5.1 配汽方式的問題 以采用復(fù)合配汽方式的汽輪機(jī)為例，出現(xiàn)的問題主要表現(xiàn)在，汽輪機(jī)運(yùn)行的不同階段需要采用不同的配汽方式。例如，在蒸汽輪機(jī)的啟動階段或低負(fù)荷階段，通常需要單個閥來維持蒸汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。但是，在此階段，工作效率也會降低，這也將導(dǎo)致能耗的增大。在汽輪機(jī)的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)階段，需要根據(jù)順序閥的配汽方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.2 啟停問題 在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子的蒸汽參數(shù)會不斷變化，轉(zhuǎn)子的內(nèi)部溫度場也隨之不斷變化，溫度通常較高。在蒸汽參數(shù)不斷變化的時候沒有妥善的處理參數(shù)的問題，在汽輪機(jī)的啟停過程中就會引起能耗增加的問題，并且還會降低汽輪機(jī)的工作效率，還會縮短使用壽命。

5.3 機(jī)組能力問題 汽輪機(jī)中的汽閥主要有兩種調(diào)節(jié)方式：單閥調(diào)節(jié)和順序閥調(diào)節(jié)，它是影響汽輪機(jī)能耗的主要因素。前者主要通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)來改變能耗，而后者主要通過噴嘴實現(xiàn)。在實際運(yùn)轉(zhuǎn)中，通常在閥壓力小的情況下使用這兩種方法，在閥壓力大的情況下，會引起外缸的變形，噴嘴的變形等問題。同時也會損壞其機(jī)組能力和密封性，這會降低汽輪機(jī)的工作能力并增加能耗。

5.4 密封水系統(tǒng)問題 迷宮式密封是汽輪機(jī)汽動給水泵軸端的主要密封方法。當(dāng)泵處于緊急停止?fàn)顟B(tài)時，可以避免差的密封水回水受阻的問題。該問題很容易導(dǎo)致水進(jìn)入油箱并影響泵的正常工作。甚至可能導(dǎo)致安全事故。

5.5 其他問題 汽輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)振動問題比較普遍，主要表現(xiàn)在負(fù)載下軸承油膜破壞轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，或者由于輪機(jī)長時間處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)后溫度升高，零件受熱彎曲等的原因，引起振動。另外，還存在轉(zhuǎn)子彎曲變形等問題，這是由于轉(zhuǎn)子溫度和蒸汽參數(shù)的調(diào)整不充分或長期運(yùn)行下的應(yīng)力所致。水環(huán)真空泵過載也會導(dǎo)致這種問題，另外，還存在傳熱惡化和阻塞的問題。

6 電廠集控運(yùn)行中汽輪機(jī)的優(yōu)化技術(shù)措施

6.1 對配汽方式的優(yōu)化 傳統(tǒng)的復(fù)合型配汽方式方法在低負(fù)荷情況下會造成損失增加，可以對蒸汽分配方法進(jìn)行優(yōu)化，通過三閥控制方法降低負(fù)荷，改善低負(fù)荷運(yùn)行中的能量損失問題，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率的提高。

(1)改變順序閥開啟順序，可有效的降低機(jī)組熱耗，該廠2號機(jī)組通過進(jìn)汽閥序修改使其平均熱耗下降了215.57KJ/kWh，使供電煤耗下降了8g左右，有效的提高了機(jī)組效率。(2)閥序改變后，機(jī)組軸承溫度有所上升，特別時1、2瓦軸承溫度，在最高負(fù)荷600MW時，溫度可達(dá)107.58℃，趨近于機(jī)組跳閘值121℃。對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的風(fēng)險。(3)閥序修改對機(jī)組振動有一定的影響，但本次修改振動變化不大?？傊?，對于順序閥進(jìn)汽順序的選擇，應(yīng)綜合考慮機(jī)組振動及軸承溫度，在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，選擇最佳的進(jìn)行方式，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

6.2 啟停過程的優(yōu)化 針對汽輪機(jī)啟動過程中使用高中壓缸聯(lián)合配動的啟動方法，容易導(dǎo)致高溫容易造較大的損失，就需要降低高壓缸的排氣溫度，主要通過啟動時蒸汽預(yù)定壓力降低方式來實現(xiàn)，與此同時，需要及時打開高壓缸的排氣逆止門以增加流量并減少溫升。

6.3 機(jī)組優(yōu)化 在15°C的環(huán)境溫度和55MW的負(fù)載下，空冷風(fēng)機(jī)的頻率每升高5Hz，空冷風(fēng)機(jī)的功率將增加197kW，單位壓力降低約0.88kPa。單位背壓隨著空冷風(fēng)機(jī)頻率的增加而逐漸降低，但同時空氣冷卻風(fēng)扇的能耗也有所增加。因此，單位負(fù)載穩(wěn)定。使用蒸汽給水泵的冷凝水降低主機(jī)的排氣溫度后，每當(dāng)主機(jī)的背壓下降1kPa時，風(fēng)冷風(fēng)扇的頻率就可以降低5-7Hz，并降低總功率風(fēng)冷風(fēng)扇的功率降低到約224kW。每年可節(jié)約電費(fèi)轉(zhuǎn)換成本約38.3萬元。使用蒸汽驅(qū)動給水泵的冷凝水降低主機(jī)的排氣溫度，每年可節(jié)省151萬元。

6.4 給水泵優(yōu)化 針對汽輪機(jī)通常使用的恒速給水泵運(yùn)行方式引起的節(jié)流損失大的問題，要結(jié)合其變化速度和泵的曲線來設(shè)計給水泵的供水方法。經(jīng)過改造后，使用蒸汽進(jìn)料泵的冷凝水冷卻主機(jī)排氣溫度。經(jīng)過實驗分析，背壓每變化1kPa，裝置的負(fù)載就會變化600kW。按運(yùn)行5700h/年計算，可增加發(fā)電量3420MW，可發(fā)電約10萬元。同時，機(jī)組背壓每降低1kPa，耗煤量減少0.98g/(kW·h)，可節(jié)省原煤約5萬噸，節(jié)約燃煤費(fèi)用約110萬元。

6.5 其他優(yōu)化 當(dāng)55℃的環(huán)境溫度下空冷風(fēng)機(jī)式變頻器的頻率為55Hz時，在改造前后的不同工況下采集并分析機(jī)組數(shù)據(jù)。低負(fù)荷較高負(fù)荷相比，使用蒸汽驅(qū)動給水泵的冷凝水來降低主機(jī)的排氣溫度更好，可以達(dá)到3K的溫度下降，在滿負(fù)荷下，溫度下降可以達(dá)到1K。裝置的背壓和主機(jī)排氣溫度也有同樣趨勢。

7 結(jié)語

通過改進(jìn)汽輪機(jī)的各種參數(shù)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，發(fā)電企業(yè)可以顯著提高汽輪機(jī)的工作效率，從而提高電廠供應(yīng)電能的質(zhì)量。作為發(fā)電廠發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，汽輪機(jī)的優(yōu)化升級和不斷完善對發(fā)電廠的運(yùn)營和發(fā)展有著重要的影響。鑒于火力發(fā)電廠過程中汽輪機(jī)運(yùn)行存在各種問題，這些問題會影響其運(yùn)行效率并導(dǎo)致高能耗，因此有必要優(yōu)化和改善蒸汽輪機(jī)的蒸汽分配模式，啟停模式和輔助發(fā)動機(jī)的運(yùn)行，以確保在其高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時，還可以延長其使用壽命并減少潛在的安全隱患，打造高經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)快速發(fā)展的發(fā)電廠。