汽輪機系統(tǒng)能耗分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張宇 吳迪

【摘 要】汽輪機是影響火力發(fā)電廠工作效率及生產(chǎn)成本的首要生產(chǎn)裝置之一，自始至終都是火力發(fā)電廠進行生產(chǎn)經(jīng)營的發(fā)展目標，面對當(dāng)前的時代潮流下，企業(yè)要想最大程度上獲得經(jīng)濟效益，應(yīng)該針對汽輪機組的運轉(zhuǎn)情況，通過換新、調(diào)整原有設(shè)備，進行設(shè)備的節(jié)能降耗研究，盡力降低設(shè)備的運轉(zhuǎn)耗能，確保機組始終處于最優(yōu)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。本文在此基礎(chǔ)上就汽輪機系統(tǒng)能耗分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了簡要的分析，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】汽輪機；能耗分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1汽輪機組工作原理

第一，沖動作用原理。沖動作用原理指的是在汽輪機中的高速蒸汽通過葉汽道時產(chǎn)生的氣流會推動葉片轉(zhuǎn)動，這樣一種由于氣流方向發(fā)生改變之后產(chǎn)生的沖動力將產(chǎn)生機械功。其基本特點是只有葉片的方向發(fā)生了改變。第二，反動作用原理。與沖動作用原理相似的是，反動作用原理也是由熱蒸汽通過葉汽道時發(fā)生的作用，進而推動葉片旋轉(zhuǎn)做功。不同之處是蒸汽在葉道中發(fā)生的是膨脹與加速現(xiàn)象，這樣產(chǎn)生的力使葉片做功。

2能耗影響因素的總結(jié)與研究

第一，汽缸的工作性能。汽缸是汽輪機內(nèi)的主要零部件之一，在發(fā)電流程中起到了密閉隔斷的作用，將蒸汽封閉在機組內(nèi)部，進而通過蒸汽熱能帶動機組做功轉(zhuǎn)，實現(xiàn)熱能到機械能的轉(zhuǎn)換目標，因此在氣缸的外周配套有多種類型的管道，實現(xiàn)排汽、進汽以及回?zé)岢槠裙ば蛉蝿?wù)。在發(fā)電的過程中，汽輪機內(nèi)缸與內(nèi)部蒸汽直接接觸，因而有大量的熱能傳導(dǎo)至缸壁，繼而輻射傳導(dǎo)至外缸，成為了主要的熱能消耗因素。因此在設(shè)備的設(shè)計方面，必須在兩層之間設(shè)置夾層氣流，以減少該類能耗。第二，運行機組通流性。電廠的汽輪機組為蒸汽做功，再由熱能轉(zhuǎn)化為機械能為發(fā)電機提供驅(qū)動，因此在汽輪機組的運行中蒸汽的流通性直接影響了做功的效率。如果流通性不足，汽輪機組內(nèi)的阻礙會導(dǎo)致大量能源消耗。但如果可以改善運行中的流通面積及流通量的話，其能量消耗將大大降低。第三，工作環(huán)境的影響。對于電廠汽輪機組的工作效率與能耗水平起到影響的環(huán)境因素主要包括氣壓與溫度兩種。在汽輪機組的工作過程中，汽輪機的汽缸會在燃料持續(xù)供應(yīng)的情況下，產(chǎn)生更大的噴水量和空氣比重，這些環(huán)境因素的改變將會帶來明顯的熱能消耗的提高，從而影響汽輪機組的做工效率。

3能耗分析方法

3.1熱平衡法

熱平衡法是最基本的熱力系統(tǒng)分析計算方法，是一種單純的汽水流量平衡和能量平衡方法。通過列寫各級加熱器的汽水質(zhì)量平衡和能量平衡方程，求得各級加熱器抽汽系數(shù)，利用功率方程和吸熱方程最終求得系統(tǒng)的熱經(jīng)濟指標。熱平衡法概念清晰、計算精度高，計算過程較為復(fù)雜，目前一般用來檢驗其它方法的精度。

3.2等效焓降法

等效焓降法是由前蘇聯(lián)專家提出，我國西安交通大學(xué)林萬超教授加以推廣應(yīng)用?？捎糜跓崃ο到y(tǒng)的整體計算與局部定量分析，用簡單的局部運算代替復(fù)雜的整體運算。它具有簡捷、準確、方便等特點，是一種方便有效的方法。目前，這一方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電廠熱力系統(tǒng)定量分析中。

3.3循環(huán)函數(shù)法

循環(huán)函數(shù)法是馬芳禮教授在美國的Salisbury提出加熱單元概念的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾十年教學(xué)和工程設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)立的一種熱力系統(tǒng)計算方法。該方法能較好的適應(yīng)計算復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，也適用于局部的定量分析。

3.4矩陣法

矩陣分析是通過將各級回?zé)峒訜崞鞯臒崞胶夥匠膛c功率方程聯(lián)立來完成熱力系統(tǒng)計算。矩陣中的各個元素取決于整個系統(tǒng)中相關(guān)熱力參數(shù)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或熱力參數(shù)變化情況下，只需相應(yīng)的改變矩陣的結(jié)構(gòu)與矩陣元素。因此，矩陣分析法計算通用性較強，且適合用編程的方法實現(xiàn)耗差分析。

3.5?分析法

?分析法是基于熱力學(xué)第二定律的方法，它從量和質(zhì)兩方面分析熱功轉(zhuǎn)化過程，重點突出能量轉(zhuǎn)化過程中在質(zhì)方面的不可逆損失，從而評價熱力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化和利用的完善程度。

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1低加改造為混合式加熱器

回?zé)嵯到y(tǒng)是火電機組的核心熱力系統(tǒng)，主要設(shè)備是回?zé)峒訜崞?，在常?guī)的火力發(fā)電廠回?zé)嵯到y(tǒng)中，除了除氧器采用混合式加熱器外，其余加熱器均為表面式。相關(guān)研究等對回?zé)嵯到y(tǒng)的布置損失作了大量的研究，指出采用表面式加熱器會增加系統(tǒng)的布置損失，而采用混合式加熱器能顯著提高機組的熱經(jīng)濟性。因此，將一臺或數(shù)臺面式加熱器改為混合式加熱器，在燃煤電站的節(jié)能優(yōu)化改造中是可行的。在混合式加熱器的換熱過程中，加熱蒸汽與給水直接接觸，最終將給水加熱到加熱蒸汽壓力下的飽和溫度，給水的壓力與加熱蒸汽壓力一致。這就產(chǎn)生了混合式加熱器的布置難題，即需要額外采取某種措施推動給水逐級流動。在混合式加熱器的運用研究中出現(xiàn)了兩種解決該問題的方案，一是在每個混合式加熱器后都配置水泵，美國人在他們的低壓加熱器全混合的系統(tǒng)中采用的就是這種方法，并設(shè)置了水箱以應(yīng)付負荷波動問題；二是采用重力式系統(tǒng)布置，將加熱器布置在不同的高度上，高度差產(chǎn)生重力壓頭，使低壓水流能自動落入壓力稍高的下一個加熱器，英國和蘇聯(lián)采用的就是這種布置，并在多臺機組上成功運用。據(jù)混合式加熱器在電廠中的應(yīng)用，混合式加熱器改造采用重力式系統(tǒng)布置，考慮到實際布置的可行性和難易程度，僅僅對一臺或者兩臺低壓加熱器進行混合式加熱器改造，因此，提出三種采用混合式加熱器的回?zé)嵯到y(tǒng)布置方案：方案一是8號低壓加熱器改為混合式加熱器；方案二是7號低壓加熱器改用混合式加熱器；方案三是7、8號低壓加熱器同時改為混合式加熱器。考慮到在重力式系統(tǒng)布置方案中，可能會出現(xiàn)凝結(jié)水流動壓頭不足的情況，因此，在混合式加熱器后加裝水泵，方案一和方案二中水泵安裝在混合式低加之后，方案三中水泵安裝在7號低加之后。根據(jù)混合式加熱器的工作原理建立混合式加熱器的仿真模型，與汽輪機系統(tǒng)模型相連接，組成帶有混合式加熱器的系統(tǒng)模型。依據(jù)混合式加熱器在電廠中的應(yīng)用和常規(guī)回?zé)嵯到y(tǒng)的布置情況，提出了混合式加熱器替代面式低加的3種方案，并對3種方案進行了仿真研究。主要研究結(jié)論如下：（1）某600MW超臨界機組采用混合式低壓加熱器使汽輪機組的發(fā)電功率增加、熱耗率減少。在THA工況下，方案3功率增加703kW，燃耗率降低8.51kJ/kWh，經(jīng)濟性表現(xiàn)最好；（2）方案3在VWO、THA、75%THA、50%THA四個工況下的變工況計算表明，各工況下機組的性能均有較好改善，在50%THA工況時，機組功率增量、增幅、熱耗率減少量及減幅均為最大，在低負荷下，采用混合式低加能獲得更顯著的經(jīng)濟收益。

4.2低溫省煤器

我國在運行的600MW超臨界機組中，絕大多數(shù)機組的尾部煙氣溫度處于120℃以上，這部分熱量具有很好的利用價值，如果不加以利用就會排放出去造成大量的排煙損失，而排煙損失在燃煤機組的諸多損失中占50%以上，因此降低鍋爐尾部煙氣溫度是燃煤發(fā)電機組節(jié)能降耗的一個有效手段?，F(xiàn)階段煙氣余熱利用方式中最常用的方式是在空氣預(yù)熱器之后的尾部煙道中布置低溫省煤器。低溫省煤器利用鍋爐尾部煙氣來加熱低壓加熱器水側(cè)的凝結(jié)水，其換熱條件類似于省煤器，但水側(cè)的溫度低于省煤器的溫度，稱之為低溫省煤器。低溫省煤器的安裝使得汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)得到一份外來熱量，節(jié)省了一部分抽汽，很好的回收排煙熱損失，提高了全廠的熱效率。隨著能源價格上升、節(jié)能減排的壓力增大，在運機組加裝低壓省煤器的經(jīng)濟性顯得越來越突出。

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（作者單位：黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司）