火電廠朗肯循環(huán)設(shè)備特性及運行監(jiān)視

張 鵬，周三平

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

電力作為我國社會發(fā)展的基礎(chǔ)能源，電力生產(chǎn)的安全問題一直是一個對國民生產(chǎn)生活影響都很大的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的火電廠多采用集中控制系統(tǒng)，集控控制系統(tǒng)是一種較為先進的管理控制系統(tǒng)，利用當(dāng)前的電子設(shè)備和信息技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)對火電廠設(shè)備的集控管理，提高了當(dāng)前火電廠的管理效率。隨著該系統(tǒng)中的應(yīng)用，使火電廠的設(shè)備變得更加智能和自動化[1]。就目前來看，我國中大型火電廠中都廣泛的運用集控運行系統(tǒng)，其已經(jīng)成為火電廠在運行中的重要手段。雖然集控運行系統(tǒng)在實際工作中比較穩(wěn)定，同時可以提高生產(chǎn)效率，但在運轉(zhuǎn)過程中依然存在很多不足之處[2]。在電力生產(chǎn)中，人的因素、設(shè)備的因素和管理的因素錯綜復(fù)雜的影響著機組的安全運行，但在所有的因素中無疑人的專業(yè)素養(yǎng)是機組安全運行的重要影響因素。隨著電力生產(chǎn)的發(fā)展，在安全運行方面積累了很多寶貴的專業(yè)經(jīng)驗，但是系統(tǒng)化的理論少之又少，如何從現(xiàn)有的理論中發(fā)展出適用于機組運行的理論，作為指導(dǎo)可見是一個非常重要的課題。

本文著眼于研究現(xiàn)有熱力發(fā)電機組中朗肯循環(huán)及其設(shè)備的運行特點，從熱力學(xué)第二定律的角度對眾多的參數(shù)進行整理簡化，論證了主汽壓力是標(biāo)志朗肯循環(huán)狀態(tài)的參數(shù)，同時從運行的角度系統(tǒng)的構(gòu)建了循環(huán)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)，并提出在監(jiān)視中把兩種狀態(tài)分離開來，提出了靜止設(shè)備和動態(tài)調(diào)整設(shè)備、動態(tài)非調(diào)整設(shè)備，按運行特性把設(shè)備分類管理，從而實現(xiàn)對機組調(diào)整監(jiān)視的簡化，為機組操作人員及集中控制系統(tǒng)的設(shè)計人員提供了理論的指導(dǎo)，使得在操作控制中更加得心應(yīng)手，從而提高監(jiān)視效率，做到能及時發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，把事故扼殺在搖籃之中。

1 熱力過程的方向性

為了應(yīng)用工質(zhì)，使其從熱源吸取能量，然后膨脹對外做功，而后工質(zhì)恢復(fù)到初態(tài)，使這些工質(zhì)周爾復(fù)始的進行這樣的過程，形成熱力循環(huán)，就可以源源不斷的獲得機械能。組成熱力循環(huán)的過程歸納起來可分為兩大類，一類是不需要任何附加條件就可以自然地進行的過程，稱為自發(fā)過程，如熱量由高溫物體傳遞給低溫物體，高壓氣體膨脹為低壓氣體等，它的反方向過程不可能自發(fā)地進行，屬于不可逆過程。自發(fā)過程的反方向過程稱為非自發(fā)過程，他們必須要有附加條件才能進行，如使熱量從低溫物體傳向高溫物體是非自發(fā)過程。在由熱能轉(zhuǎn)換為機械能的熱力循環(huán)中，以卡諾循環(huán)為例，如圖1所示，工質(zhì)從熱源定溫吸取熱量q1，對外絕熱膨脹做出機械功W，定溫對冷源放熱q2，然后加給一定的外功后絕熱壓縮至所需壓力，這四個過程完成了吸收熱量放出機械功的完整循環(huán)，循環(huán)不斷進行，機械功源源不斷。在卡諾循環(huán)的四個過程中，要完成定溫吸熱、絕熱膨脹、則需要定溫放熱、絕熱壓縮作為補充條件，它一方面體現(xiàn)了熱力循環(huán)必須由自發(fā)和非自發(fā)過程相互補充才能完成，另一方面也體現(xiàn)了過程進行的條件即熱力學(xué)第二定律所指出的不可能制造只從一個熱源吸取熱量，使之完全變成機械能而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動機，只有創(chuàng)造條件使整個過程符合熱力學(xué)定律，才能使循環(huán)不斷的進行。在組成循環(huán)的四個熱力過程中，定溫吸熱體現(xiàn)了從高溫?zé)嵩次∧芰康倪^程，絕熱膨脹體現(xiàn)了對外做出機械能的過程，這兩個過程是可以自發(fā)進行的過程，同時它也是構(gòu)造熱力循環(huán)的目的，實現(xiàn)了從高溫?zé)嵩次崃哭D(zhuǎn)換成了機械能。要實現(xiàn)這兩個過程，必須有低溫?zé)嵩?，使工質(zhì)膨脹到所能到達的冷源，必須把冷卻后的工質(zhì)再壓縮到所需的壓力，這樣才能構(gòu)成完整的工質(zhì)循環(huán)。從以上分析可見可以把熱力循環(huán)分為兩個部分，即定溫吸熱、絕熱膨脹實現(xiàn)了目的的過程和定溫放熱、絕熱壓縮創(chuàng)造條件的部分。這樣要實現(xiàn)獲取機械功的目的，就必須完成好創(chuàng)造條件這個過程。這樣分開以后，熱力循環(huán)的監(jiān)視就成了一個目標(biāo)非常明確的問題，同時也確定了兩個特征點，一個是循環(huán)條件創(chuàng)造的完成即一定狀態(tài)的工質(zhì)，一個是循環(huán)的完成即熱力膨脹后的工質(zhì)狀態(tài)，這樣這個問題分析之后，對整個熱力循環(huán)就可以提綱挈領(lǐng)的把握了，對整個熱力循環(huán)監(jiān)視的簡化有極大的意義。

圖1 卡諾循環(huán)p-v、t-s圖

以上分析了具有代表性的卡諾循環(huán)的構(gòu)成特點，火力發(fā)電所利用的工質(zhì)通常是水，以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)雖然有其自身的特點，但從原理分析同樣有著卡諾循環(huán)的一般性。

在采用蒸汽作工質(zhì)時，由于水的汽化和蒸汽的凝結(jié)，當(dāng)壓力不變時溫度也不變，這樣就可以實現(xiàn)定溫吸熱和定溫放熱兩個過程，再加上絕熱膨脹和絕熱壓縮便可利用卡諾循環(huán)，但是由于(1)在絕熱壓縮中，氣液混合物體積很大且混合物會導(dǎo)致壓縮機工作不穩(wěn)定。(2)循環(huán)限于飽和區(qū)，上限溫度受制于臨界溫度，即使實現(xiàn)卡諾循環(huán)熱效率也不高。(3)膨脹末期，濕蒸汽干度過小，不利于動力機安全。基于以上原因，在實際的以蒸汽作工質(zhì)的循環(huán)中，通常使用朗肯循環(huán)作為其熱力循環(huán)。朗肯循環(huán)主要由定壓吸熱、絕熱膨脹、定壓放熱、絕熱壓縮四個熱力過程構(gòu)成，與卡諾循環(huán)相比定壓吸收的熱量的上限更高，絕熱膨脹后汽水混合物的濕度小，定壓放熱后能把汽水混合物完全凝結(jié)成水，加入再熱和回?zé)岷蟾欣谘h(huán)的進行。由以上可見朗肯循環(huán)脫胎于卡諾循環(huán)，在電廠實際的熱力過程中，略去回?zé)?，同樣可以將其分成自發(fā)的過程即定壓吸熱和絕熱膨脹過程，和非自發(fā)的過程如定壓放熱和絕熱壓縮過程兩大部分，其中定壓吸熱包括冷再蒸汽重新進入鍋爐后重新加熱，絕熱膨脹包括主蒸汽在高壓汽缸中做功和再熱蒸汽在中低壓汽缸中做功。自發(fā)過程體現(xiàn)了構(gòu)造過程的目的，非自發(fā)過程體現(xiàn)了要實現(xiàn)過程所需要的條件，這樣在整個循環(huán)過程中，完成了定壓吸熱和絕熱膨脹后便達到了我們得到機械功的目的，完成定壓放熱和絕熱壓縮便為熱力循環(huán)創(chuàng)造了條件。鍋爐給水的狀態(tài)體現(xiàn)了熱力循環(huán)的起點，汽輪機低壓缸的排汽狀態(tài)反應(yīng)了做功的結(jié)束狀態(tài)，這兩個點體現(xiàn)了熱力循環(huán)進行的程度和狀態(tài)。朗肯循環(huán)原理圖2所示。

圖2 朗肯循環(huán)及t-s圖

2 朗肯循環(huán)各設(shè)備運行與監(jiān)視特點

在熱力發(fā)電廠中，工質(zhì)的定壓吸熱過程在鍋爐中進行，其中省煤器把壓縮后的過冷水加熱到一定溫度，經(jīng)汽包、下降管、爐水循環(huán)泵在鍋爐的水冷壁中蒸發(fā)吸熱，從水冷壁中出來的汽水混合物在汽包中分離后，水側(cè)繼續(xù)循環(huán)，飽和蒸汽進入低溫過熱器、中溫過熱器、高溫過熱器加熱到額定溫度后進入汽輪機做功，高壓缸做完功的蒸汽在回到鍋爐的再熱器中重新加熱到額定溫度后回到中低壓缸進行做功。在鍋爐中進行的這些過程均是工質(zhì)定壓吸熱的過程，在這個流程中，由過冷水經(jīng)省煤器、水冷壁加熱到飽和蒸汽，最后在過熱器中加熱到過熱蒸汽，在再熱器中同樣是定壓加熱過程。在完成這些過程的設(shè)備中，爐水循環(huán)泵用來增加爐水循環(huán)的壓頭，保證水冷壁的受熱均勻，防止發(fā)生水動力不穩(wěn)定，從而防止使換熱面損壞。

在各換熱面中，過熱器、再熱器通常用配有減溫水來調(diào)節(jié)汽溫，減溫水調(diào)門開啟后，經(jīng)過一定的延時反應(yīng)到過熱器或再熱器出口，其它如水冷壁，汽包均無可操作設(shè)備，因此在運行過程中，把這些設(shè)備的工作溫度及壓力變化控制在規(guī)定的范圍內(nèi)即可保證其運行的安全。此外，在這些受熱面中，除爐水循環(huán)泵和減溫水調(diào)門有頻繁動作的設(shè)備外，其它均為靜態(tài)的設(shè)備，對于動態(tài)設(shè)備，為保證其在工作過程中不出問題，需要頻繁監(jiān)視，調(diào)節(jié)超出調(diào)節(jié)范圍外需手動干預(yù)進行調(diào)整，而靜態(tài)設(shè)備則不同，在運行過程中，只能保證其運行在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，只要參數(shù)不超限，安全性則可以保證。

對于過熱器再熱器減溫水的調(diào)節(jié)而言，其動態(tài)調(diào)節(jié)特性如圖3所示，調(diào)節(jié)的目的是保證其出口溫度在合理的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)方式是減溫水調(diào)節(jié)閥門開度，示意圖如下。在運行過程中，這部分設(shè)備的典型事故是水冷壁，過熱器，再熱器，省煤器管路的泄露即“四管泄露”，造成泄露的原因中管壁過熱是造成的主要原因，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計過熱在電力機組中的占比達50%以上[5]。在其它原因中有溫度調(diào)整不均勻，溫升率超出材料允許值，加熱器未投運等運行因素[6]。汽包中水位為保證鍋爐中各受熱面的安全有至關(guān)重要的作用，在汽包爐中，汽包水位是汽水的明顯分界點，汽包溫度即其工作壓力所對應(yīng)的飽和溫度，因水在蒸發(fā)過程中溫度保持不變，所以，水位本質(zhì)上也是溫度的分界點。在直流爐中，通常要監(jiān)視中間點溫度的過熱度，把過熱度控制在一定范圍內(nèi)，從而汽水分離的界面就會控制在一定的區(qū)域內(nèi)，從而各設(shè)備的溫度就會按對應(yīng)壓力進行分布，設(shè)備安全性就能得到保證，因此，在機組的運行中汽包水位是監(jiān)視中不可忽視的重要參數(shù)。在水位事故中，汽包缺水、滿水、再進一步蒸汽中帶水通常是其表現(xiàn)形式。

綜上可見，在鍋爐中監(jiān)視好汽包水位或中間點溫度過熱度，同時控制主汽壓力在合理范圍內(nèi)，就可以保證各換熱面溫度的合理分布，燃燒調(diào)整調(diào)整過程中保證受熱面熱偏差、溫升率在允許范圍內(nèi)，蒸汽參數(shù)在額定范圍內(nèi)就可以保證設(shè)備的安全。這樣靜態(tài)部分安全性主要靠運行參數(shù)在額定范圍內(nèi)，對于動態(tài)部分中不可調(diào)節(jié)部分比如爐水泵主要是監(jiān)視其參數(shù)，可調(diào)節(jié)部分如主再蒸汽減溫水，煙氣擋板需關(guān)注其調(diào)節(jié)狀態(tài)，不能自動調(diào)節(jié)時應(yīng)切手動干預(yù)。保證調(diào)節(jié)正常即可保證對應(yīng)的參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。

圖3 減溫水階躍響應(yīng)圖

圖4 汽輪機調(diào)門對主汽壓力階躍響應(yīng)圖

絕熱膨脹過程在汽輪機里完成，汽輪機運行監(jiān)視技術(shù)中包含主蒸汽壓力和溫度的監(jiān)視、排氣壓力監(jiān)視和監(jiān)視段壓力、振動情況監(jiān)視、 軸向位移監(jiān)視以及汽輪機轉(zhuǎn)速五項監(jiān)視技術(shù)，而在汽輪機運行的優(yōu)化問題方面，相關(guān)技術(shù)人員可針對汽輪機的滑定運行方式和背壓值進行優(yōu)化[8]。由這些監(jiān)視和優(yōu)化的問題中可以明確的看到，監(jiān)視的一部分內(nèi)容是汽輪機本身設(shè)備的狀況，汽輪機主要由轉(zhuǎn)動部分和靜止部分兩大部分，在監(jiān)視過程中，汽輪機的振動，軸承溫度，潤滑油溫，高低壓缸的膨脹以及脹差，軸向位移，各級抽氣壓力等參數(shù)共同反應(yīng)了汽輪機的狀態(tài)。另一部分則反應(yīng)了在熱力循環(huán)中的狀況，比如主再蒸汽參數(shù)，定滑壓問題，背壓優(yōu)化。就熱力循環(huán)整體而言，主汽調(diào)門用于調(diào)節(jié)汽輪機的出力，調(diào)節(jié)過程中，主蒸汽壓力隨著調(diào)門的開度而變化，而其他部件不過是為了完成水蒸氣的膨脹過程，把熱能轉(zhuǎn)換為機械能。這樣對于整體循環(huán)而言，應(yīng)當(dāng)關(guān)注汽輪機的調(diào)門開度和汽輪發(fā)電機組的出力，調(diào)門的動作情況反應(yīng)了汽輪機為保持其出力而進行的調(diào)節(jié)狀況，同時由于一定的主汽壓對應(yīng)一定的負荷，從而對主汽壓也有一定的影響，階躍響應(yīng)如圖4所示。這樣，在汽輪機的工作過程中，調(diào)門的調(diào)節(jié)影響著主汽的流量及當(dāng)時的主再蒸汽參數(shù)，對整個循環(huán)的工作效率有重要的影響，而其它參數(shù)主要表達了汽輪機的狀態(tài)?？梢姡诒O(jiān)視中，調(diào)門的開度或者說汽輪機的進汽參數(shù)對循環(huán)狀態(tài)有著重要的影響，而另一個監(jiān)視的重點就是汽輪機的狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了循環(huán)狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)的分離，從而達到監(jiān)視的層次分明，重點突出。

定壓放熱過程是在凝氣器里完成的，凝汽器本質(zhì)是一個大的換熱器，通過大量的換熱來保持汽輪機排氣壓力的穩(wěn)定，這個過程的監(jiān)視主要是對機組真空的監(jiān)視，而真空在運行過程中擾動相對較小，通常是可以保持穩(wěn)定的。在這個過程中循環(huán)水泵是其中最大的動力設(shè)備，此外有汽室真空泵用于抽掉汽側(cè)的空氣，水側(cè)用于抽掉循環(huán)水側(cè)的空氣，通常沒有調(diào)節(jié)的部分。絕熱壓縮過程在凝結(jié)水泵和給水泵中完成，對這兩個工過程的監(jiān)視本質(zhì)上是對泵的監(jiān)視。同樣可以區(qū)分出設(shè)備狀態(tài)部分和對熱力循環(huán)影響部分，以軸承振動，溫度，潤滑油狀態(tài)反應(yīng)了設(shè)備是否正常，而泵的進出口參數(shù)，轉(zhuǎn)速和流量反應(yīng)了在循環(huán)中的職能作用。

回?zé)徇^程是為了提高機組的循環(huán)效率，利用做完功的蒸汽重新加熱機組給水，以提高鍋爐進水溫度。在實際的循環(huán)過程中通常由幾級高壓加熱器和幾級低壓加熱器組成，在運行過程中，各段抽氣的壓力可以反應(yīng)汽輪機級間通流部分的情況，因此常作為分析機組的重要參數(shù)，對于加熱器而言，水側(cè)泄露是其常見故障，因此加熱器的水位也是十分重要的監(jiān)視對象，特別是高水位對汽輪機的安全形成了重大的威脅。加熱器的溫升或端差時對加熱器本身狀態(tài)的反應(yīng)?？梢姡槠麉?shù)歸于對汽輪機的監(jiān)視，加熱器的監(jiān)視只是水位和端差，對于循環(huán)而言就是各級加熱器的水側(cè)端差保持較高從而保證較高的鍋爐給水溫度。

以上探討了電廠朗肯循環(huán)中所涉及設(shè)備的運行特點，可見在整個熱力循環(huán)實現(xiàn)的過程中，雖然牽扯的設(shè)備較多，但是，認(rèn)真分析之后，創(chuàng)造循環(huán)條件的非自發(fā)過程，即絕熱壓縮和定壓放熱過程，所涉及的設(shè)備主要是大型泵，其工作的結(jié)果是把汽輪機所排出的汽水混合物全部冷卻成水然后再壓縮到所需的壓力下，即達到鍋爐的給水壓力，創(chuàng)造了這個條件，整個熱力過程便可順利的進行。在正常的監(jiān)視過程中通常把主汽壓力作為監(jiān)視的重要參數(shù)，因為在循環(huán)過程中由于鍋爐的壓降是一定的，主汽壓力通常與鍋爐給水壓力只相差一個小值，這樣監(jiān)視主汽壓力也就監(jiān)視了給水壓力。實現(xiàn)目的的自發(fā)過程，即鍋爐中自高溫的吸熱過程，汽輪機中蒸汽膨脹做功過程，在監(jiān)視過程主要是保證設(shè)備工作在額定參數(shù)值之內(nèi)，以免對設(shè)備造成損壞，同時保證動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

3 朗肯循環(huán)總體評價及監(jiān)視特點

在熱力發(fā)電廠中，凝汽器的真空正常狀態(tài)下通常非常穩(wěn)定，即使隨著外界溫度變化，也會通過調(diào)整運行方式，比如調(diào)整循環(huán)水泵的運行方式，使其變化在很小的范圍內(nèi)。主再熱汽溫同樣由于調(diào)節(jié)手段多也容易穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。對于汽輪機而言，通常調(diào)門的開度維持在一定的范圍內(nèi)以保證汽輪機運行在較高的效率工況內(nèi)，因此，一定的運行壓力通常對應(yīng)著一定的主汽流量，這樣從朗肯循環(huán)的熱力學(xué)過程來看，主汽壓力的每個數(shù)值便對應(yīng)著熱力循環(huán)的一種狀態(tài)，壓力發(fā)生變化，整個循環(huán)的節(jié)點參數(shù)便發(fā)生變化。在實踐中可見，在負荷穩(wěn)定的情況下，保持鍋爐主汽壓壓力的穩(wěn)定對于整個熱力循環(huán)的穩(wěn)定都有非常大的意義。在機組穩(wěn)態(tài)運行中可以看到，保持主氣壓穩(wěn)定后機組可以很快進入穩(wěn)定狀態(tài)。在變工況運行中保持主汽壓能隨著負荷的變化而達到對應(yīng)負荷的壓力，對于維持整個熱力循環(huán)的穩(wěn)定同樣是非常重要的。對于循環(huán)的量而言，主汽流量的大小反應(yīng)了同參數(shù)下機組做功的大小，但在同一機組中，單用主汽壓力便反應(yīng)出了熱力循環(huán)的狀態(tài)和程度。

在熱力機組的監(jiān)視過程中，鍋爐的主再熱器除了減溫水調(diào)節(jié)系統(tǒng)外屬于靜態(tài)系統(tǒng)，減溫水截門始終保持全開，需要進行調(diào)整的僅僅是減溫水的幾個調(diào)門，凝汽器系統(tǒng)本質(zhì)上是對循環(huán)水系統(tǒng)的監(jiān)視以保證冷卻水的順利冷卻，汽輪機除高中壓主汽門調(diào)門外，凝泵，給水泵都屬于轉(zhuǎn)子和靜止配合的動力設(shè)備，這樣分析之后，對整個熱力系統(tǒng)各設(shè)備的監(jiān)視上，就可以大大的簡化，只要動態(tài)設(shè)備調(diào)節(jié)沒有什么故障，靜態(tài)設(shè)備運行在額定的參數(shù)下，就可以保證熱力循環(huán)的正常。

通過以上分析就可以實現(xiàn)循環(huán)狀態(tài)的監(jiān)視和熱力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視的分離，循環(huán)狀態(tài)以主汽壓力為主同時兼顧主汽流量，而設(shè)備狀態(tài)以監(jiān)視設(shè)備固有參數(shù)。這樣就可以在監(jiān)視中大大簡化紛繁的參數(shù)，對設(shè)備合理的把握。

4 結(jié)論

在以上的分析中，首先從理論的角度剖析了熱力循環(huán)的過程，指出四個過程可以分成兩部分，一部分是創(chuàng)造條件部分，一部分是實現(xiàn)目的部分，創(chuàng)造條件的結(jié)果便是一定壓力的水，只要這個條件滿足，在后兩個部分中便可以實現(xiàn)由熱能轉(zhuǎn)化為機械能。其次，進一步從整個循環(huán)的過程來分析，指出在循環(huán)的過程中，主汽壓力代表的是熱力循環(huán)的狀態(tài)，主汽壓力的變化意味著循環(huán)狀態(tài)的變化，意味著各設(shè)備熱力參數(shù)及工作狀態(tài)的變化，這樣監(jiān)視和調(diào)整主蒸汽壓力在維持整個循環(huán)的穩(wěn)定有非常重要的意義。最后在分析各設(shè)備特點的基礎(chǔ)上，對各設(shè)備的監(jiān)視做了分類，指出在整個熱力過程中就設(shè)備而言分為屬于靜態(tài)部分和由動靜部分構(gòu)成的動力設(shè)備，靜態(tài)設(shè)備側(cè)重于單純的監(jiān)視，而動態(tài)設(shè)備則是包含有調(diào)整的監(jiān)視。對于整個熱力循環(huán)而言，保證設(shè)備的不故障，是監(jiān)視中的重要內(nèi)容，從而實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視與熱力循環(huán)狀態(tài)調(diào)整的分開。總之，從熱力學(xué)第二定律的角度出發(fā)，分析了循環(huán)的條件性和目的性，從設(shè)備的特點出發(fā)，分出了動態(tài)靜態(tài)設(shè)備的不同，從整個循環(huán)出發(fā)，把循環(huán)狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)分開，通過這些基本點的分開實現(xiàn)對機組狀態(tài)的合理把握，便于實現(xiàn)機組的安全運行。