張宇 吳迪

【摘 要】汽輪機(jī)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(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的發(fā)展目標(biāo)，面對(duì)當(dāng)前的時(shí)代潮流下，企業(yè)要想最大程度上獲得經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該針對(duì)汽輪機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，通過(guò)換新、調(diào)整原有設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備的節(jié)能降耗研究，盡力降低設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)耗能，確保機(jī)組始終處于最優(yōu)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。本文在此基礎(chǔ)上就汽輪機(jī)系統(tǒng)能耗分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，僅供參考。

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

1汽輪機(jī)組工作原理

第一，沖動(dòng)作用原理。沖動(dòng)作用原理指的是在汽輪機(jī)中的高速蒸汽通過(guò)葉汽道時(shí)產(chǎn)生的氣流會(huì)推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一種由于氣流方向發(fā)生改變之后產(chǎn)生的沖動(dòng)力將產(chǎn)生機(jī)械功。其基本特點(diǎn)是只有葉片的方向發(fā)生了改變。第二，反動(dòng)作用原理。與沖動(dòng)作用原理相似的是，反動(dòng)作用原理也是由熱蒸汽通過(guò)葉汽道時(shí)發(fā)生的作用，進(jìn)而推動(dòng)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(jī)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(jī)組內(nèi)部，進(jìn)而通過(guò)蒸汽熱能帶動(dòng)機(jī)組做功轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換目標(biāo)，因此在氣缸的外周配套有多種類型的管道，實(shí)現(xiàn)排汽、進(jìn)汽以及回?zé)岢槠裙ば蛉蝿?wù)。在發(fā)電的過(guò)程中，汽輪機(jī)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(jì)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(yùn)行機(jī)組通流性。電廠的汽輪機(jī)組為蒸汽做功，再由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能為發(fā)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，因此在汽輪機(jī)組的運(yùn)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(jī)組內(nèi)的阻礙會(huì)導(dǎo)致大量能源消耗。但如果可以改善運(yùn)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(duì)于電廠汽輪機(jī)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(jī)組的工作過(guò)程中，汽輪機(jī)的汽缸會(huì)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(huì)帶來(lái)明顯的熱能消耗的提高，從而影響汽輪機(jī)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(jì)算方法，是一種單純的汽水流量平衡和能量平衡方法。通過(guò)列寫(xiě)各級(jí)加熱器的汽水質(zhì)量平衡和能量平衡方程，求得各級(jí)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(jì)指標(biāo)。熱平衡法概念清晰、計(jì)算精度高，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，目前一般用來(lái)檢驗(yàn)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(guó)西安交通大學(xué)林萬(wàn)超教授加以推廣應(yīng)用?？捎糜跓崃ο到y(tǒng)的整體計(jì)算與局部定量分析，用簡(jiǎn)單的局部運(yùn)算代替復(fù)雜的整體運(yùn)算。它具有簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)，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(guó)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(jì)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)立的一種熱力系統(tǒng)計(jì)算方法。該方法能較好的適應(yīng)計(jì)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(guò)將各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯臒崞胶夥匠膛c功率方程聯(lián)立來(lái)完成熱力系統(tǒng)計(jì)算。矩陣中的各個(gè)元素取決于整個(gè)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(jì)算通用性較強(qiáng)，且適合用編程的方法實(shí)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(guò)程，重點(diǎn)突出能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中在質(zhì)方面的不可逆損失，從而評(píng)價(jià)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(jī)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(duì)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(huì)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(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。因此，將一臺(tái)或數(shù)臺(tái)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(guò)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(dòng)給水逐級(jí)流動(dòng)。在混合式加熱器的運(yùn)用研究中出現(xiàn)了兩種解決該問(wèn)題的方案，一是在每個(gè)混合式加熱器后都配置水泵，美國(guó)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(fù)荷波動(dòng)問(wèn)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(dòng)落入壓力稍高的下一個(gè)加熱器，英國(guó)和蘇聯(lián)采用的就是這種布置，并在多臺(tái)機(jī)組上成功運(yùn)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(shí)際布置的可行性和難易程度，僅僅對(duì)一臺(tái)或者兩臺(tái)低壓加熱器進(jìn)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(hào)低壓加熱器改為混合式加熱器；方案二是7號(hào)低壓加熱器改用混合式加熱器；方案三是7、8號(hào)低壓加熱器同時(shí)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(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水流動(dòng)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(hào)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(jī)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(duì)3種方案進(jìn)行了仿真研究。主要研究結(jié)論如下：（1）某600MW超臨界機(jī)組采用混合式低壓加熱器使汽輪機(jī)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(jì)性表現(xiàn)最好；（2）方案3在VWO、THA、75%THA、50%THA四個(gè)工況下的變工況計(jì)算表明，各工況下機(jī)組的性能均有較好改善，在50%THA工況時(shí)，機(jī)組功率增量、增幅、熱耗率減少量及減幅均為最大，在低負(fù)荷下，采用混合式低加能獲得更顯著的經(jīng)濟(jì)收益。

4.2低溫省煤器

我國(guó)在運(yùn)行的600MW超臨界機(jī)組中，絕大多數(shù)機(jī)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(jià)值，如果不加以利用就會(huì)排放出去造成大量的排煙損失，而排煙損失在燃煤機(jī)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(jī)組節(jié)能降耗的一個(gè)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(lái)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(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)得到一份外來(lái)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(jià)格上升、節(jié)能減排的壓力增大，在運(yùn)機(jī)組加裝低壓省煤器的經(jīng)濟(jì)性顯得越來(lái)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）