優化汽輪機熱耗高的措施芻議

徐 巍

優化汽輪機熱耗高的措施芻議

徐 巍

徐 巍 崔志寧 邱 影

中國船舶重工集團公司第七○三研究所

徐巍，女，出生于遼寧省沈陽市，畢業于哈爾濱工程大學熱能與動力工程專業，本科學歷，工程師，職務：設計人員，研究方向：汽輪機設計。

在經濟全球化的今天，電力企業這一國家壟斷行業正在面臨國際大軍的挑戰。與日韓、歐美國家相比，國內所生產的汽輪機設備雖然能以其短交貨期和價格低廉勝人一籌，但其關鍵性能卻無法與其他國家媲美，技術落后使這一方面的差距逐年增大，大大打擊了國產汽輪機的國際競爭力，使市場份額占有率降低。怎樣優化汽輪機結構設計、提高汽輪機熱效率是目前汽輪機生產廠家亟須解決的問題。本文通過對汽輪機熱耗高這一問題有針對性地進行探討，并總結出相應的應對措施建議。

在近十年里，中國電力企業順應經濟全球化的潮流大量開發外貿市場，向國外，特別是亞洲國家出口了大量電力設備。然而，在出口期間，汽輪機以價格戰略打入國外市場，片面的注重成本控制，忽視了產品性能和質量的保障和優化。汽輪機頻發故障、性能測試不合格等各種問題屢次發生，由此引發了不少合同糾紛，這類情況的出現使電力產品質量名譽大大受損，為其在國際市場的立足和業務擴展畫上一個感嘆號。

對汽輪機來說熱效率的高低能反映出火電機組從結構設計、生產制造到安裝調試、運行管理這一系列的水平高低，除此之外，解決汽輪機熱耗高的問題能提高發電廠的可靠性、安全性，提高經濟效益。本文借鑒國內一些汽輪機生產商的經驗，以專業角度分析如何優化汽輪機熱耗高出現的原因，并提出相應的改進建議，從而提高中國汽輪機的國際競爭力。

汽輪機組凈熱耗=［WT（HT-HF）+WR（HR）］/（KWG-∑K Wi）（KJ/KW·h）

上述公式中，WT是主蒸汽量（kg/h），HT是主汽門入口蒸汽焓（kJ/kg），HR是通過再熱器的蒸汽焓值差（kJ/kg），WR是再熱蒸汽流量（kg/h），KWG是發電機終端輸出功率（KW），HF是省煤器進口給水焓（kJ/ kg），∑K Wi指取電動主油泵、靜態勵磁時消耗的功率（KW）。

由這一公式可以分析得出，汽輪機的熱耗主要表現在以下過程中。

1.新蒸汽參數：新蒸汽的溫度高低與耐熱高的屬性相關。公式中，排汽壓力不變時，熱效率的提高與新蒸汽參數直接相關。

2.給水加熱：保持背壓和功率、新蒸汽參數相同的情況下，給水加熱過程增加了進汽量，從而使排汽量相應減少。普遍來說，汽輪機設計師會安排一除氧器、三高壓加熱器、四低壓加熱器的結構。

3.背壓：保持新蒸汽參數不變，加速熱效率循環的一大方法是降低背壓，這一方法能有效降低平均放熱溫度。然而，要想降低背壓，要有效控制水溫、冷卻水源等熱條件，同時要增大汽輪機的凝汽器及末級扇葉，這些做法都會提高技術經濟成本，要按照實際經濟情況選用。

4.再熱循環：一般的汽輪機提高熱效率的措施都是中間再熱，以保證再熱蒸汽的熵值，提高其溫度。

優化汽輪機本體結構

我國汽輪機在出口貿易上處于劣勢，提高汽輪機熱效率，要從其本身結構進行改進。參照中國某主要汽輪機生產廠家的汽輪機參數，分析得出以下幾個措施來優化汽輪機結構。

1.改進汽封系統

一般的汽封系統中，轉子會磨損鐵素體汽封，導致汽封間隙增大，喪失了原有的密封功能。在提升技術的前提下，新型的高低齒汽封，即DAS汽封，改善了鐵素體汽封齒的缺陷，同時確保了轉子和鐵素體汽封二者不被磨損，提高了密封強度，有效優化了汽輪機的熱功能系統。但是美中不足的是，這種高低齒汽封設計僅僅允許0-0.13毫米的間隙，不易操作，對安裝技術要求的提高使得現場工作的工作量以及工作難度也隨之提高。

2.通流部分結構優化

適時優化汽輪機的通流部分這一措施對汽輪機熱耗率的降低程度最為明顯。具體的操作可由以下五個方面作為出發點。

1）改善動葉根部發動度，重新設計葉片型線，通過這兩個步驟來相應降低動、靜葉在汽輪機工作過程中的熱損失；

2）增加高壓缸級數從而提高速比；

3）設計更優的動葉型線和動葉圍帶形狀，從而提高動葉流動效率和級效率；

4）提高級后壓力，降低級焓降；

5）調節中壓缸的級間焓降分配和葉高的指數，優化結構來提高汽輪機速比。

3.拉長低壓缸中末級葉片

優化汽輪機熱耗的另一個重要途徑是增加做功能力，為達到這種效果在理論上可以通過拉長低壓缸中的末級葉片來實現，但當下汽輪機組的動靜平衡技術不夠成熟，沒能把這一設想轉變為現實。但是，這種方法的有效性是毋庸置疑的，在對汽輪機結構的改進過程中應勇于創新。

優化熱力系統以提高汽輪機熱效率

目前，中國超臨界機組大多數是以主蒸汽壓力24.2MPa，再熱蒸汽溫度及主蒸汽溫度為566℃，再熱壓降損為10％，凝汽器背壓為10.13kPa等參數來設計，保證汽輪機的熱耗在1888keal/KW.h。而要提高汽輪機熱效率，可以通過以下幾種途徑來實現。

保證再熱熱段管道的完整性。通過增大熱段管道口徑值能減少對管道的壓損，這一措施普遍來說能降低2％管道壓損率，從而降低13kJ/KW .h的熱量消耗。

減少凝汽器背壓。舉現階段印度正在實施的項目作為例子分析，該項目循環水保持33-34℃的年均溫度，控制凝汽管9～11℃的換熱端差。凝汽器換熱面積的增大，加上冷卻塔換熱面積的增大，都能減少凝汽器背壓，然而，要實現這一結構的優化，會同時要求增高運轉層平臺的高度以及加深凝汽器坑。分析發現，這一舉措大大提高了建筑成本，因而沒辦法要求凝汽器的背壓無限降低。就現階段來看，10.13kPa減到9.55kPa的背壓水平是允許的，這樣一來大概可降低30KJ/KW .h的熱耗。

提高再熱蒸汽和主蒸汽的溫度。以經濟角度看來，要想提高主蒸汽的溫度，就要求汽輪機高壓缸、鍋爐的所有參數都進行優化，這一舉措所帶來的經濟成本是巨額的。因而，通過提高主蒸汽溫度來提高汽輪機熱效率的方法并不可取，但是假若提高再熱蒸汽溫度，只需要重新設計鍋爐管排，在再熱熱段用P92材質的管道代替常規的P91材質，而對其他方面的設計沒有改變太多，從經濟角度看來具有一定的可行性。假設把再熱蒸汽的溫度由566℃改成600℃，就能降低約63KJ/KW .h的熱量損耗。

除此之外，治理內漏閥門和改造疏水系統也是降低汽輪機熱耗的一大有效措施。疏水閥門在處于高溫高壓時會有內漏現象產生，第一會使汽輪機的熱耗急劇增加，第二會加重凝汽器的熱負荷，沒辦法保證機組的真空狀態，這兩方面的弊端都會降低汽輪機的經濟型。因此，有效治理內漏閥門、優化疏水系統是非常必要的，可對泄漏嚴重的疏水氣動門采用研磨處理，或直接更換。在經濟和技術條件允許的條件下，簡化疏水系統，把多余的閥門去掉，從本質上降低系統內漏的幾率。在汽輪機工作過程中，要減少在低負荷狀態下疏水門長期打開的狀態。在低負荷狀態且高蒸汽溫度時，只要保證鍋爐的穩定燃燒就能關掉疏水門，這樣能降低能耗，但也要求操作人員在工作流程中做好工作對接。

采用低負荷調節汽門對汽輪機進行優化改造也是降低汽輪機熱耗的一個方式。依照現階段測試的數據結果顯示，熱耗率在汽輪機低負荷運行時的增量很小。因此，在平時管理優化閥門時，按照現兩閥開啟的運作方式來控制主汽壓時能夠在一定程度上減少低負荷調峰工作時候的熱耗。經過試驗，汽輪機在100％到70％電負荷的條件下工作，負荷10％的減少量與熱耗率0.3％的增加量相對應，也就是說，汽輪機機組的熱耗增加很少，而相反的，高壓缸效率2％的減少量與負荷10％的減少量相對應。由此可得，這一控制閥門的方法同時兼顧了循環效率與高壓缸效率的變化，值得堅持。

通過實施以上優化措施，汽輪機的熱耗可以低至1862.8keal/KW. h。除此之外，假設背壓再降低0.85kPa，即可再有39KJ/KW. h的熱耗降低。在考慮上述舉措來優化汽輪機熱效率時，要充分考慮設計成本問題，特別時在降低背壓的過程中，更要牢牢結合公司經濟能力來進行，要在保證企業經濟收益的基礎上進行汽輪機優化改造工作。

結語

從汽輪機作業成本看來，理論上說，越早投資進行汽輪機改造就收益得越早，否則因短回收期的限制，投資收益差。就目前電力企業來說，因設備的生產任務多，三到六年之后實施改造能夠較合理地保證汽輪機的改造質量。通過以上措施的改進，汽輪機和熱力系統會更加完善，能有效率地優化汽輪機熱耗高的問題，從技術上保證和支持了我國汽輪機生產企業進一步進軍和擴寬國際市場。而這些研究雖然在一定程度上解決了汽輪機熱耗高的問題，但還是需要相關專家和技術人員不斷探討對汽輪機結構和工作流程的改進方法，從而使我國電力企業在競爭激烈、復雜多變的市場大環境中保有長期的競爭優勢。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.055