電廠集控運行中汽輪機的優化技術探究

大唐彬長發電有限責任公司 陜西 咸陽 713602

1 引言

在全球經濟發展的同時，對各種能源的需求也在不斷增加。以中國為例，當今社會的電力負荷正在不斷增加。發電廠作為電力資源的主要來源，也承受著巨大的生產壓力，其集控操作的穩定性顯得至關重要。中國發電的主要能源結構仍然是煤炭，同樣也使火力發電廠成為主要的發電形式。汽輪機是發電廠發電系統的主要組成部分。其運行的穩定性將直接決定火力發電廠的供電質量。在不斷進行火力發電廠的技術創新和設備引進的同時，也促進了汽輪機的不斷改進。然而，在當前的火力發電廠的集控運行中，仍然出現各種問題影響汽輪機的運行效率和安全性。本文以一個600MW直接空冷機組為例，對現在有設備進行改進，分析新系統降低排氣溫度的效果以供參考。

2 電廠汽輪機概述

電廠集控運行系統屬于全分布式系統，其核心就是微處理器。最大的特點是可以實現集中管理和分散控制。隨著計算機信息技術等高科技的發展，也在朝著網絡化、集成化以及實時化的方向不斷發展。在電廠中的通信技術，計算機技術和其他硬件技術的支持下，還需要溫濕度控制系統，電源系統和接地系統，集中控制室布局和布線布局的配合。目前，大容量火力發電機組主要運用單閥和順序閥兩種配氣方式控制汽輪機的進氣。單閥配氣方式在機組低負荷運行的情況下不利于長期經濟運行，這種配氣方式主要是在應用在試運行階段和投產后的半年試生產期內；順序閥配氣方式可以減少閥門進汽節流損失，因此經濟性比較好，機組順序閥下的經濟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的調節特性、一次調頻性能和經濟性，而且可能會引起機組軸瓦溫度升高及軸瓦振動增大等問題，影響機組安全運行。自從將汽輪機引入發電廠以來，不斷調整能源結構，蒸輪機的技術也在不斷更新和改進，但是這也顯示了許多問題需要進行優化。

3 電廠集控運行分析

3.1 集散控制系統的定義 集散控制系統是基于微處理器的完全分布式系統。主要特征是集中管理和分散控制。近年來，隨著互聯網技術和電子信息技術的發展，分布式控制系統也朝著網絡化、實時化和高集成化的方向發展。集散控制系統產品有很多類型，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數據交換。

3.2 集散控制系統運行條件 集散控制系統是電廠生產的重要組成部分。需要計算機技術、通信技術和硬件技術的支撐。此外，還需要多年處于工作狀態下的溫度控制系統、電源系統、接地系統、濕度控制系統、線路布置和集控室布置這些外部環節的配合。

4 電廠汽輪機類型

一種是反動式汽輪機。汽輪機運行中，沖動原理使空氣導管內的蒸汽迅速膨脹，對葉片產生反作用，這就是汽輪機的反作用原理。在此原理的驅動下，氣道中氣流改變方向，隨著蒸汽的膨脹，葉片迅速旋轉，從而導致蒸汽輪機的運行速度發生變化。

另一種是沖動式汽輪機。汽輪機的運行產生大量蒸汽，蒸汽通過蒸汽噴嘴流入氣道，使葉片快速旋轉產生動能，促進蒸汽輪機運行，這是沖動原理。蒸汽直接作用在葉片上，繼而使葉片旋轉，并使氣道迅速膨脹，葉片迅速旋轉，促進蒸汽輪機運行并確保運行效率。

5 電廠集控運行中汽輪機出現的問題

5.1 配汽方式的問題 以采用復合配汽方式的汽輪機為例，出現的問題主要表現在，汽輪機運行的不同階段需要采用不同的配汽方式。例如，在蒸汽輪機的啟動階段或低負荷階段，通常需要單個閥來維持蒸汽輪機的正常運行。但是，在此階段，工作效率也會降低，這也將導致能耗的增大。在汽輪機的高負荷運轉階段，需要根據順序閥的配汽方式進行運轉。

5.2 啟停問題 在汽輪機運行過程中，轉子的蒸汽參數會不斷變化，轉子的內部溫度場也隨之不斷變化，溫度通常較高。在蒸汽參數不斷變化的時候沒有妥善的處理參數的問題，在汽輪機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的工作效率，還會縮短使用壽命。

5.3 機組能力問題 汽輪機中的汽閥主要有兩種調節方式：單閥調節和順序閥調節，它是影響汽輪機能耗的主要因素。前者主要通過調節汽輪機的蒸汽參數來改變能耗，而后者主要通過噴嘴實現。在實際運轉中，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。同時也會損壞其機組能力和密封性，這會降低汽輪機的工作能力并增加能耗。

5.4 密封水系統問題 迷宮式密封是汽輪機汽動給水泵軸端的主要密封方法。當泵處于緊急停止狀態時，可以避免差的密封水回水受阻的問題。該問題很容易導致水進入油箱并影響泵的正常工作。甚至可能導致安全事故。

5.5 其他問題 汽輪機運行中出現振動問題比較普遍，主要表現在負載下軸承油膜破壞轉子穩定性，或者由于輪機長時間處于高速運轉后溫度升高，零件受熱彎曲等的原因，引起振動。另外，還存在轉子彎曲變形等問題，這是由于轉子溫度和蒸汽參數的調整不充分或長期運行下的應力所致。水環真空泵過載也會導致這種問題，另外，還存在傳熱惡化和阻塞的問題。

6 電廠集控運行中汽輪機的優化技術措施

6.1 對配汽方式的優化 傳統的復合型配汽方式方法在低負荷情況下會造成損失增加，可以對蒸汽分配方法進行優化，通過三閥控制方法降低負荷，改善低負荷運行中的能量損失問題，從而實現能量轉換效率的提高。

(1)改變順序閥開啟順序，可有效的降低機組熱耗，該廠2號機組通過進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，有效的提高了機組效率。(2)閥序改變后，機組軸承溫度有所上升，特別時1、2瓦軸承溫度，在最高負荷600MW時，溫度可達107.58℃，趨近于機組跳閘值121℃。對機組安全穩定運行具有一定的風險。(3)閥序修改對機組振動有一定的影響，但本次修改振動變化不大。總之，對于順序閥進汽順序的選擇，應綜合考慮機組振動及軸承溫度，在保證安全穩定運行的前提下，選擇最佳的進行方式，達到節能降耗的目的。

6.2 啟停過程的優化 針對汽輪機啟動過程中使用高中壓缸聯合配動的啟動方法，容易導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定壓力降低方式來實現，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 機組優化 在15°C的環境溫度和55MW的負載下，空冷風機的頻率每升高5Hz，空冷風機的功率將增加197kW，單位壓力降低約0.88kPa。單位背壓隨著空冷風機頻率的增加而逐漸降低，但同時空氣冷卻風扇的能耗也有所增加。因此，單位負載穩定。使用蒸汽給水泵的冷凝水降低主機的排氣溫度后，每當主機的背壓下降1kPa時，風冷風扇的頻率就可以降低5-7Hz，并降低總功率風冷風扇的功率降低到約224kW。每年可節約電費轉換成本約38.3萬元。使用蒸汽驅動給水泵的冷凝水降低主機的排氣溫度，每年可節省151萬元。

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

6.5 其他優化 當55℃的環境溫度下空冷風機式變頻器的頻率為55Hz時，在改造前后的不同工況下采集并分析機組數據。低負荷較高負荷相比，使用蒸汽驅動給水泵的冷凝水來降低主機的排氣溫度更好，可以達到3K的溫度下降，在滿負荷下，溫度下降可以達到1K。裝置的背壓和主機排氣溫度也有同樣趨勢。

7 結語

通過改進汽輪機的各種參數和相應的結構，發電企業可以顯著提高汽輪機的工作效率，從而提高電廠供應電能的質量。作為發電廠發電系統中的重要設備，汽輪機的優化升級和不斷完善對發電廠的運營和發展有著重要的影響。鑒于火力發電廠過程中汽輪機運行存在各種問題，這些問題會影響其運行效率并導致高能耗，因此有必要優化和改善蒸汽輪機的蒸汽分配模式，啟停模式和輔助發動機的運行，以確保在其高效經濟運行的同時，還可以延長其使用壽命并減少潛在的安全隱患，打造高經濟效益和可持續快速發展的發電廠。