汽輪機及其熱力系統性能分析與優化

李智華

【摘? 要】電力對人們的生產生活影響越來越大，為了保障電力的供應以滿足人們生產生活的需要，發電企業要保障發電機組運行的長期性、穩定性和經濟性。汽輪機作為發電廠中最重要的設備，它的運行效率的高低直接影響了發電廠的發電效率。為提高汽輪機效率，本文從汽輪機相對內效率及循環熱效率兩方面分析。

【關鍵詞】汽輪機;熱力系統;性能分析;優化

1 汽輪機及熱力系統性能介紹

汽輪機是一種機械裝置，這種裝置的主要作用是將蒸汽的能量轉化為機械能。汽輪機具有很多的優勢，具體體現在以下幾個方面：第一，降低成本，汽輪機的功率越大，越能夠將蒸汽能量變為機械能，減少發電廠等企業的成本投入;第二，增加收益。隨著經濟的發展，對于電能的需求在不斷增加，這樣就對發電廠提出了新的更高的要求，發電廠利用汽輪機可以提升發電的效率，增加自身的效益。正是由于汽輪機具有這些特點，因此汽輪機在發電廠中的應用越來越廣泛。

2影響汽輪機熱力系統的因素

2.1安裝因素對汽輪機熱效率的影響

汽輪機是以蒸汽為動力來實現運轉的，因此汽輪機在將蒸汽能量轉化為動力的過程中會出現多種形式的能量損失，主要的有以下幾種：蒸汽在推動汽輪機葉片轉動的過程中損失的能量，蒸汽離開葉片時損失的能量，蒸汽與汽輪機摩擦損失的能量，由于汽輪機零部件安裝不合理導致蒸汽泄露損失的能量等。這些能量的損失嚴重影響到汽輪機的運行效率。影響汽輪機熱效率提高的因素有多種，其中安裝因素占了很大的一部分，主要包括：汽輪機各個零件間的間隙，汽輪機控制系統的性能，控制汽輪機運行的各個系統間的配合，汽輪機中汽缸的保溫效果，操縱汽輪機運行的操作人員的能力等。在影響汽輪機熱效率提高的各個因素中，汽缸效率的高低是由安裝人員的安裝質量來決定的。

2.2蒸汽參數對汽輪機熱效率的影響

2.2.1主蒸汽溫度對汽輪機熱效率的影響

汽輪機在工作的過程中，主蒸汽溫度的波動對汽輪機運行的熱效率、穩定性和安全性都有很大的影響。主要原因有在以下幾個：第一，蒸汽溫度的下降使得蒸汽的濕度增加，導致蒸汽對葉片的沖擊增大，使葉片的壽命降低，造成汽輪機熱效率的下降;第二，蒸汽溫度下降時，如果要保持汽輪機葉片的負載不變，則蒸汽的流量必須增加，蒸汽流量的增加使得蒸汽的消耗會變大，導致汽輪機運行的經濟型和熱效率降低;第三，主蒸汽溫度下降會使汽輪機各個零件間的溫差變大，汽輪機各級零件的反作用力增加，對軸的作用力增大，引起汽輪機中金屬零件的熱變形，機組的振動增大，影響汽輪機的穩定性和熱效率。

2.2.2主蒸汽壓力對汽輪機熱效率的影響

在汽輪機日常運行的過程中，必須重視汽輪機組主蒸汽壓力的變化。主蒸汽壓力的變化不僅會對機組的熱效率造成影響，而且容易導致重大事故的發生。在主蒸汽溫度不變的情況下，如果主蒸汽壓力不斷升高會造成蒸汽濕度的變大，使葉片的工作條件發生改變，葉片沖擊加劇。對汽輪機組來說，主蒸汽壓力每提高1兆帕，蒸汽的濕度會增加百分之四左右。主蒸汽壓力的升高還容易導致葉片負荷的增加，引起汽輪機主要的承壓部件的熱應力增加，使零件發生熱變形甚至損壞，嚴重縮短汽輪機零部件的使用壽命。

3提高汽輪機相對內效率及循環熱效率

3.1提高汽輪機相對內效率

汽輪機相對內效率為蒸汽有效焓降與理想焓降之比，是汽輪機通流部分工作狀況的重要指標。其影響因素有噴嘴損失、動葉損失、余速損失、葉高損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進汽損失、漏汽損失、濕汽損失。下面從兩個方面來討論：①汽輪機通流部分間隙、端部軸封徑向間隙要合適：設備安裝時要考慮汽封塊與隔板套相應槽密封面的配合情況，防止機組投運后由于密封面不嚴密造成漏汽現象，上一級蒸汽沒有全部利用就進入下一級，降低了效率。加強對汽封齒完整性檢查，不能有倒伏及缺損現象。檢查支撐彈簧調整是否合適、材質是否符合設計要求，否則在高溫狀況下彈簧力減弱，汽封間隔增大，做功蒸汽減少，降低了效率。通流部分應減少軸封漏汽、隔板汽封漏汽來提高汽輪機相對內效率，蒸汽應盡可能在葉片流道通過，而不是繞過葉片或從轉子端部漏出。因此，動葉與汽缸之間以及靜葉與轉子之間的徑向間隔應盡可能小，汽封封住轉子兩端使蒸汽腔室與外界隔絕，同時汽缸內部汽封也封住汽輪機內部不同壓力的蒸汽腔室。但為了機組首次啟動成功，汽封間隙盡可能高。因此，調整汽封間隙時既要保證動靜之間不產生摩擦，又要考慮電廠經濟性。②采用多級汽輪機：多級汽輪機相對內效率明顯提高，原因如下：（1）、多級汽輪機中每一級的焓降不需要很大，因此保證各級在最佳速比附近工作。（2）、多級汽輪機級的余速動能可以全部或部分地被下一級利用，減少了余速損失。（3）、多級汽輪機級的焓降較小，可以采用漸縮噴嘴，從而不采用難以加工、效率較低的縮放噴嘴。（4）、當級的焓降較小時，根據最佳速比的要求，可相應減小級的平均直徑，從而可適當增加葉柵高度，減小葉高損失。（5）、多級汽輪機具有重熱現象。且多級汽輪機可以采用較高的進汽參數和較低的排汽參數，還可以采用回熱循環和再熱循環，使循環熱效率大大提高。

3.2提高循環熱效率

⑴提高蒸汽初參數，降低蒸汽終參數。當主蒸汽壓力不變時，提高新蒸汽溫度會使平均吸熱溫度增高，使循環熱效率提高，同時由于進汽比容增大和排汽濕度減少，汽輪機的內效率也有所提高。但提高新蒸汽溫度受到金屬材料性能限制，其允許的最高極限值為565℃左右。且在一定的蒸汽初壓和乏汽壓力下，提高蒸汽初溫使汽輪機做功增加，但凝汽器中的熱損失也增加了。在一定的蒸汽溫度下，提高壓力也可提高循環熱效率，但過高的進汽壓力會導致排汽濕度增大，不但會增大濕汽損失，降低汽輪機的內效率，而且會加劇低壓部分葉片的沖刷腐蝕，另外，進汽壓力過高會導致汽缸承壓部件應力過高。在新蒸汽參數相同的情況下，降低汽輪機的背壓會使平均放熱溫度降低，循環熱效率提高。降低背壓一方面受冷卻水溫限制，另一方面將使排汽比容增大，汽輪機末級葉片和凝汽器的尺寸相應增大，增加投資。因此，必須選用合理的背壓。

⑵采用再熱循環

前面提到乏汽濕度過高不僅對未級葉片產生嚴重侵蝕，而且使汽輪機內效率降低。而采用中間再熱循環可解決這一問題，將汽輪機的高壓部分已膨脹做功的蒸汽全部從汽輪機中引出，送至鍋爐再熱器中再次加熱，然后再引回汽輪機內繼續膨脹做功。采用中間再熱能起到與提高主蒸汽溫度同樣的效果，又能降低排汽的濕度，而且蒸汽所做的功增加了，汽耗率下降，末幾級葉片高度可減小。汽輪機采用一次中間再熱，一般可使機組的熱效率提高5%，但采用再熱會增加設備費用，因此一般100兆瓦以上汽輪機才采用再熱循環。

⑶采用給水回熱循環

在純凝汽式汽輪機熱力循環中，新蒸汽熱量只有30%在汽輪機中轉變為功，其余的70%熱量隨乏汽進入凝汽器，在凝結過程中被循環水帶走。采用給水回熱循環，將部分已在汽輪中膨脹做功的蒸汽從汽輪機中抽出，并用這部分蒸汽來加熱鍋爐給水。與純冷凝循環相比，汽耗率增加了，但循環熱效率提高了，因為從汽輪機中抽出來的那部分蒸汽的熱能完全被用來加熱給水，不再產生冷源損失，進入凝汽器的熱量相應減少了。

4結論

隨著我國電力系統的不斷發展以及國家各行各業對電力能源需求的日益增加，對于一個電力運行企業而言，機組運行的穩定性、經濟性以及各項指標的同行業領先性成為了電廠生存和發展的基礎。為此，要提升汽輪機熱效率，做好各環節的工作。

參考文獻：

[1]孔德豐，張中瓊.淺談影響汽輪機熱效率的安裝因素和處理方法[J].電氣工程與自動化，2011（18）.

（作者單位：廣西博世科環保科技股份有限公司）