火電廠大型汽輪機變負荷運行能耗分析與優(yōu)化研究

許馳

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

火電廠大型汽輪機的運行能耗受到多種因素的影響，通過對實際能耗進行分析，研究出火電廠大型汽輪機運行能耗影響因素，有利于制定出更合理的降耗對策，實現(xiàn)真正意義上的能源節(jié)能降耗，此舉對于提高整個火電廠社會效益和經(jīng)濟效益都有重大意義。

1 火電廠大型汽輪機變負荷運行能耗分析

1．1 汽耗率

火電廠大型汽輪機組每生產(chǎn)1kW·h的電能，需要消耗的蒸汽量被稱為發(fā)電機組汽耗率，這一指標使用字母d表示。根據(jù)火電廠大型汽輪機組實際運行的需求，若想計算出汽耗率，就要對汽輪機發(fā)電機組的汽耗量進行計算，計算公式為：

其中，公式當中的Pe表示的是發(fā)電機的功率；h0、hc和qrh分別表示的是汽輪機組的主蒸汽焓值、排氣焓值與吸收熱量；aj和Yj分別表示的汽輪機組系統(tǒng)的抽汽份額與做功不足系數(shù)；ηm和ηg表示的是機械效率與發(fā)電機效率。

在計算中，如果公式中的qrh數(shù)值為零，則實際機組可以被定義為對純凝機組，公式當中的∑為零，此時上述公式對于純凝機組和非再熱機組均適用。

1．2 熱耗率

對于火電廠大型汽輪機而言，在計算熱耗率時，要先對機組的熱耗量進行計算，汽輪機發(fā)電機組的熱耗量計算要以小時為單位。在計算中，同時還要考慮到機組運行的經(jīng)濟性，以便選擇出適合的能耗指標，解決實際的問題。機組的汽耗率反映的是火電廠大型汽輪機組的做功情況，而熱耗率能作為單獨的能耗指標，對其運行過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行評判，綜合汽耗率和熱耗率兩項指標，能夠計算分析出汽輪機變負荷運行能耗。

2 火電廠大型汽輪機變負荷運行能耗影響因素

2．1 溫度因素

溫度因素和壓力因素都是影響火電廠大型汽輪機能耗的主要因素。其中，溫度會影響到火電廠大型汽輪機的工作效率，并且設備的損耗也會因此發(fā)生變化。如果汽輪機本身在運行中有較大的噴水量，或者空氣吹入量較高，同時燃料供應短缺的情況發(fā)生，將會導致溫度不符合設備實際運行的要求。如果這一問題不能得到妥善處理，會使汽輪機本身的工作效率降低，如果水壓值不符合工況要求，就會導致鍋爐內(nèi)部的燃料不能充分燃燒，在蒸汽流量增加的情況下，蒸汽氣壓會相應降低，最終降低運行效率，增加設備能耗。

2．2 設備因素

火電廠大型汽輪機是火電廠主要的動力設備，汽輪機中的汽缸是其重要組成部分。汽缸作用是實現(xiàn)空氣與汽輪機隔離，這種方式可以確保蒸汽直接做功于汽輪機上。因此，若想降低火電廠大型汽輪機的能耗，可以從汽缸的運行角度著手，通過提高汽缸運行效率的方式，以達到降低能耗的效果。但是，當前國內(nèi)生產(chǎn)火電廠大型汽輪機汽缸設備還存在一些缺陷，汽缸運行效率往往并不能得到預期設計目標，與國外先進國家和地區(qū)的技術設備相比，我國的火電廠大型汽輪機汽缸還有一定的提升空間。同時，在發(fā)展中也能看出，受到我國經(jīng)濟因素的影響，火電廠大部分都使用我國自主研發(fā)設計的汽缸設備，因此，增加了火電廠大型汽輪機運行能耗問題。

2．3 電力因素

火電廠大型汽輪機運行期間，電網(wǎng)中電力負荷會出現(xiàn)大幅度變化，比較容易產(chǎn)生明顯峰谷的波動。因此，工作人員在實際的操作中，往往會采用反復調(diào)整汽輪機運行的方式，使其適應不同電力負荷的變化，但是這種情況不可避免地會增加汽輪機的能耗。

3 火電廠大型汽輪機變負荷運行降耗對策

3．1 特性曲線

特性曲線即為調(diào)節(jié)性特征曲線，是通過計算得到的太藕節(jié)及壓力比為ε自變量的函數(shù)關系曲線。一般來說，常用的特性曲線類型包括了反動度特性曲線、流量特性曲線。兩種曲線的表達方式分別為：

在計算中應用到調(diào)節(jié)特性參數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)級特性曲線圖以及參數(shù)曲線進行參考，結合特性曲線進行變負荷熱力計算，可以在最短的時間內(nèi)獲得最為精準的成果。部分機組沒有調(diào)節(jié)特性曲線，而是需要根據(jù)汽輪機調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的方式，將計算機調(diào)節(jié)級的各項參數(shù)納入到曲線繪制中，并且用于火電廠大型汽輪機變負荷熱力計算。

3．2 優(yōu)化方法

（1）合理設定操作工序。根據(jù)以往的研究可以得出，啟動火電廠大型汽輪機所需的冷態(tài)氣壓值在2.5～3MPa，啟動溫度至260～300℃，凝結器內(nèi)部的真空壓力在-50～40kPa。當汽輪機正式進入啟動區(qū)間之后，首先需要通過預熱的操作方式，提高氣缸內(nèi)部的溫度，而這一環(huán)節(jié)正是整個生產(chǎn)過程中，能耗最高的環(huán)節(jié)。所以，為了降低火電廠大型汽輪機變負荷能耗，技術人員要根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，結合不同運行模式下汽輪機的狀態(tài)，合理地設定操作程序，實現(xiàn)設備啟動和停止運行的優(yōu)化。此外，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗得出，火電廠大型汽輪機的停機操作基本上發(fā)生在檢修期間，所以，工作人員還要對檢修制度進行優(yōu)化，并在工作中嚴格貫徹落實至制度，實現(xiàn)質(zhì)量控制，并確保排查所有潛在的故障隱患，提升汽輪機穩(wěn)定運行周期。

（2）動態(tài)調(diào)節(jié)運行水溫。火電廠大型汽輪機的運行要滿足相應的水溫條件，燃料的投放同樣也會受到實際運行環(huán)境中水溫的影響。

例如，當水溫較低時，火電廠大型汽輪機的運行能耗會增加，此時，也會產(chǎn)生額外的煙氣排放量，不僅拉低了火電廠大型汽輪機整體運行效率，而且還會增加對環(huán)境的污染。所以，工作人員提出，動態(tài)調(diào)節(jié)水溫的方式，確保水溫始終在合理的范圍內(nèi)。例如，對設備的密封管道進行排查，防止出現(xiàn)設備漏電，保證設備密封性能良好，這種方式還可以確保加熱器始終保持正常的運行狀態(tài)，并為設備的安全運行提供保障。

（3）優(yōu)化配置運行參數(shù)。無論是何種工藝設備，合理的參數(shù)配置都能顯著提高設備運行表現(xiàn)，對于汽輪機而言也不例外。火電廠大型汽輪機的熱力系統(tǒng)同樣可以通過科學優(yōu)化的方式，在各種監(jiān)測工具和長期實踐工作經(jīng)驗的支持配合下，實現(xiàn)最優(yōu)的參數(shù)組合。比如，我國某地區(qū)的火電廠大型汽輪機管理部門工作人員，為了優(yōu)化運行參數(shù)，運維人員和操作人員共同配合，參考了火電廠熱力系統(tǒng)的位置以及管道走向，對參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過調(diào)整后，熱能的損耗降到了最低水平。而且，技術部門還對高壓外下缸與中壓外下缸的輸水系統(tǒng)進行了調(diào)整，改變了高加疏水方式，確定了最佳的參數(shù)組合。

3．3 案例分析

（1）負荷計算。火電廠大型汽輪機調(diào)節(jié)級主要參數(shù)與配置結構為：①噴嘴汽道總數(shù)為116個；②噴嘴出口角正弦值為0.27；③噴嘴出口面積為488.2cm2；④動葉出口角正弦值為0.40；⑤動葉出口角直徑為1162.7cm。

為了對火電廠大型汽輪機的變負荷進行計算，結合特性曲線進行數(shù)學推導，最終得出調(diào)節(jié)級特性參數(shù)方程為：

將火電廠大型汽輪機復合滑壓運行的數(shù)據(jù)代入方程中，可以分別汽輪機的不同工況下的參數(shù)進行計算，最終得出μ值，根據(jù)計算結果，判斷變負荷的實際能耗。

（2）運行優(yōu)化。火電廠大型汽輪機變負荷運行能耗的優(yōu)化步驟如下：

①根據(jù)汽輪機組的基本參數(shù)，以及前文提到的計算公式，可以計算出通用的變負荷運行能耗曲線。

②在求取出結果后，使用對比分析的方式，完成數(shù)據(jù)結果的驗證，并將正確的結果作為尋求最優(yōu)降耗方法的基準參數(shù)。

③構建復合滑壓運行基準曲線，并在其中選擇若干機組負荷點和主蒸汽壓力值，將選擇的數(shù)據(jù)作為初壓基準值。

④根據(jù)選擇的各個負荷點，將主蒸汽壓力值基準作為參照，并選擇合理三至五個不同的壓力點作為試驗工況點，每個負荷點對應一組試驗工況點。對比分析不同運行狀態(tài)現(xiàn)代的熱耗率、絕對電效率等指標，并通過對比分析的方式，將機組運行最小熱耗率與最大電效率作為最佳工況，獲取對應的主蒸汽壓力。

⑤將各個負荷點對應的主蒸汽壓力值進行擬合，最終得到優(yōu)化參數(shù)曲線。

4 結語

綜上所述，在我國能源結構中，火力發(fā)電占據(jù)重要地位，在對火電廠大型汽輪機進行優(yōu)化改良中，要重點關注能源節(jié)約、提高能源利用率等方面的管理，通過采用切實有效的管理方案，達到節(jié)能降耗的目的。