火電廠朗肯循環設備特性及運行監視

張 鵬，周三平

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

電力作為我國社會發展的基礎能源，電力生產的安全問題一直是一個對國民生產生活影響都很大的問題。隨著科學技術的發展，當前的火電廠多采用集中控制系統，集控控制系統是一種較為先進的管理控制系統，利用當前的電子設備和信息技術的發展實現對火電廠設備的集控管理，提高了當前火電廠的管理效率。隨著該系統中的應用，使火電廠的設備變得更加智能和自動化[1]。就目前來看，我國中大型火電廠中都廣泛的運用集控運行系統，其已經成為火電廠在運行中的重要手段。雖然集控運行系統在實際工作中比較穩定，同時可以提高生產效率，但在運轉過程中依然存在很多不足之處[2]。在電力生產中，人的因素、設備的因素和管理的因素錯綜復雜的影響著機組的安全運行，但在所有的因素中無疑人的專業素養是機組安全運行的重要影響因素。隨著電力生產的發展，在安全運行方面積累了很多寶貴的專業經驗，但是系統化的理論少之又少，如何從現有的理論中發展出適用于機組運行的理論，作為指導可見是一個非常重要的課題。

本文著眼于研究現有熱力發電機組中朗肯循環及其設備的運行特點，從熱力學第二定律的角度對眾多的參數進行整理簡化，論證了主汽壓力是標志朗肯循環狀態的參數，同時從運行的角度系統的構建了循環狀態、設備狀態，并提出在監視中把兩種狀態分離開來，提出了靜止設備和動態調整設備、動態非調整設備，按運行特性把設備分類管理，從而實現對機組調整監視的簡化，為機組操作人員及集中控制系統的設計人員提供了理論的指導，使得在操作控制中更加得心應手，從而提高監視效率，做到能及時發現問題及時調整，把事故扼殺在搖籃之中。

1 熱力過程的方向性

為了應用工質，使其從熱源吸取能量，然后膨脹對外做功，而后工質恢復到初態，使這些工質周爾復始的進行這樣的過程，形成熱力循環，就可以源源不斷的獲得機械能。組成熱力循環的過程歸納起來可分為兩大類，一類是不需要任何附加條件就可以自然地進行的過程，稱為自發過程，如熱量由高溫物體傳遞給低溫物體，高壓氣體膨脹為低壓氣體等，它的反方向過程不可能自發地進行，屬于不可逆過程。自發過程的反方向過程稱為非自發過程，他們必須要有附加條件才能進行，如使熱量從低溫物體傳向高溫物體是非自發過程。在由熱能轉換為機械能的熱力循環中，以卡諾循環為例，如圖1所示，工質從熱源定溫吸取熱量q1，對外絕熱膨脹做出機械功W，定溫對冷源放熱q2，然后加給一定的外功后絕熱壓縮至所需壓力，這四個過程完成了吸收熱量放出機械功的完整循環，循環不斷進行，機械功源源不斷。在卡諾循環的四個過程中，要完成定溫吸熱、絕熱膨脹、則需要定溫放熱、絕熱壓縮作為補充條件，它一方面體現了熱力循環必須由自發和非自發過程相互補充才能完成，另一方面也體現了過程進行的條件即熱力學第二定律所指出的不可能制造只從一個熱源吸取熱量，使之完全變成機械能而不引起其他變化的循環發動機，只有創造條件使整個過程符合熱力學定律，才能使循環不斷的進行。在組成循環的四個熱力過程中，定溫吸熱體現了從高溫熱源吸取能量的過程，絕熱膨脹體現了對外做出機械能的過程，這兩個過程是可以自發進行的過程，同時它也是構造熱力循環的目的，實現了從高溫熱源吸取熱量轉換成了機械能。要實現這兩個過程，必須有低溫熱源，使工質膨脹到所能到達的冷源，必須把冷卻后的工質再壓縮到所需的壓力，這樣才能構成完整的工質循環。從以上分析可見可以把熱力循環分為兩個部分，即定溫吸熱、絕熱膨脹實現了目的的過程和定溫放熱、絕熱壓縮創造條件的部分。這樣要實現獲取機械功的目的，就必須完成好創造條件這個過程。這樣分開以后，熱力循環的監視就成了一個目標非常明確的問題，同時也確定了兩個特征點，一個是循環條件創造的完成即一定狀態的工質，一個是循環的完成即熱力膨脹后的工質狀態，這樣這個問題分析之后，對整個熱力循環就可以提綱挈領的把握了，對整個熱力循環監視的簡化有極大的意義。

圖1 卡諾循環p-v、t-s圖

以上分析了具有代表性的卡諾循環的構成特點，火力發電所利用的工質通常是水，以水為工質的朗肯循環雖然有其自身的特點，但從原理分析同樣有著卡諾循環的一般性。

在采用蒸汽作工質時，由于水的汽化和蒸汽的凝結，當壓力不變時溫度也不變，這樣就可以實現定溫吸熱和定溫放熱兩個過程，再加上絕熱膨脹和絕熱壓縮便可利用卡諾循環，但是由于(1)在絕熱壓縮中，氣液混合物體積很大且混合物會導致壓縮機工作不穩定。(2)循環限于飽和區，上限溫度受制于臨界溫度，即使實現卡諾循環熱效率也不高。(3)膨脹末期，濕蒸汽干度過小，不利于動力機安全?；谝陨显颍趯嶋H的以蒸汽作工質的循環中，通常使用朗肯循環作為其熱力循環。朗肯循環主要由定壓吸熱、絕熱膨脹、定壓放熱、絕熱壓縮四個熱力過程構成，與卡諾循環相比定壓吸收的熱量的上限更高，絕熱膨脹后汽水混合物的濕度小，定壓放熱后能把汽水混合物完全凝結成水，加入再熱和回熱后更有利于循環的進行。由以上可見朗肯循環脫胎于卡諾循環，在電廠實際的熱力過程中，略去回熱，同樣可以將其分成自發的過程即定壓吸熱和絕熱膨脹過程，和非自發的過程如定壓放熱和絕熱壓縮過程兩大部分，其中定壓吸熱包括冷再蒸汽重新進入鍋爐后重新加熱，絕熱膨脹包括主蒸汽在高壓汽缸中做功和再熱蒸汽在中低壓汽缸中做功。自發過程體現了構造過程的目的，非自發過程體現了要實現過程所需要的條件，這樣在整個循環過程中，完成了定壓吸熱和絕熱膨脹后便達到了我們得到機械功的目的，完成定壓放熱和絕熱壓縮便為熱力循環創造了條件。鍋爐給水的狀態體現了熱力循環的起點，汽輪機低壓缸的排汽狀態反應了做功的結束狀態，這兩個點體現了熱力循環進行的程度和狀態。朗肯循環原理圖2所示。

圖2 朗肯循環及t-s圖

2 朗肯循環各設備運行與監視特點

在熱力發電廠中，工質的定壓吸熱過程在鍋爐中進行，其中省煤器把壓縮后的過冷水加熱到一定溫度，經汽包、下降管、爐水循環泵在鍋爐的水冷壁中蒸發吸熱，從水冷壁中出來的汽水混合物在汽包中分離后，水側繼續循環，飽和蒸汽進入低溫過熱器、中溫過熱器、高溫過熱器加熱到額定溫度后進入汽輪機做功，高壓缸做完功的蒸汽在回到鍋爐的再熱器中重新加熱到額定溫度后回到中低壓缸進行做功。在鍋爐中進行的這些過程均是工質定壓吸熱的過程，在這個流程中，由過冷水經省煤器、水冷壁加熱到飽和蒸汽，最后在過熱器中加熱到過熱蒸汽，在再熱器中同樣是定壓加熱過程。在完成這些過程的設備中，爐水循環泵用來增加爐水循環的壓頭，保證水冷壁的受熱均勻，防止發生水動力不穩定，從而防止使換熱面損壞。

在各換熱面中，過熱器、再熱器通常用配有減溫水來調節汽溫，減溫水調門開啟后，經過一定的延時反應到過熱器或再熱器出口，其它如水冷壁，汽包均無可操作設備，因此在運行過程中，把這些設備的工作溫度及壓力變化控制在規定的范圍內即可保證其運行的安全。此外，在這些受熱面中，除爐水循環泵和減溫水調門有頻繁動作的設備外，其它均為靜態的設備，對于動態設備，為保證其在工作過程中不出問題，需要頻繁監視，調節超出調節范圍外需手動干預進行調整，而靜態設備則不同，在運行過程中，只能保證其運行在設計參數范圍內，只要參數不超限，安全性則可以保證。

對于過熱器再熱器減溫水的調節而言，其動態調節特性如圖3所示，調節的目的是保證其出口溫度在合理的范圍內，調節方式是減溫水調節閥門開度，示意圖如下。在運行過程中，這部分設備的典型事故是水冷壁，過熱器，再熱器，省煤器管路的泄露即“四管泄露”，造成泄露的原因中管壁過熱是造成的主要原因，據相關統計過熱在電力機組中的占比達50%以上[5]。在其它原因中有溫度調整不均勻，溫升率超出材料允許值，加熱器未投運等運行因素[6]。汽包中水位為保證鍋爐中各受熱面的安全有至關重要的作用，在汽包爐中，汽包水位是汽水的明顯分界點，汽包溫度即其工作壓力所對應的飽和溫度，因水在蒸發過程中溫度保持不變，所以，水位本質上也是溫度的分界點。在直流爐中，通常要監視中間點溫度的過熱度，把過熱度控制在一定范圍內，從而汽水分離的界面就會控制在一定的區域內，從而各設備的溫度就會按對應壓力進行分布，設備安全性就能得到保證，因此，在機組的運行中汽包水位是監視中不可忽視的重要參數。在水位事故中，汽包缺水、滿水、再進一步蒸汽中帶水通常是其表現形式。

綜上可見，在鍋爐中監視好汽包水位或中間點溫度過熱度，同時控制主汽壓力在合理范圍內，就可以保證各換熱面溫度的合理分布，燃燒調整調整過程中保證受熱面熱偏差、溫升率在允許范圍內，蒸汽參數在額定范圍內就可以保證設備的安全。這樣靜態部分安全性主要靠運行參數在額定范圍內，對于動態部分中不可調節部分比如爐水泵主要是監視其參數，可調節部分如主再蒸汽減溫水，煙氣擋板需關注其調節狀態，不能自動調節時應切手動干預。保證調節正常即可保證對應的參數在合理的范圍內。

圖3 減溫水階躍響應圖

圖4 汽輪機調門對主汽壓力階躍響應圖

絕熱膨脹過程在汽輪機里完成，汽輪機運行監視技術中包含主蒸汽壓力和溫度的監視、排氣壓力監視和監視段壓力、振動情況監視、 軸向位移監視以及汽輪機轉速五項監視技術，而在汽輪機運行的優化問題方面，相關技術人員可針對汽輪機的滑定運行方式和背壓值進行優化[8]。由這些監視和優化的問題中可以明確的看到，監視的一部分內容是汽輪機本身設備的狀況，汽輪機主要由轉動部分和靜止部分兩大部分，在監視過程中，汽輪機的振動，軸承溫度，潤滑油溫，高低壓缸的膨脹以及脹差，軸向位移，各級抽氣壓力等參數共同反應了汽輪機的狀態。另一部分則反應了在熱力循環中的狀況，比如主再蒸汽參數，定滑壓問題，背壓優化。就熱力循環整體而言，主汽調門用于調節汽輪機的出力，調節過程中，主蒸汽壓力隨著調門的開度而變化，而其他部件不過是為了完成水蒸氣的膨脹過程，把熱能轉換為機械能。這樣對于整體循環而言，應當關注汽輪機的調門開度和汽輪發電機組的出力，調門的動作情況反應了汽輪機為保持其出力而進行的調節狀況，同時由于一定的主汽壓對應一定的負荷，從而對主汽壓也有一定的影響，階躍響應如圖4所示。這樣，在汽輪機的工作過程中，調門的調節影響著主汽的流量及當時的主再蒸汽參數，對整個循環的工作效率有重要的影響，而其它參數主要表達了汽輪機的狀態?？梢姡诒O視中，調門的開度或者說汽輪機的進汽參數對循環狀態有著重要的影響，而另一個監視的重點就是汽輪機的狀態，這樣就實現了循環狀態與設備狀態的分離，從而達到監視的層次分明，重點突出。

定壓放熱過程是在凝氣器里完成的，凝汽器本質是一個大的換熱器，通過大量的換熱來保持汽輪機排氣壓力的穩定，這個過程的監視主要是對機組真空的監視，而真空在運行過程中擾動相對較小，通常是可以保持穩定的。在這個過程中循環水泵是其中最大的動力設備，此外有汽室真空泵用于抽掉汽側的空氣，水側用于抽掉循環水側的空氣，通常沒有調節的部分。絕熱壓縮過程在凝結水泵和給水泵中完成，對這兩個工過程的監視本質上是對泵的監視。同樣可以區分出設備狀態部分和對熱力循環影響部分，以軸承振動，溫度，潤滑油狀態反應了設備是否正常，而泵的進出口參數，轉速和流量反應了在循環中的職能作用。

回熱過程是為了提高機組的循環效率，利用做完功的蒸汽重新加熱機組給水，以提高鍋爐進水溫度。在實際的循環過程中通常由幾級高壓加熱器和幾級低壓加熱器組成，在運行過程中，各段抽氣的壓力可以反應汽輪機級間通流部分的情況，因此常作為分析機組的重要參數，對于加熱器而言，水側泄露是其常見故障，因此加熱器的水位也是十分重要的監視對象，特別是高水位對汽輪機的安全形成了重大的威脅。加熱器的溫升或端差時對加熱器本身狀態的反應?？梢?，抽汽參數歸于對汽輪機的監視，加熱器的監視只是水位和端差，對于循環而言就是各級加熱器的水側端差保持較高從而保證較高的鍋爐給水溫度。

以上探討了電廠朗肯循環中所涉及設備的運行特點，可見在整個熱力循環實現的過程中，雖然牽扯的設備較多，但是，認真分析之后，創造循環條件的非自發過程，即絕熱壓縮和定壓放熱過程，所涉及的設備主要是大型泵，其工作的結果是把汽輪機所排出的汽水混合物全部冷卻成水然后再壓縮到所需的壓力下，即達到鍋爐的給水壓力，創造了這個條件，整個熱力過程便可順利的進行。在正常的監視過程中通常把主汽壓力作為監視的重要參數，因為在循環過程中由于鍋爐的壓降是一定的，主汽壓力通常與鍋爐給水壓力只相差一個小值，這樣監視主汽壓力也就監視了給水壓力。實現目的的自發過程，即鍋爐中自高溫的吸熱過程，汽輪機中蒸汽膨脹做功過程，在監視過程主要是保證設備工作在額定參數值之內，以免對設備造成損壞，同時保證動態調節設備在調節范圍內。

3 朗肯循環總體評價及監視特點

在熱力發電廠中，凝汽器的真空正常狀態下通常非常穩定，即使隨著外界溫度變化，也會通過調整運行方式，比如調整循環水泵的運行方式，使其變化在很小的范圍內。主再熱汽溫同樣由于調節手段多也容易穩定在額定范圍內。對于汽輪機而言，通常調門的開度維持在一定的范圍內以保證汽輪機運行在較高的效率工況內，因此，一定的運行壓力通常對應著一定的主汽流量，這樣從朗肯循環的熱力學過程來看，主汽壓力的每個數值便對應著熱力循環的一種狀態，壓力發生變化，整個循環的節點參數便發生變化。在實踐中可見，在負荷穩定的情況下，保持鍋爐主汽壓壓力的穩定對于整個熱力循環的穩定都有非常大的意義。在機組穩態運行中可以看到，保持主氣壓穩定后機組可以很快進入穩定狀態。在變工況運行中保持主汽壓能隨著負荷的變化而達到對應負荷的壓力，對于維持整個熱力循環的穩定同樣是非常重要的。對于循環的量而言，主汽流量的大小反應了同參數下機組做功的大小，但在同一機組中，單用主汽壓力便反應出了熱力循環的狀態和程度。

在熱力機組的監視過程中，鍋爐的主再熱器除了減溫水調節系統外屬于靜態系統，減溫水截門始終保持全開，需要進行調整的僅僅是減溫水的幾個調門，凝汽器系統本質上是對循環水系統的監視以保證冷卻水的順利冷卻，汽輪機除高中壓主汽門調門外，凝泵，給水泵都屬于轉子和靜止配合的動力設備，這樣分析之后，對整個熱力系統各設備的監視上，就可以大大的簡化，只要動態設備調節沒有什么故障，靜態設備運行在額定的參數下，就可以保證熱力循環的正常。

通過以上分析就可以實現循環狀態的監視和熱力設備狀態監視的分離，循環狀態以主汽壓力為主同時兼顧主汽流量，而設備狀態以監視設備固有參數。這樣就可以在監視中大大簡化紛繁的參數，對設備合理的把握。

4 結論

在以上的分析中，首先從理論的角度剖析了熱力循環的過程，指出四個過程可以分成兩部分，一部分是創造條件部分，一部分是實現目的部分，創造條件的結果便是一定壓力的水，只要這個條件滿足，在后兩個部分中便可以實現由熱能轉化為機械能。其次，進一步從整個循環的過程來分析，指出在循環的過程中，主汽壓力代表的是熱力循環的狀態，主汽壓力的變化意味著循環狀態的變化，意味著各設備熱力參數及工作狀態的變化，這樣監視和調整主蒸汽壓力在維持整個循環的穩定有非常重要的意義。最后在分析各設備特點的基礎上，對各設備的監視做了分類，指出在整個熱力過程中就設備而言分為屬于靜態部分和由動靜部分構成的動力設備，靜態設備側重于單純的監視，而動態設備則是包含有調整的監視。對于整個熱力循環而言，保證設備的不故障，是監視中的重要內容，從而實現設備狀態的監視與熱力循環狀態調整的分開。總之，從熱力學第二定律的角度出發，分析了循環的條件性和目的性，從設備的特點出發，分出了動態靜態設備的不同，從整個循環出發，把循環狀態與設備狀態分開，通過這些基本點的分開實現對機組狀態的合理把握，便于實現機組的安全運行。