煤電汽輪機節能改造優化路徑探析

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司 劉 銳

1 大型機組汽輪機本體節能改造概述

1.1 節能改造的基本內容

指通過改造能耗設備的結構形式、應用新的節能技術等方式，在對設備性能、安全性等方面造成較小影響的基礎上，減少設備能耗的技術過程[1]。大型機組汽輪機是很多工業生產系統中的核心動力設備，受到傳統技術機制的影響，多數大型機組汽輪機的能耗都較高，給生態環境造成較大不良影響。目前針對大型機組汽輪機本體的節能改造基本思路包括以下方面。

升級核心技術。即通過對汽輪機核心燃料系統、動力系統進行技術升級，減少其正常工況下的單位能耗；配置節能裝置。即通過配置某種節能裝置來達到優化汽輪機運行機制、降低直接能耗目的。隨著節能技術的研究不斷深入，各種新型節能裝置及技術在大型機組汽輪機中的應用也發揮了越來越重要的作用；優化能源、動力結構。即通過對汽輪機能源結構或動力機制進行優化設計、改造，直接減少單位能耗，或通過降低能源損失、提升能源熱效率等方式間接降耗。隨著相關領域對機電設備運行邏輯的研究越來越深入，通過科學的汽輪機結構設計或改變油箱結構，優化供油、供電機制，都可達到節能降耗目的。

1.2 必要性

第二次工業革命至今汽輪機技術經過多輪革新，支持其運行所用到的燃料包括煤油、柴油、重油等，近年來也出現了以天然氣為主要燃料的汽輪機。但無論燃料類型如何，汽輪機運行過程的高能耗問題依然存在。尤其是在發電及部分重工業領域中，大型機組汽輪機的能耗問題依然非常突出。

一方面，大型機組汽輪機的單位能耗較高，需消耗大量不可再生資源；另一方面，在大型機組汽輪機運行過程中燃料燃燒會產生大量的污染物。尤其是一些技術相對落后的汽輪機，由于燃料燃燒不充分、熱轉化率不高，對環境產生的負面影響更為嚴重。新形勢下，節能環保和可持續發展已成為全球共識，我國更是將節能環保作為未來資金、技術的重點投入領域。積極推進大型機組汽輪機的節能改造，不僅有助于減少能耗、降低污染，還可對汽輪機結構、能源轉化機制進行優化，進一步提升系統的運行效率，對提升社會生產力也有積極意義。

2 大型機組汽輪機本機存在的能耗問題及影響因素

2.1 能耗問題

運行效率問題。在大型機組汽輪機本機中中壓缸和高壓缸是最為重要的構成部分，在汽輪機組運行過程中一般中壓缸和高壓缸是合缸結構，內缸部分則以獨立的中壓內缸和高壓內缸形式運行。這種結構形式下較易出現效率較低情況，導致整個機組的熱耗較高。顯然，汽輪機核心組件的效率不足對整個機組的運行效能都會產生不良影響。

密封性問題。大型機組汽輪機運行過程中對蒸汽的加壓處理非常關鍵，對機組部分機構的氣密性有更高要求。密封性問題的存在直接導致汽輪機出現熱損失，同時也會影響蒸汽的加壓效果，進而產生更高的能耗。如，大型機組汽輪機本機一般采取中壓缸和高壓缸結合的結構形式，而低壓缸一般為對稱分流式。為有效滿足運行需求，中壓缸和高壓缸間對蒸汽進行加壓加熱。但受傳統設計及工藝的影響，部分汽輪機調節級葉頂和葉根的氣封方面存在問題，導致熱量散失，同時影響加壓加熱效果。

內部蒸汽流通通道問題。在大型機組汽輪機本機的中壓、高壓缸結構中，內部通道的構造形式、空間大小需和實際生產運行需求相結合。部分汽輪機運行中，由于內部空間存在較大間隙，導致蒸汽流通速率受到影響，同時也會產生大量的熱量散失。不僅會影響設備熱轉換效率，也會導致機組運行損耗較大；排氣熱損失問題。大型機組汽輪機發揮作用的關鍵在于對蒸汽的利用，而設備運行過程中必然會設計到排氣的環節。目前大多數汽輪機排出的都是高溫高熱氣體，意味著排氣過程會產生大量的熱量損失。另外由于部分大型機組汽輪機本機存在通道氣密性問題，也會導致異常排氣情況出現，進而產生更多的熱量散失。

2.2 影響因素

在大型機組汽輪機運行過程中，較常見的能耗問題包括機組本身運行效率問題和熱量損失問題，各種問題間也存在一定的聯系。

單列調節級承擔降焓過大。單列調節級所承擔的焓降過大會產生較大的能耗問題。近年來相關領域關于大型機組汽輪機本機的技術改造中，部分方法會導致缸體壓力級流通面積增大，同時調節劑壓力降低，這種方式也會影響系統能耗。在大型機組汽輪機本機運行過程中，調節級承擔的焓降在高壓缸焓降總量中的占比為3%～30%，而單列調節級承擔焓降增大時機組運行效率會降低。

調節氣門節流損失過大。通常大型機組汽輪機運行在額定負荷下運行時需打開3個調節氣門。但如調節氣門裝置出現故障或裝置型號不匹配，會直接影響其節流效果。另外如操作方式不規范或出現違規行為，也會引發節流損失過大的問題。部分大型機組汽輪機本機中氣門控制的噴嘴數量不合理、或存在噴嘴堵塞的情況，也會影響系統能耗。

水冷凝汽器故障。在大型機組汽輪機的整個動能結構中水冷凝汽器是較關鍵的裝置之一，如該裝置配置不合理或出現故障會導致冷卻水質量不佳。如水冷凝氣器密封性不足會引發蒸汽、冷卻水泄露，不僅會導致直接的水資源浪費現象，還會在一些部分留下水垢。水垢的存在和不斷累積會持續影響大型機組汽輪機的熱效率，還可能埋下安全隱患。

3 大型機組汽輪機本機改造的基本思路和方法

大型機組汽輪機本機的節能改造需結合汽輪機實際構造、能耗機制及運行環境，從多個角度對其進行合理改造。

3.1 汽輪機機組器材改造

在大型機組汽輪機本機的節能改造中，應從機組器材及各類零部件的角度，通過優化選型和提升質量可靠性等方式，充分保證本機各裝置復合設計及工藝要求。可利用三維設計技術對汽輪機內部構造進行可視化設計，了解在各種運行工況下相關器材、裝置的運行狀態，然后對器材進行合理改造。

如，在需解決各類閥門內漏問題中，可在設計優化端對汽輪機本機的閥門結構進行明確，通過采用質量可靠且型號對應的閥門及科學化的安裝工藝，嚴格保證閥門密封性。同時可重點選用符合節能環保技術工藝的閥門裝置，進一步改善系統運行過程的熱損失問題；可在傳統汽輪機的構造基礎上對中壓缸、高壓缸進行擴容處理，以改善其流通效率，在該過程中可利用更為先進的四維汽輪機技術進一步提升機組運行的熱效率。另外可對冷卻凝汽器裝置進行改良，提升其相關裝置結構的氣密性，以減少汽、水滲漏的情況，進而減少能源損失。

3.2 汽輪機凸輪結構改造

在大型機組汽輪機本機節能改造中可對凸輪機結構進行優化設計和改造。首先對高壓缸調節氣門進行改良，同時優化系統壓力配置，將高壓缸內壓力控制在合理范圍內以達到節能目的。然后優化高壓缸氣門位置，結合對凸輪機構造的改造減少氣門重疊的情況。

3.3 汽輪機真空系統改造

真空系統是大型機組汽輪機本機發揮作用的關鍵系統，其運行過程的各類問題也是引發能耗問題的關鍵所在。在針對大型機組汽輪機本機真空系統的改造中，首先可通過減少空氣分壓力來優化系統內的壓力狀況，同時對蒸汽、熱水中的余熱進行合理回收利用，達到節能降耗的目的。隨著現代技術研究的不斷深入，部分大型機組汽輪機可采用部分電動或回收熱量驅動的方式以減少能耗。

4 大型機組汽輪機節能改造實例分析

某發電企業配置有125MW汽輪機裝置，在額定工況135MW下的熱耗為8165kJ/kWh，其中高壓缸效率為82.5%，中壓缸效率為92.56%（其中包含約6%的閥門壓力損失），低壓缸效率為86.66%（其中包含約3%的排汽熱損）。針對該大型機組系統中汽輪機本機的節能改造，適當提升調節級壓力、降低焓降。同時基于ASME標準和機組運行情況對設備軸封進行修正，尤其是通過檢查修復軸封間隙減少運行過程的熱損失。另外，為有效提升機組的運行效率和能源利用率，還重點對機組調峰能力進行改造。

具體來講，本電站機組采取的是兩班制，非再熱機組的調峰能力尚可，但是再熱機組則較難實現調峰處置。為此在汽輪機本機內采用實心軸及高窄法蘭，同時將動靜葉柵的密封形式由軸向密封改造為縱向密封，增大軸向間隙、減少泄露量。通過一系列改造，讓中壓及高壓缸差脹對運行效率的影響降低。

另外對設備原有的轉子上鑲氣封構造改為斜平齒結構，增大低壓差脹允許值。通過增大調節級過渡圓角及減少大軸溝槽寬度，以降低設備運行中應力集中的情況。基于此，機組在80%左右的負荷狀態下停機8h后再次開機可快速運行至滿負荷狀態。另外，技術團隊將汽輪機本機高壓缸的材料由ZG25CrMo改造為ZG15Cr2Mo1，全面提升了缸體抗蠕變性能，進一步提升了機組的調峰性能。

在一系列改造下，經約一月的試運行分析，設備在額定工況135MW下的熱耗為7966kJ/kWh，其中高壓缸效率為89.6%，中壓缸效率為93.17%（其中閥門壓力損失降低至5.1%），低壓缸效率為89.10%（其中排汽熱損降低至2.3%）。

綜上，應充分結合大型機組汽輪機的運行狀況和能耗問題，對影響其運行效率及導致其能耗過高的原因進行全面分析。在此基礎上對汽輪機本機的構造、器件、運行機制進行優化改造，以減少不必要的熱損失，同時結合工業生產的實際技術需求，對汽輪機運行模式、機制進行改良，以達到全面降低機組能耗目的。