火電廠汽輪機運行存在的問題與對策

潘子博

(國能準能集團有限責任公司矸石發電公司 內蒙古鄂爾多斯 010300)

隨著我國經濟快速發展，國內用電需求不斷提高，目前我國的工業用電和民用用電均處于高位運行狀態，電網負荷增量范圍越來越小，以致很多大型、超大型汽輪機組不得不參與到電網供電工作中，且其持續運行時間越來越長。在運行過程中，這些汽輪機組往往長期處于高負荷的運行狀態[1]，給生產現場造成較大的安全隱患。在火電廠汽輪機組安全平穩運行的情況下，需要提高汽輪機在單位時長下的工作效率，這對緩解我國用電緊張、提高能源結構優化具有重要意義。因此，當前國內外的很多汽輪機技術人員在探尋汽輪機工況變化的條件時，不僅采用指定的方法，也積極與其他方法進行對照印證，確保汽輪機的經濟效益、工作時長和安全穩定運行達到統籌兼顧的效果。該文文以汽輪機運行存在的問題和改進措施為主題，首先通過分析汽輪機的優化研究現狀，展開列舉汽輪機運行中可能存在的問題，最后針對不同的問題，提出汽輪機工礦優化措施，以指導汽輪機運行的全過程。

1 汽輪機優化研究現狀

火電廠汽輪機組的運行和優化，是當前熱力能源電力工程的主要研究課題。隨著我國經濟不斷發展，各項能源需求不斷提高，國內的電能分配也由最初的大城市供應轉向分散式的區域供應，用電需求的提升使我國電力負荷變得越來越重。許多火力發電廠開始使用大容量的汽輪機組，參與電能供應和電能峰值調節。在這一領域，目前展現出火熱的研究前景。當火力發電廠的大型汽輪機的工況發生改變時，現場操作人員可以采取不同的運行方式，改變汽輪機的初壓運行參數，以保障汽輪機安全經濟、高效穩定運行。在動態變化的工況條件下，火力發電廠的汽輪機有兩種運行方式，分別是穩壓運行和變壓運行[2]。由于在運行的過程中，穩壓運行和節流降壓運行的部分壓力會隨著節流作用的發生而散失，降低了汽輪機的工作效率，這種運行方式在過去單一機組上運行應用較多，而對于大容量汽輪機組則較少運用，當前已經不再采用這種傳統的運行方式。在負荷狀態下，穩壓運行功耗損失最小，可以保證較高的汽輪機運行效率，不用采用過多的調節作用，同時也避免了調節振動峰值的變化問題。所以采用穩壓運行的汽輪機組，適合滿載運行，且不宜參與電網綜合調峰[3]。二十世紀六七十年代，美國投入了一些超過1 000 MW容量的大型汽輪機組，以保證供電需求穩定。這些汽輪機組均采用了穩壓運行的方式，保證機組滿載運行，為美國千家萬戶送去充足的電力。對發電量較小的汽輪機組而言，常采用穩壓運行和壓嘴調節的方式，不過當前這種運行方式很少采用，因為在運行的過程中，這種運行方式的經濟效益較低，需要消耗較高的能量才能夠轉化為較少的電能。其所引起的蒸汽溫度較高，后續不好調節，也容易損害汽輪機組的運行壽命，具體情況如表1所示。

表1 大型汽輪機性能值設定參數表

目前，火力發電廠汽輪機組最常使用的一種運行方式，便是變壓運行。根據相關研究表明，當火力發電廠汽輪機在較低負荷運行時，如10萬kW、20萬kW、40 萬kW、50 萬kW 的汽輪機，其均采用變壓運行的方式，能夠發揮出較高的運行效率和工作效率。但也有一些資料表明，發電廠汽輪機組在未滿載負荷的情況下，雖然變壓運行可以提高一定程度的工作效率，降低泵的能量消耗，但是它產生的經濟效益還未超過汽輪機組的循環效應帶來的經濟價值，較大的循環動力影響了經濟效益的提升。因此，若從汽輪機組的經濟性來分析變壓運行方式，該方式不應該作為汽輪機的首選運行方式，這一觀點也有部分學者認同。

經過一段時間的改進，火力發電廠汽輪機變壓運行逐漸轉變為全變壓運行，具體如圖1所示，在汽輪機內在運行過程中，汽輪機高壓氣的溫度近乎不會變化，其產生的熱應力和變形程度很小，而中壓的進氣溫度也基本穩定，這就保證了發電廠汽輪機組調峰運行的安全性和穩定性。當汽輪機組未滿載運行時，全變壓運行方式可以提升汽輪機的蒸汽流量和壓力，提高氣流的流速，但是鍋爐類燃料的燃燒不可能產生快速變化，所以全變壓運行在電網調峰時很難保證穩定運行。基于上述原因，在目前世界上大部分國家的發電廠，其汽輪機組采用變量全變壓運行的方式的也并不多，往往滿足一定條件下才會使用。當電網開始調節峰值時汽輪機工作人員可以對汽輪機的氣閥進行調節，這樣的方式比全變壓運行要更加靈活、安全穩定，動態調節大大提升了汽輪機的運行效率。當前，發電廠汽輪機組在運行過程中的復合變壓運行所設定的參數，一般都是按照初始廠家給的運行曲線來設置。但是，這一曲線完全是根據汽輪機載荷而定，并未考慮發電廠的生產環境、用氣需求和汽輪機的實際運行狀態，使汽輪機機組的實際運行狀態偏離了設定的初始參數，降低了汽輪機的經濟效益。所以，科研人員需要對發電廠汽輪機組的實際運行情況進行合理設置，以優化汽輪機的運行效率。

圖1 設計工況變壓運行曲線

目前，國內對發電廠汽輪機的優化參數主要有理論與實踐兩種，理論方法主要有數學理論法、模型建立法和邏輯系統分析法。單純的理論分析雖然能自圓其說，但是沒有實踐來支撐，往往沒有說服力。在實際的應用中，不能夠完全依靠理論，需將數學計算結合汽輪機的實際應用，以獲得真實可靠的計算結果。

試驗法就是通過汽輪機試驗來獲取最佳的運行參數。可以選擇不同的負荷條件，對不同的負荷點的壓力進行測試，計算不同參數下汽輪機組的經濟效益并進行對比，得到最優、最準確的復合變壓運行的參數曲線。從上述兩種方法來看，當前對發電廠汽輪機復合變壓運行的參數優化，還有很多問題有待解決。需要先通過先期理論計算，確定曲線參數，再通過實驗優化，獲得變壓運行的最佳參數，以實現電廠汽輪機組運行最高經濟價值，為電廠汽輪機組的滿負荷運行提供可參照的現實意義。

2 汽輪機運行存在的問題

火電廠汽輪機在運行過程中將熱能轉化為機械能，在加熱的過程中，其使熱水轉變為蒸汽，從而產生較高的熱量，最后通過相應的汽輪帶動，從而發電，使得機械能轉變為電能。汽輪機的工作原理是，汽輪機噴嘴向汽輪機的蒸汽閥組傳動，然后出現蒸汽方向改變，使得汽輪機葉輪和葉片具備沖擊能力，葉片不斷做功，從而提高了汽輪機的運行狀態的穩定性，改變葉片的做功形式，使得液流穩定運轉。在運行過程中，汽輪機主要有以下一些問題。

2.1 汽輪機的超速運行問題

汽輪機發電機在運行狀態中，有一個特點是運行周期性非常強，并且高速運轉能夠實現3 000 r/min 的超高速運行，其運行速度具有非常大的動力距。如果火電廠汽輪機組運行時，其出現螺栓疲勞或者相關零件調節故障，那么汽輪機的轉速將會瞬間增大[4]。與最初設計相比，若汽輪機轉子的應力較高，會造成轉子斷裂，易使汽輪機的葉輪甩脫或內部齒輪空轉，造成汽輪機組整體報廢。

2.2 汽輪機的真空運行系統的問題

汽輪機開始啟動時抽出了內部的加熱器和凝析器中的空氣，從而創造了一種相對封閉的真空環境。在汽輪機恢復正常工作之前，為了保證內部真空值在一定時間內長期穩定，需要不斷地把汽輪機腔體中的氣體抽出。在保持這種真空狀態的過程中，汽輪機運行會面臨一些不利的因素需要解決，主要表現為汽輪機的真空水泵的溫度太高，容易降低真空泵抽氣量，導致真空度下降。

2.3 汽輪機的主軸出現問題

這一問題會影響汽輪機機械能的產生，自然會影響電能的輸出。在實際的運行過程中，汽輪機的轉子會受到各種推力和扭曲的影響，從而會制約發電機轉子的運行狀態，造成轉子徑向或其他的方向出現共振現象，引起機器的損害與人身的傷亡事故。因此，技術人員必須要關注汽輪機主軸的壓力承受情況，盡量使用耐疲勞和抗磨損的材料，以保護汽輪機的穩定運行。當火電廠汽輪機啟動前，工作人員需要組織盤車投運試運行，保障手動和自動雙重控制，確保盤車穩定運行；當火電廠汽輪機組停止運行后，加入轉子盤運轉故障，需禁止工作人員強行盤車，防止其損害其他部件。縱觀汽輪機運行狀態以及儀表儀器的指示情況，如果汽輪機組存在故障，那么應實時暫停運行，記錄停機的具體時間，在需要的情況下還應在停機之后進行揭缸檢查。

2.4 汽輪機注油器發生堵塞，導致汽輪機被迫停機

對于這一故障，相關人員進行了研究與分析，在汽輪機運行過程中，技術人員需要對汽輪機的油泵的止回閥進行檢查，發現止回閥出現關不嚴的情況，需要及時對其進行更換與處理，更換完畢后重新啟動，經過一段時間調試后再使汽輪機穩壓運行。若隨著汽輪機運行時間的增長，汽輪機故障又重新出現，那么就需要進一步查找原因，發現注油泵和注油口的壓力波動的規律性認識，杜絕在注油泵不工作和油壓較低的情況下，同時出現止回閥關閉不嚴的問題。若是由于操作人員沒有及時更換濾油紙，導致濾油纖維過油，工作人員需及時調整濾油紙更換頻率，逐日檢查油紙滲油情況，及時更換新的油紙，以保證材料干燥。

2.5 汽輪機止回閥關不嚴，導致汽輪機空轉運行

對于這一問題，工作人員需要多次檢查汽輪機的轉速，若出現轉速較高且空轉，需要進一步檢查止回閥

關閉情況，在緊急情況下需要停止主油泵的注油工作，避免發生火災爆炸事故。常用的止回閥是一種球狀止回閥，在機組啟動時，它主要調節潤滑油的油量與氣量的大小。當止回閥關閉時，油泵就可以由自運行狀態轉化為主油泵供給狀態。

3 優化對策分析

要解決火力發電廠汽輪機運行存在的問題，可以采取以下具體措施。

3.1 檢查汽輪機的相關零部件

定期安排員工檢查汽輪機的相關零部件，提高汽輪機管理者的基本素質和實踐技能。在運行過程中，若汽輪機存在超速的情況，應及時采取相關措施檢查汽輪機，防范汽輪機出現故障。首先，工作人員要定期對潤滑油和主油泵進行檢查與處理，檢查油質，確保油質狀態達標[5]。其次，定期測試氣門關閉時間，驗證閥門的氣密性，避免出現閥門關不嚴的情況，如果在測試過程中存在相應的問題，應該及時進行檢修維護。再次，工作人員需要對汽輪機的重要儀器儀表進行定期核驗，如果存在漏氣的情況，需要及時擰緊，以防漏氣傷人，并且表的量程要在可控的范圍之內。最后，對汽輪機的氣門以及相關閥門進行檢查，若閥門出現堵塞或開啟難度大的情況，需要及時對其更換。閥門可以采用動態安全閥。

3.2 需要提高管理者的綜合素質和技能

管理者的綜合素質與技能關乎汽輪機的安全穩定運行，需要增強操作者的安全觀念，樹立科學合理的使用理念，維護設備，規范維修技能，以提高管理者的相關操作技能，可以采取定期競賽的形式來提高管理者的實際操作技能，在突發情況下能夠準確應對解決相關問題，并采取措施，針對問題予以改進。管理者需要建立更加完備的管理體系，構建完善相應的管理方案，在保障汽輪機安全生產的同時，落實汽輪機操作安全穩定，不僅要保證生產總電量供應充足，也要保證汽輪機維修施工落實到位，科學合理地解決汽輪機的相關問題，提高汽輪機的運行效率[6]。

3.3 完善汽輪機的真空系統與抽氣回熱系統

首先，相關工作者要進一步完善汽輪機的真空系統，良好的真空系統與汽輪機正常運行密切相關，技術人員需要定期維護與檢查真空設備，尤其是潤滑油的油位、分離器的封閉性、泵體運行正常狀態以及電動機主軸頻率的等方面，這些細節會對汽輪機的運行產生影響[7]。如果真空泵內的水溫比較高，應該立刻檢查它的冷卻器運行情況，判斷冷卻器是否起冷卻的作用。若冷卻器出現堵塞的現象，需要及時更換，或者排除內部的堵塞物。假如真空現象存在泄露，真空系統存在泄漏的問題，那么需要立即查找相關的泄漏點，進行補救措施，保證真空泵與凝析器運行狀況完好，保證后續能夠運行更長的時間[8]。

4 結語

根據目前火力發電廠汽輪機運行過程中存在的問題，技術人員可以采取針對性的補救措施，及時完善不足的地方。定期檢查汽輪機的真空系統與油泵，解決汽輪機的主軸受力不平衡和磨損疲勞的問題，提高工作者的管理素質和操作技能水平。雖然當前我國經濟仍然處于穩中有升的階段，但是電量需求仍然是目前亟須解決的關鍵問題。大型汽輪機在這一方面具有舉足輕重的作用。只有實現火力發電廠汽輪機運行效率提升，降低汽輪機的故障，才能夠有效保證汽輪機在有限的時間內滿載滿時運行，節省燃料，提高燃燒效率，輸送清潔能源。