電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化研究

王廣智

（國(guó)能吉林龍華熱電股份有限公司白城熱電廠，白城 137000）

隨著能源成本的不斷上升和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，電廠對(duì)于熱力系統(tǒng)效率的提升有著迫切的需求。汽機(jī)作為電廠中的關(guān)鍵熱力設(shè)備，其運(yùn)行效率直接影響整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好度。傳統(tǒng)的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一定的局限性，在實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法完全滿足現(xiàn)代化高效率、環(huán)保的要求。優(yōu)化電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)，不僅可以提高能源利用率，還能夠減少溫室氣體排放，具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)的優(yōu)化因素

電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化非常復(fù)雜，其核心目標(biāo)在于提高能效、降低運(yùn)行成本以及確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需綜合考量各種技術(shù)參數(shù)與操作策略，其中調(diào)整汽機(jī)內(nèi)部的工作流體參數(shù)（如溫度、壓力和流量）對(duì)于整體效率有直接影響。例如，通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度保持最佳的熱經(jīng)濟(jì)性，不僅能夠減少燃料消耗，也能延長(zhǎng)部件的使用壽命[1]。穩(wěn)定的凝汽器背壓同樣關(guān)鍵，它直接影響汽輪機(jī)的排氣狀態(tài)和循環(huán)效率，與乏熱利用和冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行密切相關(guān)。

除調(diào)整具體的運(yùn)行參數(shù)外，汽機(jī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化還可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代電廠利用先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，精確監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。基于此數(shù)據(jù)，應(yīng)用算法可以預(yù)測(cè)和診斷系統(tǒng)潛在的性能退化及故障，實(shí)時(shí)調(diào)整操作模式以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。例如，通過(guò)實(shí)施綜合熱網(wǎng)優(yōu)化策略，根據(jù)外網(wǎng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷分配和汽輪機(jī)抽氣量，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的最優(yōu)匹配，既滿足用戶熱負(fù)荷又確保電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，優(yōu)化運(yùn)行中要注意設(shè)備本身的維護(hù)和改造。對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行技術(shù)更新，選擇更高效的換熱器和泵類設(shè)備，能夠在一定程度上降低系統(tǒng)整體的能耗和排放。

2 汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組匹配改進(jìn)

在電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)中，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組的匹配是影響整體效率的重要因素。匹配改進(jìn)工程通常著眼于兩者之間能量轉(zhuǎn)換的有效性和協(xié)同工作的和諧性。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化需要考慮葉片的幾何形狀、材料選擇及其對(duì)蒸汽流動(dòng)路徑的引導(dǎo)效率，從而確保在不同的功率輸出需求下都能實(shí)現(xiàn)最小的能量損失。例如，通過(guò)采用三維流動(dòng)仿真軟件，工程師能夠模擬并優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的氣動(dòng)性能和強(qiáng)度特性[2]。同時(shí)，提升軸承和密封部件的精細(xì)度和耐磨性，有助于降低摩擦損耗和熱耗散。

調(diào)整汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組之間的協(xié)同性，涉及系統(tǒng)的綜合調(diào)節(jié)。通過(guò)精確控制汽輪機(jī)出口的蒸汽壓力和溫度，可以更好地適應(yīng)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的最大化。發(fā)電機(jī)參數(shù)的調(diào)整必須同步，使其能夠靈活響應(yīng)汽輪機(jī)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，提高電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)電機(jī)以最接近設(shè)計(jì)負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率便達(dá)到最高。綜合考量汽輪機(jī)的熱力特性與發(fā)電機(jī)的電氣特性，并對(duì)二者進(jìn)行合理搭配，是持續(xù)提升電廠整體效率的關(guān)鍵。這一過(guò)程需要兼顧維護(hù)周期和零部件更替頻率，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本。采用三維流動(dòng)仿真軟件進(jìn)行汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組匹配改進(jìn)分析，如表1 所示。

表1 汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組匹配改進(jìn)分析

3 汽機(jī)熱力系統(tǒng)的系統(tǒng)能效優(yōu)化

3.1 機(jī)組能效優(yōu)化

機(jī)組能效優(yōu)化是電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約也具有重要意義。實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)需要深入剖析機(jī)組運(yùn)行的各個(gè)方面，以尋求改進(jìn)點(diǎn)。例如，通過(guò)優(yōu)化汽輪機(jī)的缸間溫差控制，可以有效降低不可逆損失，提升循環(huán)效率。精確調(diào)節(jié)各級(jí)蒸汽的壓力和溫度，使其維持在理想狀態(tài)，有助于發(fā)揮設(shè)備的最佳性能。為降低熱量損失，要嚴(yán)格監(jiān)控穿堂風(fēng)、漏風(fēng)、漏氣等非效率因素。在實(shí)際應(yīng)用中，低效運(yùn)行造成的能量浪費(fèi)在整個(gè)系統(tǒng)的能源消耗占比中不容忽視。

此外，可以采用先進(jìn)的凝汽器清潔技術(shù)。例如，在線清洗或高效換熱材料的應(yīng)用能夠顯著提高熱交換效率，降低背壓，提升整個(gè)機(jī)組的工作效率。除機(jī)械改進(jìn)外，還可以引入高精度的控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度，旨在動(dòng)態(tài)匹配電網(wǎng)需求和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)虛擬仿真和預(yù)測(cè)模型，可以在不影響設(shè)備壽命的前提下推動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)其能效極限。只有充分了解電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)知識(shí)，才能在不斷變化的市場(chǎng)環(huán)境中將機(jī)組能效發(fā)揮到極致。

3.2 疏水系統(tǒng)能效優(yōu)化

疏水系統(tǒng)是電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)的基本組成部分。它通過(guò)移除積聚在系統(tǒng)中的冷凝水，保障設(shè)備的運(yùn)行效率和安全。優(yōu)化疏水系統(tǒng)的能效涉及減少疏水系統(tǒng)的能量損耗，確保蒸汽盡可能地被用于功率轉(zhuǎn)換而非疏水過(guò)程。可以通過(guò)改進(jìn)疏水裝置的設(shè)計(jì)，引入疏水回收利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源的再循環(huán)利用。例如，采用可變壓力控制的疏水泵能夠根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)整流量和壓力，從而使系統(tǒng)運(yùn)行更接近最優(yōu)工況，減小不必要的動(dòng)能損失。

為了深入優(yōu)化疏水系統(tǒng)，還需要精細(xì)管理系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的熱能流動(dòng)，定期評(píng)估疏水設(shè)備的性能，從而減少系統(tǒng)隱患。使用智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備，如溫度傳感器和流量計(jì)，實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)熱能流動(dòng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正操作中的偏差。大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠輔助進(jìn)行疏水系統(tǒng)行為的模式識(shí)別，預(yù)測(cè)維護(hù)需求，避免因故障導(dǎo)致的能效損失。系統(tǒng)性能優(yōu)化需要注意疏水系統(tǒng)的每個(gè)細(xì)節(jié)，維持其高效運(yùn)轉(zhuǎn)，真正實(shí)現(xiàn)汽機(jī)熱力系統(tǒng)的能效最優(yōu)化。

3.3 軸封系統(tǒng)和輔助蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化

軸封系統(tǒng)在汽輪機(jī)中承擔(dān)著防止蒸汽泄漏、保證工作效率的任務(wù)。優(yōu)化軸封系統(tǒng)先要保證軸封的密封性能，這關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的熱效率和安全性。傳統(tǒng)的碳環(huán)密封雖然普遍使用，但是摩擦損耗大，維護(hù)成本高，因此更多電廠傾向于采用干氣封技術(shù)[3]。干氣封具有低泄漏率和低維護(hù)需求的特點(diǎn)，在確保密封效果的同時(shí)大幅降低了機(jī)組運(yùn)行的能耗。精細(xì)調(diào)節(jié)軸封供氣壓力和流量以匹配運(yùn)行工況，配合實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)軸封表面溫度和泄漏率等參數(shù)，可以最大限度減少額外的能量消耗，優(yōu)化軸封系統(tǒng)的總體性能。

輔助蒸汽系統(tǒng)主要服務(wù)于疏水系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)及其他不參與主循環(huán)但是對(duì)功率輸出有影響的系統(tǒng)。提高輔助蒸汽系統(tǒng)的能效需要從源頭優(yōu)化透平展開(kāi)工作，合理調(diào)配從汽輪機(jī)抽取的蒸汽量，以減少對(duì)主循環(huán)的影響。將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在任何可變工況下均有良好表現(xiàn)而非僅在特定負(fù)載下效率最優(yōu)，是當(dāng)前優(yōu)化策略的方向。通過(guò)增加輔助蒸汽系統(tǒng)的再熱回路，可回收部分熱能，進(jìn)一步降低系統(tǒng)對(duì)外界能源的依賴。

4 系統(tǒng)運(yùn)行操作優(yōu)化

4.1 機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化

優(yōu)化電廠汽機(jī)的啟動(dòng)流程，不僅關(guān)乎設(shè)備壽命的延長(zhǎng)和安全性的提升，更是提升系統(tǒng)整體運(yùn)行效率的重要一環(huán)。汽輪機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，需要精確控制多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，并形成預(yù)定的啟動(dòng)曲線，包括缸內(nèi)金屬溫度梯度、軸承負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[4]。啟動(dòng)優(yōu)化的核心目標(biāo)是減少熱應(yīng)力，避免由于溫度變化引起機(jī)械應(yīng)力超過(guò)材料許用值而損害元件。漸進(jìn)式熱膨脹操作可以有效控制發(fā)電機(jī)組各部件的溫度差，緩解熱應(yīng)力累積。此外，動(dòng)態(tài)調(diào)整啟動(dòng)加熱流程，按照實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)修正加熱策略，確保發(fā)電機(jī)組在最佳溫差控制下啟動(dòng)，是有效提升效率、節(jié)約燃料消耗的關(guān)鍵。

現(xiàn)代控制技術(shù)如模糊邏輯控制和自適應(yīng)控制，在機(jī)組啟動(dòng)中的應(yīng)用比較普遍。結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析能夠?yàn)椴僮魅藛T提供最優(yōu)的啟動(dòng)方案建議，其中包括管道預(yù)熱、轉(zhuǎn)子和殼體熱脹差異的控制、同步加速到額定轉(zhuǎn)速等步驟的詳細(xì)指導(dǎo)，不但縮短了啟動(dòng)時(shí)間，保障了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，還大大減少了因操作不當(dāng)造成的能量浪費(fèi)。同時(shí)，配備高精度的傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)，從渦輪轉(zhuǎn)速到壓力閥門(mén)的開(kāi)啟程度，不斷收集數(shù)據(jù)反饋至中央控制系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法提煉有用信息，并實(shí)時(shí)調(diào)整工作參數(shù)，使得啟動(dòng)過(guò)程更智能、更精細(xì)、更經(jīng)濟(jì)。

4.2 氣泵啟動(dòng)優(yōu)化

隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)于調(diào)節(jié)泵速尤為重要，使氣泵系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求動(dòng)態(tài)調(diào)整功率，實(shí)現(xiàn)能源浪費(fèi)最小化。結(jié)合先進(jìn)的傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)并全面地采集氣泵的運(yùn)轉(zhuǎn)條件數(shù)據(jù)，運(yùn)用智能控制算法實(shí)時(shí)優(yōu)化啟動(dòng)過(guò)程，包括對(duì)泵內(nèi)壓力、溫度以及流量的精準(zhǔn)控制。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的精細(xì)調(diào)整，能夠確保氣泵在承受最小應(yīng)力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最快的啟動(dòng)，并維持系統(tǒng)整體的高性能運(yùn)行[5]。高精度傳感器的使用還有助于檢測(cè)和預(yù)防潛在的設(shè)備故障，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，通過(guò)避免非預(yù)期停機(jī)來(lái)減少能耗。操作項(xiàng)目?jī)?yōu)化分析，如表2 所示。

表2 操作項(xiàng)目?jī)?yōu)化分析

5 結(jié)語(yǔ)

電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化對(duì)提升電廠的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益具有重要作用。目前，電廠汽機(jī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化的主要策略包括對(duì)汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組的精確匹配、機(jī)組能效的精細(xì)管理、疏水系統(tǒng)的高效回收利用以及軸封系統(tǒng)和輔助蒸汽系統(tǒng)的先進(jìn)維護(hù)手段。另外，系統(tǒng)運(yùn)行操作優(yōu)化，如機(jī)組和氣泵啟動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化，是確保電廠熱力系統(tǒng)快速響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。