基于熱力分析的火電廠汽輪機性能優化研究

摘 要：針對火電廠汽輪機的性能優化進行深入探討，采用熱力分析作為主要研究手段。通過詳細分析汽輪機在不同工況下的熱力性能，揭示影響其效率的關鍵因素。建立汽輪機熱力模型，對其在不同負荷和運行參數下的效率進行模擬分析。結果表明，汽輪機內部泄漏、熱力過程不完善以及排氣損失是制約其性能提升的主要問題。本文提出的優化措施包括改進密封結構、優化熱力系統設計以及提高排氣系統的效率等。通過對比優化前后的性能數據，發現這些措施能有效提高汽輪機的整體效率，降低能耗。為火電廠汽輪機性能優化提供理論支持，也為相關行業的節能減排提供實踐指導，具有較高的工程應用價值。

關鍵詞：熱力分析；火電廠；汽輪機；性能優化；節能減排法

中圖分類號：TM 62" " 文獻標志碼：A

火電廠作為支撐全球電力供應的重要基石，其運行效率直接關系到能源利用與環境保護平衡[1]。汽輪機作為火電廠核心設備，其性能優劣直接影響電廠的整體效率和經濟效益。隨著能源緊缺和環境問題日益突出，對汽輪機性能進行優化，提高其熱效率，已成為當前火電行業亟待解決的問題[2]。通過深入熱力分析，探尋汽輪機性能提升潛力點，為火電廠節能減排提供科學依據[3]。通過精細化建模和仿真分析，系統地評估汽輪機在不同運行條件下的性能表現，識別能量損失的關鍵環節，并提出針對性的優化策略。期望能為火電行業的可持續發展貢獻力量，推動汽輪機技術向著更高效、更環保的方向邁進。

1 熱力分析及建模

熱力分析是火電廠汽輪機性能優化研究中的關鍵環節，它是深入理解和改進汽輪機性能的理論基礎。熱力分析主要涉及熱力學第一定律和第二定律應用，通過這兩個定律，可以精確地分析和計算汽輪機在工作過程中的能量轉換和損失情況[4]。在熱力分析前，需要建立一個精確熱力模型。這個模型是理論研究與實際運行之間的橋梁，它能夠幫助模擬和分析汽輪機的實際運行情況，找出性能瓶頸，提出優化方案[5]。確定模型范圍和精度。由于汽輪機是一個復雜系統，包括多個相互關聯的部件，例如高壓缸、中壓缸、低壓缸、進汽閥門、排汽閥門等，因此需要根據研究目的和實際需求來選擇模型的詳細程度。本研究采用集總參數法，將汽輪機劃分為不同的功能區域，每個區域都用一組參數來描述其熱力狀態。

為了建立一個精確熱力模型，需要定義汽輪機各組件和其間熱力學過程。

1.1 模型劃分

將汽輪機簡化為幾個主要部分，見表1。

1.2 模型假設

蒸汽在汽輪機中的流動是一維的。

忽略汽輪機內部的摩擦損失。

汽輪機的效率只與進出口狀態有關，與過程無關。

1.3 熱力學方程

每個部分都可以建立熱力學方程，如公式（1）～公式（3）所示。

進汽部分的計算過程如公式（1）所示。

[h1=h{f，in}]

[s1=s{f，in}] （1）

式中：h1和s1分別為進汽部分的焓和熵；h{f，in}和s{f，in}為進入汽輪機的蒸汽的焓和熵。

高壓缸部分的計算過程如公式（2）所示。

[w{hp}=h1-h2]

[＼eta{hp}=＼frac{w{hp}}{h1-h{2s}}] （2）

式中：w{hp}為高壓缸的輸出功；h2為高壓缸出口的焓；h{2s}為等熵過程中高壓缸出口的焓；＼eta{hp}為高壓缸的效率。

中壓缸和低壓缸的方程與高壓缸類似，只是參數不同。

排汽部分的計算過程如公式（3）所示。

[h{ex}=h{f，out}]

[s{ex}=s{f，out}] （3）

式中：h{ex}和s{ex}分別為排汽部分的焓和熵；h{f，out}和s{f，out}為離開汽輪機的蒸汽的焓和熵。

可以在每個缸的效率中考慮泄漏和損失。如果高壓缸有內部泄漏，那么其效率會下降，這可以通過降低（＼eta_{hp}）來模擬。給定進口蒸汽的狀態（壓力、溫度或焓、熵）以及各缸的效率，可以逐步計算汽輪機各部分的出口狀態和輸出功。這通常需要使用蒸汽性質表或相應的軟件庫來獲取蒸汽的熱力學性質[6]?；谫|量守恒、能量守恒和熱力學第二定律，建立一系列微分方程和代數方程，來描述汽輪機內部工質的流動、傳熱和做功過程。這些方程中包括多個未知數，例如溫度、壓力、熵、焓等，它們之間的關系復雜而微妙，需要通過數值方法進行求解[7]。在建模過程中，特別考慮汽輪機內部的泄漏和熱損失。內部泄漏是汽輪機性能下降的主要原因之一，它會導致蒸汽在缸體內部發生不必要的流動和混合，從而降低有效做功。為準確模擬這種現象，在模型中引入了泄漏系數和泄漏路徑的概念，通過調整這些參數來反映不同工況下的泄漏情況[8]。

在汽輪機運行過程中部分熱量會通過缸體、軸承和密封件等部件散失到環境中，造成能源浪費。為了量化這種損失，采用傳熱學基本原理，計算各部件的熱阻和熱流密度，從而得到熱損失的具體數值。將所有方程和參數整合到一個統一的數學模型中，形成一個完整的熱力模型。這個模型不僅能夠模擬汽輪機的穩態運行過程，還能夠分析動態過程中的性能變化。通過對比模擬結果與實際運行數據，可以驗證模型的準確性和可靠性，為后續的性能優化工作提供堅實的基礎。

2 火電機組的性能及耗差分析

2.1 實時數據的校正處理

從分散控制系統（DCS）中獲取的實時數據，在火電機組性能分析中占有舉足輕重的地位。為保證數據的準確性與完整性，必須經過一系列校正處理。性能分析對數據有幾個核心要求：不僅要求主要設備運行參數數據完整，還必須涵蓋難以檢測到的特殊參數，例如汽輪機的排汽焓等。不僅要求各參數變化趨勢準確，還要求具體數值精確，例如主汽流量的檢測精度。數據的一致性也至關重要，例如主汽流量與機組負荷之間應當保持邏輯上的一致性。當DCS提供實時數據不滿足上述要求時，就需要進行數據校正。這個過程涵蓋數據預處理、粗差檢驗、數據修補以及機組能量平衡校驗。數據預處理常采用慣性濾波處理算法，以消除動態滯后所帶來的誤差。粗差檢驗則主要根據上下游及相關參數的變化趨勢，來驗證數據的準確性和趨勢正確性。需要對不完整或失真數據進行數據修補。這時會使用經過基準熱力試驗樣本標定的機理模型，來重建這些缺失或失真的參數。而機組能量平衡校驗，則是對主汽流量等重要參數進行進一步校驗，以保證基于這些參數的性能指標與機組負荷保持一致。

2.2 火電機組性能指標的實時監測與分析

火電機組性能指標分為機組級和設備級兩大類。機組級指標如圖1所示，反映了機組的整體性能。而設備級指標，例如鍋爐效率、汽輪發電機組熱耗率、廠用電率等，更側重于反映各個設備的運行效率。為實時監測和分析這些性能指標，需要不斷地收集和校正實時數據。通過對比歷史數據和行業標準，可以及時發現機組或設備的性能下降或異常情況，以便采取相應的優化或維修措施。這種實時監測和分析對提高火電機組的運行效率、延長設備使用壽命、減少能源浪費和環境污染都至關重要。更重要的是，它為評估和改進火電機組的整體性能提供了一個科學、客觀的方法。

2.3 火電機組耗差指標的在線分析

在火力發電領域，耗差現象源自機組實際運行參數，與理想狀態或設計基準值偏離相比，這種偏離會直接導致能耗增加。這些參數包括但不限于主蒸汽溫度、壓力、給水溫度、凝汽器真空度等。當這些參數偏離理想值時，就會導致機組的效率下降，煤耗增加，從而影響電廠的經濟效益。

3 試驗結果與分析

為驗證優化措施有效性，對優化前后的汽輪機進行對比試驗。根據某電廠#3機組的實時運行數據，對機組在247MW負荷下工況進行詳細耗差分析。在鍋爐側發現主要耗差來源包括排煙溫度、飛灰含碳量等。以排煙溫度為例，實時數據顯示，排煙溫度略高于設計值，導致熱效率降低和煤耗增加。通過調整燃燒控制和空氣預熱器運行，可以有效降低排煙溫度，從而提高鍋爐效率。根據預定的閥點和負荷基準，全負荷段工況性能試驗精心選取了8個不同的負荷點。而在寬負荷配汽方式試驗中，對每個負荷點的5個工況進行測試。在這些測試中，主汽壓力和高壓調節閥開度被調整改變，而其他運行條件則保持不變。對變背壓特性性能試驗來說，在每個負荷點對4個工況進行試驗。在這些試驗中，將背壓設定為變化25%的條件，而其他條件則維持不變。在試驗開始前，嚴格隔離系統，精確調整負荷及各項運行參數，保證符合試驗的嚴格要求。除氧器水箱和凝汽器熱井補水至高位，并調整至穩定平衡狀態，保證試驗期間無須額外補水，并通過控制凝結水流量來維持除氧器水位穩定。

在試驗過程中，暫時停止系統外部的排污、排水和排汽等活動，保證所有運行參數能夠盡可能保持穩定。鍋爐耗差分解見表2。耗差優化對比如圖2所示。

當對汽輪機組性能進行診斷試驗時，為保證能夠準確評估機組性能，并揭示機組設計特性與實際運行之間的差異以及潛在問題，需要采用一系列嚴謹的方法和步驟。以下是關鍵的策略和技術，旨在通過邏輯推理判斷機組性能試驗結果的正確性。須制定具體的運行方式和工況選擇標準，以保證試驗能夠覆蓋機組的各種運行條件。這些選擇應基于機組的設計參數和預期運行范圍，以保證試驗的廣泛性和代表性。對功率確定和數據的測量范圍來說，需要設定明確的標準和程序。通過精確測量和記錄關鍵參數，例如溫度、壓力、流量等，可以獲取機組性能的關鍵數據。同時，為了保證數據的準確性和可靠性，還需要對數據進行適當修正，以消除測量誤差和干擾因素的影響。在數據分析階段，采用邏輯推理的方法對試驗結果進行判斷至關重要。通過對比設計數據和實際測量數據，可以識別機組性能的差異和潛在問題。這些差異和問題可能是由設計缺陷、制造誤差、運行維護不當等多種因素引起的。為了減少各種因素對試驗結果的影響，需要采取措施來優化試驗條件。包括保證試驗環境的穩定性、使用高精度的測量設備、合理調整運行參數等。采取這些措施，可以使試驗條件盡可能接近設計條件，從而提高試驗結果的準確性和可靠性。

負荷下熱耗率與高壓調節閥開度的關系如圖3所示，隨著開度變小，節流損失逐漸增加，因此隨著高壓調節閥開度逐漸變小，機組的熱耗率呈現緩慢上升的趨勢。特別是在高壓調節閥開度較小、節流損失較大的情況下，主汽壓力和熱耗率對高壓調節閥開度的變化有明顯響應。具體而言，當高壓調節閥開度從100%減至30%時，主汽壓力顯著上升了1.35MPa，而熱耗率也相應增加了約121.7kJ。這種趨勢揭示了高壓調節閥開度對機組性能的重要影響，為優化機組運行提供了重要參考。在不影響機組正常運行的前提下，通過調整運行方式和提升檢修水平，有效地降低能耗，提高了機組整體效率。優化后的汽輪機在整體效率、熱耗率以及排放等方面的性能均有明顯改善。優化后的汽輪機整體效率提高約24%，熱耗率降低了約19%，排放也得到了有效控制。這些改善有助于火電廠降低運營成本、提高經濟效益，同時也為節能減排、實現綠色可持續發展做出積極貢獻。

4 結論

熱力分析是評估和提高汽輪機性能的有效手段，它能精準地識別汽輪機在運行過程中的能量損失點和效率瓶頸。本文針對汽輪機內部泄漏、熱力過程不完善以及排氣損失等關鍵問題，提出切實可行的優化措施。這些措施包括改進密封技術、優化熱力系統設計、提高排氣系統效率等，旨在全面提高汽輪機的整體性能。通過采取這些優化措施，汽輪機效率和性能得到顯著提升，有助于火電廠降低運營成本，提高經濟效益，同時也為節能減排、實現綠色可持續發展做出了積極貢獻。為火電廠汽輪機的性能優化提供科學理論支撐和實踐指導，對推動火電行業的技術進步和產業升級具有重要意義。

參考文獻

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