汽輪機系統能耗分析與結構優化研究
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【摘 要】汽輪機是影響火力發電廠工作效率及生產成本的首要生產裝置之一，自始至終都是火力發電廠進行生產經營的發展目標，面對當前的時代潮流下，企業要想最大程度上獲得經濟效益，應該針對汽輪機組的運轉情況，通過換新、調整原有設備，進行設備的節能降耗研究，盡力降低設備的運轉耗能，確保機組始終處于最優的運轉狀態。本文在此基礎上就汽輪機系統能耗分析與結構優化進行了簡要的分析，僅供參考。
【關鍵詞】汽輪機；能耗分析；結構優化
1汽輪機組工作原理
第一，沖動作用原理。沖動作用原理指的是在汽輪機中的高速蒸汽通過葉汽道時產生的氣流會推動葉片轉動，這樣一種由于氣流方向發生改變之后產生的沖動力將產生機械功。其基本特點是只有葉片的方向發生了改變。第二，反動作用原理。與沖動作用原理相似的是，反動作用原理也是由熱蒸汽通過葉汽道時發生的作用，進而推動葉片旋轉做功。不同之處是蒸汽在葉道中發生的是膨脹與加速現象，這樣產生的力使葉片做功。
2能耗影響因素的總結與研究
第一，汽缸的工作性能。汽缸是汽輪機內的主要零部件之一，在發電流程中起到了密閉隔斷的作用，將蒸汽封閉在機組內部，進而通過蒸汽熱能帶動機組做功轉，實現熱能到機械能的轉換目標，因此在氣缸的外周配套有多種類型的管道，實現排汽、進汽以及回熱抽汽等工序任務。在發電的過程中，汽輪機內缸與內部蒸汽直接接觸，因而有大量的熱能傳導至缸壁，繼而輻射傳導至外缸，成為了主要的熱能消耗因素。因此在設備的設計方面，必須在兩層之間設置夾層氣流，以減少該類能耗。第二，運行機組通流性。電廠的汽輪機組為蒸汽做功，再由熱能轉化為機械能為發電機提供驅動，因此在汽輪機組的運行中蒸汽的流通性直接影響了做功的效率。如果流通性不足，汽輪機組內的阻礙會導致大量能源消耗。但如果可以改善運行中的流通面積及流通量的話，其能量消耗將大大降低。第三，工作環境的影響。對于電廠汽輪機組的工作效率與能耗水平起到影響的環境因素主要包括氣壓與溫度兩種。在汽輪機組的工作過程中，汽輪機的汽缸會在燃料持續供應的情況下，產生更大的噴水量和空氣比重，這些環境因素的改變將會帶來明顯的熱能消耗的提高，從而影響汽輪機組的做工效率。
3能耗分析方法
3.1熱平衡法
熱平衡法是最基本的熱力系統分析計算方法，是一種單純的汽水流量平衡和能量平衡方法。通過列寫各級加熱器的汽水質量平衡和能量平衡方程，求得各級加熱器抽汽系數，利用功率方程和吸熱方程最終求得系統的熱經濟指標。熱平衡法概念清晰、計算精度高，計算過程較為復雜，目前一般用來檢驗其它方法的精度。
3.2等效焓降法
等效焓降法是由前蘇聯專家提出，我國西安交通大學林萬超教授加以推廣應用。可用于熱力系統的整體計算與局部定量分析，用簡單的局部運算代替復雜的整體運算。它具有簡捷、準確、方便等特點，是一種方便有效的方法。目前，這一方法已經廣泛地應用在電廠熱力系統定量分析中。
3.3循環函數法
循環函數法是馬芳禮教授在美國的Salisbury提出加熱單元概念的基礎上，根據幾十年教學和工程設計經驗創立的一種熱力系統計算方法。該方法能較好的適應計算復雜的熱力系統，也適用于局部的定量分析。
3.4矩陣法
矩陣分析是通過將各級回熱加熱器的熱平衡方程與功率方程聯立來完成熱力系統計算。矩陣中的各個元素取決于整個系統中相關熱力參數，在系統結構或熱力參數變化情況下，只需相應的改變矩陣的結構與矩陣元素。因此，矩陣分析法計算通用性較強，且適合用編程的方法實現耗差分析。
3.5?分析法
?分析法是基于熱力學第二定律的方法，它從量和質兩方面分析熱功轉化過程，重點突出能量轉化過程中在質方面的不可逆損失，從而評價熱力系統能量轉化和利用的完善程度。
4結構優化
4.1低加改造為混合式加熱器
回熱系統是火電機組的核心熱力系統，主要設備是回熱加熱器，在常規的火力發電廠回熱系統中，除了除氧器采用混合式加熱器外，其余加熱器均為表面式。相關研究等對回熱系統的布置損失作了大量的研究，指出采用表面式加熱器會增加系統的布置損失，而采用混合式加熱器能顯著提高機組的熱經濟性。因此，將一臺或數臺面式加熱器改為混合式加熱器，在燃煤電站的節能優化改造中是可行的。在混合式加熱器的換熱過程中，加熱蒸汽與給水直接接觸，最終將給水加熱到加熱蒸汽壓力下的飽和溫度，給水的壓力與加熱蒸汽壓力一致。這就產生了混合式加熱器的布置難題，即需要額外采取某種措施推動給水逐級流動。在混合式加熱器的運用研究中出現了兩種解決該問題的方案，一是在每個混合式加熱器后都配置水泵，美國人在他們的低壓加熱器全混合的系統中采用的就是這種方法，并設置了水箱以應付負荷波動問題；二是采用重力式系統布置，將加熱器布置在不同的高度上，高度差產生重力壓頭，使低壓水流能自動落入壓力稍高的下一個加熱器，英國和蘇聯采用的就是這種布置，并在多臺機組上成功運用。據混合式加熱器在電廠中的應用，混合式加熱器改造采用重力式系統布置，考慮到實際布置的可行性和難易程度，僅僅對一臺或者兩臺低壓加熱器進行混合式加熱器改造，因此，提出三種采用混合式加熱器的回熱系統布置方案：方案一是8號低壓加熱器改為混合式加熱器；方案二是7號低壓加熱器改用混合式加熱器；方案三是7、8號低壓加熱器同時改為混合式加熱器?？紤]到在重力式系統布置方案中，可能會出現凝結水流動壓頭不足的情況，因此，在混合式加熱器后加裝水泵，方案一和方案二中水泵安裝在混合式低加之后，方案三中水泵安裝在7號低加之后。根據混合式加熱器的工作原理建立混合式加熱器的仿真模型，與汽輪機系統模型相連接，組成帶有混合式加熱器的系統模型。依據混合式加熱器在電廠中的應用和常規回熱系統的布置情況，提出了混合式加熱器替代面式低加的3種方案，并對3種方案進行了仿真研究。主要研究結論如下：（1）某600MW超臨界機組采用混合式低壓加熱器使汽輪機組的發電功率增加、熱耗率減少。在THA工況下，方案3功率增加703kW，燃耗率降低8.51kJ/kWh，經濟性表現最好；（2）方案3在VWO、THA、75%THA、50%THA四個工況下的變工況計算表明，各工況下機組的性能均有較好改善，在50%THA工況時，機組功率增量、增幅、熱耗率減少量及減幅均為最大，在低負荷下，采用混合式低加能獲得更顯著的經濟收益。
4.2低溫省煤器
我國在運行的600MW超臨界機組中，絕大多數機組的尾部煙氣溫度處于120℃以上，這部分熱量具有很好的利用價值，如果不加以利用就會排放出去造成大量的排煙損失，而排煙損失在燃煤機組的諸多損失中占50%以上，因此降低鍋爐尾部煙氣溫度是燃煤發電機組節能降耗的一個有效手段?，F階段煙氣余熱利用方式中最常用的方式是在空氣預熱器之后的尾部煙道中布置低溫省煤器。低溫省煤器利用鍋爐尾部煙氣來加熱低壓加熱器水側的凝結水，其換熱條件類似于省煤器，但水側的溫度低于省煤器的溫度，稱之為低溫省煤器。低溫省煤器的安裝使得汽輪機回熱系統得到一份外來熱量，節省了一部分抽汽，很好的回收排煙熱損失，提高了全廠的熱效率。隨著能源價格上升、節能減排的壓力增大，在運機組加裝低壓省煤器的經濟性顯得越來越突出。
參考文獻：
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（作者單位：黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司）
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