优化汽轮机热耗高的措施刍议

徐 巍

优化汽轮机热耗高的措施刍议

徐 巍

徐 巍 崔志宁 邱 影

中国船舶重工集团公司第七○三研究所

徐巍，女，出生于辽宁省沈阳市，毕业于哈尔滨工程大学热能与动力工程专业，本科学历，工程师，职务：设计人员，研究方向：汽轮机设计。

在经济全球化的今天，电力企业这一国家垄断行业正在面临国际大军的挑战。与日韩、欧美国家相比，国内所生产的汽轮机设备虽然能以其短交货期和价格低廉胜人一筹，但其关键性能却无法与其他国家媲美，技术落后使这一方面的差距逐年增大，大大打击了国产汽轮机的国际竞争力，使市场份额占有率降低。怎样优化汽轮机结构设计、提高汽轮机热效率是目前汽轮机生产厂家亟须解决的问题。本文通过对汽轮机热耗高这一问题有针对性地进行探讨，并总结出相应的应对措施建议。

在近十年里，中国电力企业顺应经济全球化的潮流大量开发外贸市场，向国外，特别是亚洲国家出口了大量电力设备。然而，在出口期间，汽轮机以价格战略打入国外市场，片面的注重成本控制，忽视了产品性能和质量的保障和优化。汽轮机频发故障、性能测试不合格等各种问题屡次发生，由此引发了不少合同纠纷，这类情况的出现使电力产品质量名誉大大受损，为其在国际市场的立足和业务扩展画上一个感叹号。

对汽轮机来说热效率的高低能反映出火电机组从结构设计、生产制造到安装调试、运行管理这一系列的水平高低，除此之外，解决汽轮机热耗高的问题能提高发电厂的可靠性、安全性，提高经济效益。本文借鉴国内一些汽轮机生产商的经验，以专业角度分析如何优化汽轮机热耗高出现的原因，并提出相应的改进建议，从而提高中国汽轮机的国际竞争力。

汽轮机组净热耗=［WT（HT-HF）+WR（HR）］/（KWG-∑K Wi）（KJ/KW·h）

上述公式中，WT是主蒸汽量（kg/h），HT是主汽门入口蒸汽焓（kJ/kg），HR是通过再热器的蒸汽焓值差（kJ/kg），WR是再热蒸汽流量（kg/h），KWG是发电机终端输出功率（KW），HF是省煤器进口给水焓（kJ/ kg），∑K Wi指取电动主油泵、静态励磁时消耗的功率（KW）。

由这一公式可以分析得出，汽轮机的热耗主要表现在以下过程中。

1.新蒸汽参数：新蒸汽的温度高低与耐热高的属性相关。公式中，排汽压力不变时，热效率的提高与新蒸汽参数直接相关。

2.给水加热：保持背压和功率、新蒸汽参数相同的情况下，给水加热过程增加了进汽量，从而使排汽量相应减少。普遍来说，汽轮机设计师会安排一除氧器、三高压加热器、四低压加热器的结构。

3.背压：保持新蒸汽参数不变，加速热效率循环的一大方法是降低背压，这一方法能有效降低平均放热温度。然而，要想降低背压，要有效控制水温、冷却水源等热条件，同时要增大汽轮机的凝汽器及末级扇叶，这些做法都会提高技术经济成本，要按照实际经济情况选用。

4.再热循环：一般的汽轮机提高热效率的措施都是中间再热，以保证再热蒸汽的熵值，提高其温度。

优化汽轮机本体结构

我国汽轮机在出口贸易上处于劣势，提高汽轮机热效率，要从其本身结构进行改进。参照中国某主要汽轮机生产厂家的汽轮机参数，分析得出以下几个措施来优化汽轮机结构。

1.改进汽封系统

一般的汽封系统中，转子会磨损铁素体汽封，导致汽封间隙增大，丧失了原有的密封功能。在提升技术的前提下，新型的高低齿汽封，即DAS汽封，改善了铁素体汽封齿的缺陷，同时确保了转子和铁素体汽封二者不被磨损，提高了密封强度，有效优化了汽轮机的热功能系统。但是美中不足的是，这种高低齿汽封设计仅仅允许0-0.13毫米的间隙，不易操作，对安装技术要求的提高使得现场工作的工作量以及工作难度也随之提高。

2.通流部分结构优化

适时优化汽轮机的通流部分这一措施对汽轮机热耗率的降低程度最为明显。具体的操作可由以下五个方面作为出发点。

1）改善动叶根部发动度，重新设计叶片型线，通过这两个步骤来相应降低动、静叶在汽轮机工作过程中的热损失；

2）增加高压缸级数从而提高速比；

3）设计更优的动叶型线和动叶围带形状，从而提高动叶流动效率和级效率；

4）提高级后压力，降低级焓降；

5）调节中压缸的级间焓降分配和叶高的指数，优化结构来提高汽轮机速比。

3.拉长低压缸中末级叶片

优化汽轮机热耗的另一个重要途径是增加做功能力，为达到这种效果在理论上可以通过拉长低压缸中的末级叶片来实现，但当下汽轮机组的动静平衡技术不够成熟，没能把这一设想转变为现实。但是，这种方法的有效性是毋庸置疑的，在对汽轮机结构的改进过程中应勇于创新。

优化热力系统以提高汽轮机热效率

目前，中国超临界机组大多数是以主蒸汽压力24.2MPa，再热蒸汽温度及主蒸汽温度为566℃，再热压降损为10％，凝汽器背压为10.13kPa等参数来设计，保证汽轮机的热耗在1888keal/KW.h。而要提高汽轮机热效率，可以通过以下几种途径来实现。

保证再热热段管道的完整性。通过增大热段管道口径值能减少对管道的压损，这一措施普遍来说能降低2％管道压损率，从而降低13kJ/KW .h的热量消耗。

减少凝汽器背压。举现阶段印度正在实施的项目作为例子分析，该项目循环水保持33-34℃的年均温度，控制凝汽管9～11℃的换热端差。凝汽器换热面积的增大，加上冷却塔换热面积的增大，都能减少凝汽器背压，然而，要实现这一结构的优化，会同时要求增高运转层平台的高度以及加深凝汽器坑。分析发现，这一举措大大提高了建筑成本，因而没办法要求凝汽器的背压无限降低。就现阶段来看，10.13kPa减到9.55kPa的背压水平是允许的，这样一来大概可降低30KJ/KW .h的热耗。

提高再热蒸汽和主蒸汽的温度。以经济角度看来，要想提高主蒸汽的温度，就要求汽轮机高压缸、锅炉的所有参数都进行优化，这一举措所带来的经济成本是巨额的。因而，通过提高主蒸汽温度来提高汽轮机热效率的方法并不可取，但是假若提高再热蒸汽温度，只需要重新设计锅炉管排，在再热热段用P92材质的管道代替常规的P91材质，而对其他方面的设计没有改变太多，从经济角度看来具有一定的可行性。假设把再热蒸汽的温度由566℃改成600℃，就能降低约63KJ/KW .h的热量损耗。

除此之外，治理内漏阀门和改造疏水系统也是降低汽轮机热耗的一大有效措施。疏水阀门在处于高温高压时会有内漏现象产生，第一会使汽轮机的热耗急剧增加，第二会加重凝汽器的热负荷，没办法保证机组的真空状态，这两方面的弊端都会降低汽轮机的经济型。因此，有效治理内漏阀门、优化疏水系统是非常必要的，可对泄漏严重的疏水气动门采用研磨处理，或直接更换。在经济和技术条件允许的条件下，简化疏水系统，把多余的阀门去掉，从本质上降低系统内漏的几率。在汽轮机工作过程中，要减少在低负荷状态下疏水门长期打开的状态。在低负荷状态且高蒸汽温度时，只要保证锅炉的稳定燃烧就能关掉疏水门，这样能降低能耗，但也要求操作人员在工作流程中做好工作对接。

采用低负荷调节汽门对汽轮机进行优化改造也是降低汽轮机热耗的一个方式。依照现阶段测试的数据结果显示，热耗率在汽轮机低负荷运行时的增量很小。因此，在平时管理优化阀门时，按照现两阀开启的运作方式来控制主汽压时能够在一定程度上减少低负荷调峰工作时候的热耗。经过试验，汽轮机在100％到70％电负荷的条件下工作，负荷10％的减少量与热耗率0.3％的增加量相对应，也就是说，汽轮机机组的热耗增加很少，而相反的，高压缸效率2％的减少量与负荷10％的减少量相对应。由此可得，这一控制阀门的方法同时兼顾了循环效率与高压缸效率的变化，值得坚持。

通过实施以上优化措施，汽轮机的热耗可以低至1862.8keal/KW. h。除此之外，假设背压再降低0.85kPa，即可再有39KJ/KW. h的热耗降低。在考虑上述举措来优化汽轮机热效率时，要充分考虑设计成本问题，特别时在降低背压的过程中，更要牢牢结合公司经济能力来进行，要在保证企业经济收益的基础上进行汽轮机优化改造工作。

结语

从汽轮机作业成本看来，理论上说，越早投资进行汽轮机改造就收益得越早，否则因短回收期的限制，投资收益差。就目前电力企业来说，因设备的生产任务多，三到六年之后实施改造能够较合理地保证汽轮机的改造质量。通过以上措施的改进，汽轮机和热力系统会更加完善，能有效率地优化汽轮机热耗高的问题，从技术上保证和支持了我国汽轮机生产企业进一步进军和扩宽国际市场。而这些研究虽然在一定程度上解决了汽轮机热耗高的问题，但还是需要相关专家和技术人员不断探讨对汽轮机结构和工作流程的改进方法，从而使我国电力企业在竞争激烈、复杂多变的市场大环境中保有长期的竞争优势。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.055