火电厂大型汽轮机变负荷运行能耗分析与优化研究

许驰

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

火电厂大型汽轮机的运行能耗受到多种因素的影响，通过对实际能耗进行分析，研究出火电厂大型汽轮机运行能耗影响因素，有利于制定出更合理的降耗对策，实现真正意义上的能源节能降耗，此举对于提高整个火电厂社会效益和经济效益都有重大意义。

1 火电厂大型汽轮机变负荷运行能耗分析

1．1 汽耗率

火电厂大型汽轮机组每生产1kW·h的电能，需要消耗的蒸汽量被称为发电机组汽耗率，这一指标使用字母d表示。根据火电厂大型汽轮机组实际运行的需求，若想计算出汽耗率，就要对汽轮机发电机组的汽耗量进行计算，计算公式为：

其中，公式当中的Pe表示的是发电机的功率；h0、hc和qrh分别表示的是汽轮机组的主蒸汽焓值、排气焓值与吸收热量；aj和Yj分别表示的汽轮机组系统的抽汽份额与做功不足系数；ηm和ηg表示的是机械效率与发电机效率。

在计算中，如果公式中的qrh数值为零，则实际机组可以被定义为对纯凝机组，公式当中的∑为零，此时上述公式对于纯凝机组和非再热机组均适用。

1．2 热耗率

对于火电厂大型汽轮机而言，在计算热耗率时，要先对机组的热耗量进行计算，汽轮机发电机组的热耗量计算要以小时为单位。在计算中，同时还要考虑到机组运行的经济性，以便选择出适合的能耗指标，解决实际的问题。机组的汽耗率反映的是火电厂大型汽轮机组的做功情况，而热耗率能作为单独的能耗指标，对其运行过程中所产生的经济效益进行评判，综合汽耗率和热耗率两项指标，能够计算分析出汽轮机变负荷运行能耗。

2 火电厂大型汽轮机变负荷运行能耗影响因素

2．1 温度因素

温度因素和压力因素都是影响火电厂大型汽轮机能耗的主要因素。其中，温度会影响到火电厂大型汽轮机的工作效率，并且设备的损耗也会因此发生变化。如果汽轮机本身在运行中有较大的喷水量，或者空气吹入量较高，同时燃料供应短缺的情况发生，将会导致温度不符合设备实际运行的要求。如果这一问题不能得到妥善处理，会使汽轮机本身的工作效率降低，如果水压值不符合工况要求，就会导致锅炉内部的燃料不能充分燃烧，在蒸汽流量增加的情况下，蒸汽气压会相应降低，最终降低运行效率，增加设备能耗。

2．2 设备因素

火电厂大型汽轮机是火电厂主要的动力设备，汽轮机中的汽缸是其重要组成部分。汽缸作用是实现空气与汽轮机隔离，这种方式可以确保蒸汽直接做功于汽轮机上。因此，若想降低火电厂大型汽轮机的能耗，可以从汽缸的运行角度着手，通过提高汽缸运行效率的方式，以达到降低能耗的效果。但是，当前国内生产火电厂大型汽轮机汽缸设备还存在一些缺陷，汽缸运行效率往往并不能得到预期设计目标，与国外先进国家和地区的技术设备相比，我国的火电厂大型汽轮机汽缸还有一定的提升空间。同时，在发展中也能看出，受到我国经济因素的影响，火电厂大部分都使用我国自主研发设计的汽缸设备，因此，增加了火电厂大型汽轮机运行能耗问题。

2．3 电力因素

火电厂大型汽轮机运行期间，电网中电力负荷会出现大幅度变化，比较容易产生明显峰谷的波动。因此，工作人员在实际的操作中，往往会采用反复调整汽轮机运行的方式，使其适应不同电力负荷的变化，但是这种情况不可避免地会增加汽轮机的能耗。

3 火电厂大型汽轮机变负荷运行降耗对策

3．1 特性曲线

特性曲线即为调节性特征曲线，是通过计算得到的太藕节及压力比为ε自变量的函数关系曲线。一般来说，常用的特性曲线类型包括了反动度特性曲线、流量特性曲线。两种曲线的表达方式分别为：

在计算中应用到调节特性参数，可以通过调节级特性曲线图以及参数曲线进行参考，结合特性曲线进行变负荷热力计算，可以在最短的时间内获得最为精准的成果。部分机组没有调节特性曲线，而是需要根据汽轮机调节数据的方式，将计算机调节级的各项参数纳入到曲线绘制中，并且用于火电厂大型汽轮机变负荷热力计算。

3．2 优化方法

（1）合理设定操作工序。根据以往的研究可以得出，启动火电厂大型汽轮机所需的冷态气压值在2.5～3MPa，启动温度至260～300℃，凝结器内部的真空压力在-50～40kPa。当汽轮机正式进入启动区间之后，首先需要通过预热的操作方式，提高气缸内部的温度，而这一环节正是整个生产过程中，能耗最高的环节。所以，为了降低火电厂大型汽轮机变负荷能耗，技术人员要根据以往的工作经验，结合不同运行模式下汽轮机的状态，合理地设定操作程序，实现设备启动和停止运行的优化。此外，根据以往的工作经验得出，火电厂大型汽轮机的停机操作基本上发生在检修期间，所以，工作人员还要对检修制度进行优化，并在工作中严格贯彻落实至制度，实现质量控制，并确保排查所有潜在的故障隐患，提升汽轮机稳定运行周期。

（2）动态调节运行水温。火电厂大型汽轮机的运行要满足相应的水温条件，燃料的投放同样也会受到实际运行环境中水温的影响。

例如，当水温较低时，火电厂大型汽轮机的运行能耗会增加，此时，也会产生额外的烟气排放量，不仅拉低了火电厂大型汽轮机整体运行效率，而且还会增加对环境的污染。所以，工作人员提出，动态调节水温的方式，确保水温始终在合理的范围内。例如，对设备的密封管道进行排查，防止出现设备漏电，保证设备密封性能良好，这种方式还可以确保加热器始终保持正常的运行状态，并为设备的安全运行提供保障。

（3）优化配置运行参数。无论是何种工艺设备，合理的参数配置都能显著提高设备运行表现，对于汽轮机而言也不例外。火电厂大型汽轮机的热力系统同样可以通过科学优化的方式，在各种监测工具和长期实践工作经验的支持配合下，实现最优的参数组合。比如，我国某地区的火电厂大型汽轮机管理部门工作人员，为了优化运行参数，运维人员和操作人员共同配合，参考了火电厂热力系统的位置以及管道走向，对参数进行了优化调整。经过调整后，热能的损耗降到了最低水平。而且，技术部门还对高压外下缸与中压外下缸的输水系统进行了调整，改变了高加疏水方式，确定了最佳的参数组合。

3．3 案例分析

（1）负荷计算。火电厂大型汽轮机调节级主要参数与配置结构为：①喷嘴汽道总数为116个；②喷嘴出口角正弦值为0.27；③喷嘴出口面积为488.2cm2；④动叶出口角正弦值为0.40；⑤动叶出口角直径为1162.7cm。

为了对火电厂大型汽轮机的变负荷进行计算，结合特性曲线进行数学推导，最终得出调节级特性参数方程为：

将火电厂大型汽轮机复合滑压运行的数据代入方程中，可以分别汽轮机的不同工况下的参数进行计算，最终得出μ值，根据计算结果，判断变负荷的实际能耗。

（2）运行优化。火电厂大型汽轮机变负荷运行能耗的优化步骤如下：

①根据汽轮机组的基本参数，以及前文提到的计算公式，可以计算出通用的变负荷运行能耗曲线。

②在求取出结果后，使用对比分析的方式，完成数据结果的验证，并将正确的结果作为寻求最优降耗方法的基准参数。

③构建复合滑压运行基准曲线，并在其中选择若干机组负荷点和主蒸汽压力值，将选择的数据作为初压基准值。

④根据选择的各个负荷点，将主蒸汽压力值基准作为参照，并选择合理三至五个不同的压力点作为试验工况点，每个负荷点对应一组试验工况点。对比分析不同运行状态现代的热耗率、绝对电效率等指标，并通过对比分析的方式，将机组运行最小热耗率与最大电效率作为最佳工况，获取对应的主蒸汽压力。

⑤将各个负荷点对应的主蒸汽压力值进行拟合，最终得到优化参数曲线。

4 结语

综上所述，在我国能源结构中，火力发电占据重要地位，在对火电厂大型汽轮机进行优化改良中，要重点关注能源节约、提高能源利用率等方面的管理，通过采用切实有效的管理方案，达到节能降耗的目的。