电厂集控运行汽轮机运行优化措施分析

宋 剑

(晋能控股山西电力塔山发电公司，大同 037006)

0 引 言

汽轮机又称为蒸汽透平发动机，是一种旋转式的蒸汽动力装置，其作用原理为：经过锅炉作用而生成的高温高压蒸汽穿过固定的喷嘴，成为加速的汽流，并喷设至叶片上时，推动装有叶片排的转子转动，同时对外做功，实现蒸汽动能、机械能的定向转化。在现代社会，城市化的深度发展要求电厂必须随时随地、保证保量地供应优质电能。基于电厂集控运行模式，优化汽轮机运行机制十分重要。

1 电厂集控运行管理模式的优势分析

电厂的集控运行模式，是指对机(汽轮机)、炉(锅炉)、电(发电机)进行统一集中式的控制管理。一般情况下，一个值设一个值长；相邻的两台机组为一个单元，设置一个单元长；每台机组设置一个机组长，下属配置主值班员、副值班员，在必要的情况下，还会额外设置巡操员。机、炉、电均需经由主控室的集散控制系统进行操作，且每套机组处于“分开”的状态，每两台机组共用一个主控室。除此之外，值班员岗位实行24小时不间断值守，全方位控制机器进行生产作业。目前，我国发电厂集控运行模式分别设有4、5、6个班组，实行轮班制。尽管汽轮机系统运行过程较为复杂，但随着技术的持续更新以及管理理念的提升，目前已很少采用人工操作，几乎全面覆盖自动化、智能化运行系统。在集控运行模式下，电、汽的输送、停止均由主控室的值班人员统一操作，可调整的内容在于：监视锅炉燃烧情况，保证供应至汽轮机的蒸汽处于稳定状态[1]。

集控运行管理模式的优势在于：

(1)使电厂的正常生产过程及原料投运、设备的启动及停运等均处于可控状态，发现任何问题时，能够及时进行干预，避免出现大规模停工停产事故；

(2)为设备的定期检修、维护作业创造安全环境(不包含对设备的直接维修)；

(3)通过辅控运行，对包含燃料、化学、除灰、脱硫在内的所有必要运行过程加以梳理，提高生产效率；

(4)对所有资源进行统一调配，一旦单台机组出现事故时，迅速将之“断开”，防止进一步对其他正常运行的设备造成影响。

2 汽轮机运行过程中的常见故障及解决方式

对汽轮机运行过程中的常见故障进行全面梳理、总结，找出解决方式，能够提升汽轮机的运行效率。

2.1 汽轮机汽缸漏汽

造成汽轮机汽缸漏汽的原因较多，可进行如下划分：

(1)汽缸采用铸造工艺制造而成，出厂后需进行时效处理(将之存放一段时间后方可投入使用)，目的在于完全消除铸造产生的内部应力。部分汽轮机应用的汽缸放置的时间较短，导致应用期间因发生形变而漏汽。解决方式在于，电厂购入汽轮机或是在定期维护时，技术人员必须格外注意汽缸是否变形，使用合格的产品，避免漏汽现象。

(2)在安装或检修的过程中，由于检修工艺和检修技术的原因，导致内缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨胀间隙不合适，或是挂耳压板的膨胀间隙不合适，运行后产生巨大的膨胀力使汽缸变形。解决方式在于：安装或检修期间，技术人员需对各处的膨胀间隙进行充分预估，留足空间，防止因巨大的膨胀压力导致汽缸发生形变漏汽。

(3)汽缸螺栓紧固的顺序出现错误。常规的顺序为，自中间开始，向两边同时紧固，即由垂弧最大处或受力变形最大处开始击鼓，从而使最大变形处的间隙向汽缸前方或后方的自由端转移，使得间隙逐渐消失；如果采用自两端开始，逐渐向中间旋紧的方式，间隙会朝向中间地带“积压”，在外力的不断作用下，汽缸结合面会出现拱形的间隙空间，极大地提升蒸汽泄漏几率。解决方式在于，所螺栓紧固的顺序必须严格按照相关规定执行，避免任何“反向操作”。

2.2 裂纹渗漏

在集控运行管理模式下，不同的设备看似处于“有条不紊”的运行状态，但汽轮机等液压设备几乎每时每刻都在承受较大的外部压力及震动力。加之汽轮机设备的铸造材质为铸铁，铸造过程无法精确查找到所有铸造方面的缺陷。基于此种前提条件，随着满负荷时间的累积，汽轮器壳体的薄弱部位会逐渐产生砂眼渗漏及裂纹渗漏现象，导致设备性能下降，直至完全无法正常开展工作。此外，蒸汽、液压油的泄漏会导致电厂生产车间的危险系数呈现出跨越式提升的态势，极大地增加安全隐患，严重威胁电厂的安全连续化生产。

解决该问题的核心思路在于，电厂管理人员必须将工作做在前面，如果仅仅依靠传统的焊补工艺，对汽轮机壳体的裂纹处进行修复，理论上并不具备可行性。正确的做法在于，使用高分子复合材料，在现场开展修复作业。以火化橡胶、硝化纤维塑料为代表的材料具备强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀、绝缘、绝热等特点，凭借其良好的机械性能及粘结力，可以在极短时间内完成对裂纹处的修补，并延长设备的使用寿命，提升其运转效率。

3 电厂集控运行汽轮机运行的优化措施分析

3.1 围绕汽轮机的配汽方式进行优化

造成汽轮机运行效率低的一个关键原因在于，运行过程中损失了大量可以避免的能耗，故对传统复合型汽轮机配汽方式进行全面梳理并优化，是一种可行性较高的方案。传统的配汽方式为：①节流配汽，原理为使进入汽轮机的所有蒸汽均需经过一个或多个同时启动/关闭的调节阀；其中，第一级为全周进汽，没有调节级。此种配汽方式的结构相对简单，且启动或改变复合时，第一级的受热十分均匀，温度变化幅度较小，产生的热应力也十分有限。但该方式的缺点在于，处于低负荷状态时，因节流而造成的损失极大。②喷嘴配汽，原理在于将第一级分为3～6个喷嘴组，各组之间具备一定的间隙，处于“隔开”状态；各自配备一个调节汽门控制装置。在蒸汽进入汽轮机的过程中，各喷嘴组依次开启，能够有效降低因节流而造成的损失。此种配汽方式的缺点在于，调节级的受热分布均匀程度不足，部分喷嘴组会因进汽而产生损失；此外，调节级的余速基本无法利用，一旦负荷下降，高压缸内各级的温度变化存在巨大的差异。

将上述两种配汽方式整合为一个整体，形成“节流-喷嘴联合配汽”模式，不仅能够解决单一模式下的所有问题，还能够基于阀门状态管理功能，实现配汽方式的自由切换。比如，汽轮机处于负荷较低的状态，可采用节流配汽，以牺牲小部分经济效益为代价，全面提升机组设备的安全性；在负荷较高时，转换为喷嘴调节模式，提升汽轮机的运行效率。如图1所示，为喷嘴配汽汽轮机的示意图，其中，(a)为全机示意图，(b)为调节级示意图；1代表自动主汽门，2代表调节汽门，3代表喷嘴组间壁。在此基础上，在自动主汽门下方，盘整期进入汽轮机之前，设置节流装置，即可形成“节流-喷嘴联合配汽”模式，从而提高汽轮机的运行效率[2]。

图1 喷嘴配汽汽轮机示意图

图2 汽轮机节流配汽原理图

3.2 更新汽轮机启停方案

常规模式下，汽轮机的启动方式以高中压缸联合启动方式为主，启动过程包含锅炉点火、暖管冲动、转子升速暖机、并列接带负荷等；汽轮机的停机过程并非骤然完成，而是在一段时间内，各部件的工作均会逐渐停止，进汽量会逐渐降低，直至完全停止，最终关闭主汽门(各零部件的温度也会随之缓慢降低)。对汽轮机的启停过程进行梳理后，可将优化的重点放在如下方面：

(1)基于汽轮机转子在运行过程中的损耗率、寿命、受热变形情况、膨胀差值等，精确计算针对转子的温度和变化率，减小误差；

(2)进入汽轮机的温度变化率会随着机组设备放热系数的变化而变化，故将之控制在相对稳定，能量浪费幅度较小的范围之内，具备较高的可行性；

(3)对温度、膨胀差、振动等采用不超限的测点监控模式，及时发现汽轮机运行过程中的异常参数变化；

(4)盘车预热和正温差的启动过程，应该实现最佳温度匹配；

(5)在保证设备安全的前提下，需要尽可能地缩短启动时间，有效降低电能及燃料的消耗量，从整体的角度对汽轮机的运行过程进行优化；

(6)在优化期间，技术人员可以将额定参数停机模式转变为滑参数停机模式，保证各部件在停机过程中有效降温，提升设备后期的检修效率[3]。

4 结束语

基于热力学原理，新蒸汽参数越高、汽轮机排汽压力越低，热力循环的热效率便会越高。围绕此两项原理对汽轮机进行硬件改造，已经获得了成功。在此基础上，根据汽体动力学方面的三维流动理论、湿蒸汽双相流动理论；强度方面的有限元法；振动方面的快速傅里叶转换等理论，均可解决汽轮机优化运行过程中面临的材料制约问题。当单片的功率进一步提升，汽轮机的效率也会随之加强。