煤电汽轮机节能改造优化路径探析

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司 刘 锐

1 大型机组汽轮机本体节能改造概述

1.1 节能改造的基本内容

指通过改造能耗设备的结构形式、应用新的节能技术等方式，在对设备性能、安全性等方面造成较小影响的基础上，减少设备能耗的技术过程[1]。大型机组汽轮机是很多工业生产系统中的核心动力设备，受到传统技术机制的影响，多数大型机组汽轮机的能耗都较高，给生态环境造成较大不良影响。目前针对大型机组汽轮机本体的节能改造基本思路包括以下方面。

升级核心技术。即通过对汽轮机核心燃料系统、动力系统进行技术升级，减少其正常工况下的单位能耗；配置节能装置。即通过配置某种节能装置来达到优化汽轮机运行机制、降低直接能耗目的。随着节能技术的研究不断深入，各种新型节能装置及技术在大型机组汽轮机中的应用也发挥了越来越重要的作用；优化能源、动力结构。即通过对汽轮机能源结构或动力机制进行优化设计、改造，直接减少单位能耗，或通过降低能源损失、提升能源热效率等方式间接降耗。随着相关领域对机电设备运行逻辑的研究越来越深入，通过科学的汽轮机结构设计或改变油箱结构，优化供油、供电机制，都可达到节能降耗目的。

1.2 必要性

第二次工业革命至今汽轮机技术经过多轮革新，支持其运行所用到的燃料包括煤油、柴油、重油等，近年来也出现了以天然气为主要燃料的汽轮机。但无论燃料类型如何，汽轮机运行过程的高能耗问题依然存在。尤其是在发电及部分重工业领域中，大型机组汽轮机的能耗问题依然非常突出。

一方面，大型机组汽轮机的单位能耗较高，需消耗大量不可再生资源；另一方面，在大型机组汽轮机运行过程中燃料燃烧会产生大量的污染物。尤其是一些技术相对落后的汽轮机，由于燃料燃烧不充分、热转化率不高，对环境产生的负面影响更为严重。新形势下，节能环保和可持续发展已成为全球共识，我国更是将节能环保作为未来资金、技术的重点投入领域。积极推进大型机组汽轮机的节能改造，不仅有助于减少能耗、降低污染，还可对汽轮机结构、能源转化机制进行优化，进一步提升系统的运行效率，对提升社会生产力也有积极意义。

2 大型机组汽轮机本机存在的能耗问题及影响因素

2.1 能耗问题

运行效率问题。在大型机组汽轮机本机中中压缸和高压缸是最为重要的构成部分，在汽轮机组运行过程中一般中压缸和高压缸是合缸结构，内缸部分则以独立的中压内缸和高压内缸形式运行。这种结构形式下较易出现效率较低情况，导致整个机组的热耗较高。显然，汽轮机核心组件的效率不足对整个机组的运行效能都会产生不良影响。

密封性问题。大型机组汽轮机运行过程中对蒸汽的加压处理非常关键，对机组部分机构的气密性有更高要求。密封性问题的存在直接导致汽轮机出现热损失，同时也会影响蒸汽的加压效果，进而产生更高的能耗。如，大型机组汽轮机本机一般采取中压缸和高压缸结合的结构形式，而低压缸一般为对称分流式。为有效满足运行需求，中压缸和高压缸间对蒸汽进行加压加热。但受传统设计及工艺的影响，部分汽轮机调节级叶顶和叶根的气封方面存在问题，导致热量散失，同时影响加压加热效果。

内部蒸汽流通通道问题。在大型机组汽轮机本机的中压、高压缸结构中，内部通道的构造形式、空间大小需和实际生产运行需求相结合。部分汽轮机运行中，由于内部空间存在较大间隙，导致蒸汽流通速率受到影响，同时也会产生大量的热量散失。不仅会影响设备热转换效率，也会导致机组运行损耗较大；排气热损失问题。大型机组汽轮机发挥作用的关键在于对蒸汽的利用，而设备运行过程中必然会设计到排气的环节。目前大多数汽轮机排出的都是高温高热气体，意味着排气过程会产生大量的热量损失。另外由于部分大型机组汽轮机本机存在通道气密性问题，也会导致异常排气情况出现，进而产生更多的热量散失。

2.2 影响因素

在大型机组汽轮机运行过程中，较常见的能耗问题包括机组本身运行效率问题和热量损失问题，各种问题间也存在一定的联系。

单列调节级承担降焓过大。单列调节级所承担的焓降过大会产生较大的能耗问题。近年来相关领域关于大型机组汽轮机本机的技术改造中，部分方法会导致缸体压力级流通面积增大，同时调节剂压力降低，这种方式也会影响系统能耗。在大型机组汽轮机本机运行过程中，调节级承担的焓降在高压缸焓降总量中的占比为3%～30%，而单列调节级承担焓降增大时机组运行效率会降低。

调节气门节流损失过大。通常大型机组汽轮机运行在额定负荷下运行时需打开3个调节气门。但如调节气门装置出现故障或装置型号不匹配，会直接影响其节流效果。另外如操作方式不规范或出现违规行为，也会引发节流损失过大的问题。部分大型机组汽轮机本机中气门控制的喷嘴数量不合理、或存在喷嘴堵塞的情况，也会影响系统能耗。

水冷凝汽器故障。在大型机组汽轮机的整个动能结构中水冷凝汽器是较关键的装置之一，如该装置配置不合理或出现故障会导致冷却水质量不佳。如水冷凝气器密封性不足会引发蒸汽、冷却水泄露，不仅会导致直接的水资源浪费现象，还会在一些部分留下水垢。水垢的存在和不断累积会持续影响大型机组汽轮机的热效率，还可能埋下安全隐患。

3 大型机组汽轮机本机改造的基本思路和方法

大型机组汽轮机本机的节能改造需结合汽轮机实际构造、能耗机制及运行环境，从多个角度对其进行合理改造。

3.1 汽轮机机组器材改造

在大型机组汽轮机本机的节能改造中，应从机组器材及各类零部件的角度，通过优化选型和提升质量可靠性等方式，充分保证本机各装置复合设计及工艺要求。可利用三维设计技术对汽轮机内部构造进行可视化设计，了解在各种运行工况下相关器材、装置的运行状态，然后对器材进行合理改造。

如，在需解决各类阀门内漏问题中，可在设计优化端对汽轮机本机的阀门结构进行明确，通过采用质量可靠且型号对应的阀门及科学化的安装工艺，严格保证阀门密封性。同时可重点选用符合节能环保技术工艺的阀门装置，进一步改善系统运行过程的热损失问题；可在传统汽轮机的构造基础上对中压缸、高压缸进行扩容处理，以改善其流通效率，在该过程中可利用更为先进的四维汽轮机技术进一步提升机组运行的热效率。另外可对冷却凝汽器装置进行改良，提升其相关装置结构的气密性，以减少汽、水渗漏的情况，进而减少能源损失。

3.2 汽轮机凸轮结构改造

在大型机组汽轮机本机节能改造中可对凸轮机结构进行优化设计和改造。首先对高压缸调节气门进行改良，同时优化系统压力配置，将高压缸内压力控制在合理范围内以达到节能目的。然后优化高压缸气门位置，结合对凸轮机构造的改造减少气门重叠的情况。

3.3 汽轮机真空系统改造

真空系统是大型机组汽轮机本机发挥作用的关键系统，其运行过程的各类问题也是引发能耗问题的关键所在。在针对大型机组汽轮机本机真空系统的改造中，首先可通过减少空气分压力来优化系统内的压力状况，同时对蒸汽、热水中的余热进行合理回收利用，达到节能降耗的目的。随着现代技术研究的不断深入，部分大型机组汽轮机可采用部分电动或回收热量驱动的方式以减少能耗。

4 大型机组汽轮机节能改造实例分析

某发电企业配置有125MW汽轮机装置，在额定工况135MW下的热耗为8165kJ/kWh，其中高压缸效率为82.5%，中压缸效率为92.56%（其中包含约6%的阀门压力损失），低压缸效率为86.66%（其中包含约3%的排汽热损）。针对该大型机组系统中汽轮机本机的节能改造，适当提升调节级压力、降低焓降。同时基于ASME标准和机组运行情况对设备轴封进行修正，尤其是通过检查修复轴封间隙减少运行过程的热损失。另外，为有效提升机组的运行效率和能源利用率，还重点对机组调峰能力进行改造。

具体来讲，本电站机组采取的是两班制，非再热机组的调峰能力尚可，但是再热机组则较难实现调峰处置。为此在汽轮机本机内采用实心轴及高窄法兰，同时将动静叶柵的密封形式由轴向密封改造为纵向密封，增大轴向间隙、减少泄露量。通过一系列改造，让中压及高压缸差胀对运行效率的影响降低。

另外对设备原有的转子上镶气封构造改为斜平齿结构，增大低压差胀允许值。通过增大调节级过渡圆角及减少大轴沟槽宽度，以降低设备运行中应力集中的情况。基于此，机组在80%左右的负荷状态下停机8h后再次开机可快速运行至满负荷状态。另外，技术团队将汽轮机本机高压缸的材料由ZG25CrMo改造为ZG15Cr2Mo1，全面提升了缸体抗蠕变性能，进一步提升了机组的调峰性能。

在一系列改造下，经约一月的试运行分析，设备在额定工况135MW下的热耗为7966kJ/kWh，其中高压缸效率为89.6%，中压缸效率为93.17%（其中阀门压力损失降低至5.1%），低压缸效率为89.10%（其中排汽热损降低至2.3%）。

综上，应充分结合大型机组汽轮机的运行状况和能耗问题，对影响其运行效率及导致其能耗过高的原因进行全面分析。在此基础上对汽轮机本机的构造、器件、运行机制进行优化改造，以减少不必要的热损失，同时结合工业生产的实际技术需求，对汽轮机运行模式、机制进行改良，以达到全面降低机组能耗目的。