汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化

李智華

【摘? 要】電力對人們的生產(chǎn)生活影響越來越大，為了保障電力的供應(yīng)以滿足人們生產(chǎn)生活的需要，發(fā)電企業(yè)要保障發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的長期性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。汽輪機(jī)作為發(fā)電廠中最重要的設(shè)備，它的運(yùn)行效率的高低直接影響了發(fā)電廠的發(fā)電效率。為提高汽輪機(jī)效率，本文從汽輪機(jī)相對內(nèi)效率及循環(huán)熱效率兩方面分析。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī);熱力系統(tǒng);性能分析;優(yōu)化

1 汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)性能介紹

汽輪機(jī)是一種機(jī)械裝置，這種裝置的主要作用是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。汽輪機(jī)具有很多的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，降低成本，汽輪機(jī)的功率越大，越能夠?qū)⒄羝芰孔優(yōu)闄C(jī)械能，減少發(fā)電廠等企業(yè)的成本投入;第二，增加收益。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于電能的需求在不斷增加，這樣就對發(fā)電廠提出了新的更高的要求，發(fā)電廠利用汽輪機(jī)可以提升發(fā)電的效率，增加自身的效益。正是由于汽輪機(jī)具有這些特點(diǎn)，因此汽輪機(jī)在發(fā)電廠中的應(yīng)用越來越廣泛。

2影響汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的因素

2.1安裝因素對汽輪機(jī)熱效率的影響

汽輪機(jī)是以蒸汽為動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此汽輪機(jī)在將蒸汽能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的過程中會(huì)出現(xiàn)多種形式的能量損失，主要的有以下幾種：蒸汽在推動(dòng)汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中損失的能量，蒸汽離開葉片時(shí)損失的能量，蒸汽與汽輪機(jī)摩擦損失的能量，由于汽輪機(jī)零部件安裝不合理導(dǎo)致蒸汽泄露損失的能量等。這些能量的損失嚴(yán)重影響到汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。影響汽輪機(jī)熱效率提高的因素有多種，其中安裝因素占了很大的一部分，主要包括：汽輪機(jī)各個(gè)零件間的間隙，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的性能，控制汽輪機(jī)運(yùn)行的各個(gè)系統(tǒng)間的配合，汽輪機(jī)中汽缸的保溫效果，操縱汽輪機(jī)運(yùn)行的操作人員的能力等。在影響汽輪機(jī)熱效率提高的各個(gè)因素中，汽缸效率的高低是由安裝人員的安裝質(zhì)量來決定的。

2.2蒸汽參數(shù)對汽輪機(jī)熱效率的影響

2.2.1主蒸汽溫度對汽輪機(jī)熱效率的影響

汽輪機(jī)在工作的過程中，主蒸汽溫度的波動(dòng)對汽輪機(jī)運(yùn)行的熱效率、穩(wěn)定性和安全性都有很大的影響。主要原因有在以下幾個(gè)：第一，蒸汽溫度的下降使得蒸汽的濕度增加，導(dǎo)致蒸汽對葉片的沖擊增大，使葉片的壽命降低，造成汽輪機(jī)熱效率的下降;第二，蒸汽溫度下降時(shí)，如果要保持汽輪機(jī)葉片的負(fù)載不變，則蒸汽的流量必須增加，蒸汽流量的增加使得蒸汽的消耗會(huì)變大，導(dǎo)致汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型和熱效率降低;第三，主蒸汽溫度下降會(huì)使汽輪機(jī)各個(gè)零件間的溫差變大，汽輪機(jī)各級(jí)零件的反作用力增加，對軸的作用力增大，引起汽輪機(jī)中金屬零件的熱變形，機(jī)組的振動(dòng)增大，影響汽輪機(jī)的穩(wěn)定性和熱效率。

2.2.2主蒸汽壓力對汽輪機(jī)熱效率的影響

在汽輪機(jī)日常運(yùn)行的過程中，必須重視汽輪機(jī)組主蒸汽壓力的變化。主蒸汽壓力的變化不僅會(huì)對機(jī)組的熱效率造成影響，而且容易導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。在主蒸汽溫度不變的情況下，如果主蒸汽壓力不斷升高會(huì)造成蒸汽濕度的變大，使葉片的工作條件發(fā)生改變，葉片沖擊加劇。對汽輪機(jī)組來說，主蒸汽壓力每提高1兆帕，蒸汽的濕度會(huì)增加百分之四左右。主蒸汽壓力的升高還容易導(dǎo)致葉片負(fù)荷的增加，引起汽輪機(jī)主要的承壓部件的熱應(yīng)力增加，使零件發(fā)生熱變形甚至損壞，嚴(yán)重縮短汽輪機(jī)零部件的使用壽命。

3提高汽輪機(jī)相對內(nèi)效率及循環(huán)熱效率

3.1提高汽輪機(jī)相對內(nèi)效率

汽輪機(jī)相對內(nèi)效率為蒸汽有效焓降與理想焓降之比，是汽輪機(jī)通流部分工作狀況的重要指標(biāo)。其影響因素有噴嘴損失、動(dòng)葉損失、余速損失、葉高損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)汽損失、漏汽損失、濕汽損失。下面從兩個(gè)方面來討論：①汽輪機(jī)通流部分間隙、端部軸封徑向間隙要合適：設(shè)備安裝時(shí)要考慮汽封塊與隔板套相應(yīng)槽密封面的配合情況，防止機(jī)組投運(yùn)后由于密封面不嚴(yán)密造成漏汽現(xiàn)象，上一級(jí)蒸汽沒有全部利用就進(jìn)入下一級(jí)，降低了效率。加強(qiáng)對汽封齒完整性檢查，不能有倒伏及缺損現(xiàn)象。檢查支撐彈簧調(diào)整是否合適、材質(zhì)是否符合設(shè)計(jì)要求，否則在高溫狀況下彈簧力減弱，汽封間隔增大，做功蒸汽減少，降低了效率。通流部分應(yīng)減少軸封漏汽、隔板汽封漏汽來提高汽輪機(jī)相對內(nèi)效率，蒸汽應(yīng)盡可能在葉片流道通過，而不是繞過葉片或從轉(zhuǎn)子端部漏出。因此，動(dòng)葉與汽缸之間以及靜葉與轉(zhuǎn)子之間的徑向間隔應(yīng)盡可能小，汽封封住轉(zhuǎn)子兩端使蒸汽腔室與外界隔絕，同時(shí)汽缸內(nèi)部汽封也封住汽輪機(jī)內(nèi)部不同壓力的蒸汽腔室。但為了機(jī)組首次啟動(dòng)成功，汽封間隙盡可能高。因此，調(diào)整汽封間隙時(shí)既要保證動(dòng)靜之間不產(chǎn)生摩擦，又要考慮電廠經(jīng)濟(jì)性。②采用多級(jí)汽輪機(jī)：多級(jí)汽輪機(jī)相對內(nèi)效率明顯提高，原因如下：（1）、多級(jí)汽輪機(jī)中每一級(jí)的焓降不需要很大，因此保證各級(jí)在最佳速比附近工作。（2）、多級(jí)汽輪機(jī)級(jí)的余速動(dòng)能可以全部或部分地被下一級(jí)利用，減少了余速損失。（3）、多級(jí)汽輪機(jī)級(jí)的焓降較小，可以采用漸縮噴嘴，從而不采用難以加工、效率較低的縮放噴嘴。（4）、當(dāng)級(jí)的焓降較小時(shí)，根據(jù)最佳速比的要求，可相應(yīng)減小級(jí)的平均直徑，從而可適當(dāng)增加葉柵高度，減小葉高損失。（5）、多級(jí)汽輪機(jī)具有重?zé)岈F(xiàn)象。且多級(jí)汽輪機(jī)可以采用較高的進(jìn)汽參數(shù)和較低的排汽參數(shù)，還可以采用回?zé)嵫h(huán)和再熱循環(huán)，使循環(huán)熱效率大大提高。

3.2提高循環(huán)熱效率

⑴提高蒸汽初參數(shù)，降低蒸汽終參數(shù)。當(dāng)主蒸汽壓力不變時(shí)，提高新蒸汽溫度會(huì)使平均吸熱溫度增高，使循環(huán)熱效率提高，同時(shí)由于進(jìn)汽比容增大和排汽濕度減少，汽輪機(jī)的內(nèi)效率也有所提高。但提高新蒸汽溫度受到金屬材料性能限制，其允許的最高極限值為565℃左右。且在一定的蒸汽初壓和乏汽壓力下，提高蒸汽初溫使汽輪機(jī)做功增加，但凝汽器中的熱損失也增加了。在一定的蒸汽溫度下，提高壓力也可提高循環(huán)熱效率，但過高的進(jìn)汽壓力會(huì)導(dǎo)致排汽濕度增大，不但會(huì)增大濕汽損失，降低汽輪機(jī)的內(nèi)效率，而且會(huì)加劇低壓部分葉片的沖刷腐蝕，另外，進(jìn)汽壓力過高會(huì)導(dǎo)致汽缸承壓部件應(yīng)力過高。在新蒸汽參數(shù)相同的情況下，降低汽輪機(jī)的背壓會(huì)使平均放熱溫度降低，循環(huán)熱效率提高。降低背壓一方面受冷卻水溫限制，另一方面將使排汽比容增大，汽輪機(jī)末級(jí)葉片和凝汽器的尺寸相應(yīng)增大，增加投資。因此，必須選用合理的背壓。

⑵采用再熱循環(huán)

前面提到乏汽濕度過高不僅對未級(jí)葉片產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕，而且使汽輪機(jī)內(nèi)效率降低。而采用中間再熱循環(huán)可解決這一問題，將汽輪機(jī)的高壓部分已膨脹做功的蒸汽全部從汽輪機(jī)中引出，送至鍋爐再熱器中再次加熱，然后再引回汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。采用中間再熱能起到與提高主蒸汽溫度同樣的效果，又能降低排汽的濕度，而且蒸汽所做的功增加了，汽耗率下降，末幾級(jí)葉片高度可減小。汽輪機(jī)采用一次中間再熱，一般可使機(jī)組的熱效率提高5%，但采用再熱會(huì)增加設(shè)備費(fèi)用，因此一般100兆瓦以上汽輪機(jī)才采用再熱循環(huán)。

⑶采用給水回?zé)嵫h(huán)

在純凝汽式汽輪機(jī)熱力循環(huán)中，新蒸汽熱量只有30%在汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ溆嗟?0%熱量隨乏汽進(jìn)入凝汽器，在凝結(jié)過程中被循環(huán)水帶走。采用給水回?zé)嵫h(huán)，將部分已在汽輪中膨脹做功的蒸汽從汽輪機(jī)中抽出，并用這部分蒸汽來加熱鍋爐給水。與純冷凝循環(huán)相比，汽耗率增加了，但循環(huán)熱效率提高了，因?yàn)閺钠啓C(jī)中抽出來的那部分蒸汽的熱能完全被用來加熱給水，不再產(chǎn)生冷源損失，進(jìn)入凝汽器的熱量相應(yīng)減少了。

4結(jié)論

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展以及國家各行各業(yè)對電力能源需求的日益增加，對于一個(gè)電力運(yùn)行企業(yè)而言，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及各項(xiàng)指標(biāo)的同行業(yè)領(lǐng)先性成為了電廠生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。為此，要提升汽輪機(jī)熱效率，做好各環(huán)節(jié)的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔德豐，張中瓊.淺談?dòng)绊懫啓C(jī)熱效率的安裝因素和處理方法[J].電氣工程與自動(dòng)化，2011（18）.

（作者單位：廣西博世科環(huán)保科技股份有限公司）