電廠集控運行汽輪機運行優化措施分析

宋 劍

(晉能控股山西電力塔山發電公司，大同 037006)

0 引 言

汽輪機又稱為蒸汽透平發動機，是一種旋轉式的蒸汽動力裝置，其作用原理為：經過鍋爐作用而生成的高溫高壓蒸汽穿過固定的噴嘴，成為加速的汽流，并噴設至葉片上時，推動裝有葉片排的轉子轉動，同時對外做功，實現蒸汽動能、機械能的定向轉化。在現代社會，城市化的深度發展要求電廠必須隨時隨地、保證保量地供應優質電能。基于電廠集控運行模式，優化汽輪機運行機制十分重要。

1 電廠集控運行管理模式的優勢分析

電廠的集控運行模式，是指對機(汽輪機)、爐(鍋爐)、電(發電機)進行統一集中式的控制管理。一般情況下，一個值設一個值長；相鄰的兩臺機組為一個單元，設置一個單元長；每臺機組設置一個機組長，下屬配置主值班員、副值班員，在必要的情況下，還會額外設置巡操員。機、爐、電均需經由主控室的集散控制系統進行操作，且每套機組處于“分開”的狀態，每兩臺機組共用一個主控室。除此之外，值班員崗位實行24小時不間斷值守，全方位控制機器進行生產作業。目前，我國發電廠集控運行模式分別設有4、5、6個班組，實行輪班制。盡管汽輪機系統運行過程較為復雜，但隨著技術的持續更新以及管理理念的提升，目前已很少采用人工操作，幾乎全面覆蓋自動化、智能化運行系統。在集控運行模式下，電、汽的輸送、停止均由主控室的值班人員統一操作，可調整的內容在于：監視鍋爐燃燒情況，保證供應至汽輪機的蒸汽處于穩定狀態[1]。

集控運行管理模式的優勢在于：

(1)使電廠的正常生產過程及原料投運、設備的啟動及停運等均處于可控狀態，發現任何問題時，能夠及時進行干預，避免出現大規模停工停產事故；

(2)為設備的定期檢修、維護作業創造安全環境(不包含對設備的直接維修)；

(3)通過輔控運行，對包含燃料、化學、除灰、脫硫在內的所有必要運行過程加以梳理，提高生產效率；

(4)對所有資源進行統一調配，一旦單臺機組出現事故時，迅速將之“斷開”，防止進一步對其他正常運行的設備造成影響。

2 汽輪機運行過程中的常見故障及解決方式

對汽輪機運行過程中的常見故障進行全面梳理、總結，找出解決方式，能夠提升汽輪機的運行效率。

2.1 汽輪機汽缸漏汽

造成汽輪機汽缸漏汽的原因較多，可進行如下劃分：

(1)汽缸采用鑄造工藝制造而成，出廠后需進行時效處理(將之存放一段時間后方可投入使用)，目的在于完全消除鑄造產生的內部應力。部分汽輪機應用的汽缸放置的時間較短，導致應用期間因發生形變而漏汽。解決方式在于，電廠購入汽輪機或是在定期維護時，技術人員必須格外注意汽缸是否變形，使用合格的產品，避免漏汽現象。

(2)在安裝或檢修的過程中，由于檢修工藝和檢修技術的原因，導致內缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運行后產生巨大的膨脹力使汽缸變形。解決方式在于：安裝或檢修期間，技術人員需對各處的膨脹間隙進行充分預估，留足空間，防止因巨大的膨脹壓力導致汽缸發生形變漏汽。

(3)汽缸螺栓緊固的順序出現錯誤。常規的順序為，自中間開始，向兩邊同時緊固，即由垂弧最大處或受力變形最大處開始擊鼓，從而使最大變形處的間隙向汽缸前方或后方的自由端轉移，使得間隙逐漸消失；如果采用自兩端開始，逐漸向中間旋緊的方式，間隙會朝向中間地帶“積壓”，在外力的不斷作用下，汽缸結合面會出現拱形的間隙空間，極大地提升蒸汽泄漏幾率。解決方式在于，所螺栓緊固的順序必須嚴格按照相關規定執行，避免任何“反向操作”。

2.2 裂紋滲漏

在集控運行管理模式下，不同的設備看似處于“有條不紊”的運行狀態，但汽輪機等液壓設備幾乎每時每刻都在承受較大的外部壓力及震動力。加之汽輪機設備的鑄造材質為鑄鐵，鑄造過程無法精確查找到所有鑄造方面的缺陷。基于此種前提條件，隨著滿負荷時間的累積，汽輪器殼體的薄弱部位會逐漸產生砂眼滲漏及裂紋滲漏現象，導致設備性能下降，直至完全無法正常開展工作。此外，蒸汽、液壓油的泄漏會導致電廠生產車間的危險系數呈現出跨越式提升的態勢，極大地增加安全隱患，嚴重威脅電廠的安全連續化生產。

解決該問題的核心思路在于，電廠管理人員必須將工作做在前面，如果僅僅依靠傳統的焊補工藝，對汽輪機殼體的裂紋處進行修復，理論上并不具備可行性。正確的做法在于，使用高分子復合材料，在現場開展修復作業。以火化橡膠、硝化纖維塑料為代表的材料具備強度高、質量輕、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、絕熱等特點，憑借其良好的機械性能及粘結力，可以在極短時間內完成對裂紋處的修補，并延長設備的使用壽命，提升其運轉效率。

3 電廠集控運行汽輪機運行的優化措施分析

3.1 圍繞汽輪機的配汽方式進行優化

造成汽輪機運行效率低的一個關鍵原因在于，運行過程中損失了大量可以避免的能耗，故對傳統復合型汽輪機配汽方式進行全面梳理并優化，是一種可行性較高的方案。傳統的配汽方式為：①節流配汽，原理為使進入汽輪機的所有蒸汽均需經過一個或多個同時啟動/關閉的調節閥；其中，第一級為全周進汽，沒有調節級。此種配汽方式的結構相對簡單，且啟動或改變復合時，第一級的受熱十分均勻，溫度變化幅度較小，產生的熱應力也十分有限。但該方式的缺點在于，處于低負荷狀態時，因節流而造成的損失極大。②噴嘴配汽，原理在于將第一級分為3～6個噴嘴組，各組之間具備一定的間隙，處于“隔開”狀態；各自配備一個調節汽門控制裝置。在蒸汽進入汽輪機的過程中，各噴嘴組依次開啟，能夠有效降低因節流而造成的損失。此種配汽方式的缺點在于，調節級的受熱分布均勻程度不足，部分噴嘴組會因進汽而產生損失；此外，調節級的余速基本無法利用，一旦負荷下降，高壓缸內各級的溫度變化存在巨大的差異。

將上述兩種配汽方式整合為一個整體，形成“節流-噴嘴聯合配汽”模式，不僅能夠解決單一模式下的所有問題，還能夠基于閥門狀態管理功能，實現配汽方式的自由切換。比如，汽輪機處于負荷較低的狀態，可采用節流配汽，以犧牲小部分經濟效益為代價，全面提升機組設備的安全性；在負荷較高時，轉換為噴嘴調節模式，提升汽輪機的運行效率。如圖1所示，為噴嘴配汽汽輪機的示意圖，其中，(a)為全機示意圖，(b)為調節級示意圖；1代表自動主汽門，2代表調節汽門，3代表噴嘴組間壁。在此基礎上，在自動主汽門下方，盤整期進入汽輪機之前，設置節流裝置，即可形成“節流-噴嘴聯合配汽”模式，從而提高汽輪機的運行效率[2]。

圖1 噴嘴配汽汽輪機示意圖

圖2 汽輪機節流配汽原理圖

3.2 更新汽輪機啟停方案

常規模式下，汽輪機的啟動方式以高中壓缸聯合啟動方式為主，啟動過程包含鍋爐點火、暖管沖動、轉子升速暖機、并列接帶負荷等；汽輪機的停機過程并非驟然完成，而是在一段時間內，各部件的工作均會逐漸停止，進汽量會逐漸降低，直至完全停止，最終關閉主汽門(各零部件的溫度也會隨之緩慢降低)。對汽輪機的啟停過程進行梳理后，可將優化的重點放在如下方面：

(1)基于汽輪機轉子在運行過程中的損耗率、壽命、受熱變形情況、膨脹差值等，精確計算針對轉子的溫度和變化率，減小誤差；

(2)進入汽輪機的溫度變化率會隨著機組設備放熱系數的變化而變化，故將之控制在相對穩定，能量浪費幅度較小的范圍之內，具備較高的可行性；

(3)對溫度、膨脹差、振動等采用不超限的測點監控模式，及時發現汽輪機運行過程中的異常參數變化；

(4)盤車預熱和正溫差的啟動過程，應該實現最佳溫度匹配；

(5)在保證設備安全的前提下，需要盡可能地縮短啟動時間，有效降低電能及燃料的消耗量，從整體的角度對汽輪機的運行過程進行優化；

(6)在優化期間，技術人員可以將額定參數停機模式轉變為滑參數停機模式，保證各部件在停機過程中有效降溫，提升設備后期的檢修效率[3]。

4 結束語

基于熱力學原理，新蒸汽參數越高、汽輪機排汽壓力越低，熱力循環的熱效率便會越高。圍繞此兩項原理對汽輪機進行硬件改造，已經獲得了成功。在此基礎上，根據汽體動力學方面的三維流動理論、濕蒸汽雙相流動理論；強度方面的有限元法；振動方面的快速傅里葉轉換等理論，均可解決汽輪機優化運行過程中面臨的材料制約問題。當單片的功率進一步提升，汽輪機的效率也會隨之加強。