電廠汽機熱力系統運行的優化研究

王廣智

（國能吉林龍華熱電股份有限公司白城熱電廠，白城 137000）

隨著能源成本的不斷上升和環保法規的日趨嚴格，電廠對于熱力系統效率的提升有著迫切的需求。汽機作為電廠中的關鍵熱力設備，其運行效率直接影響整個電廠的經濟性和環境友好度。傳統的熱力系統設計存在一定的局限性，在實際運行中無法完全滿足現代化高效率、環保的要求。優化電廠汽機熱力系統，不僅可以提高能源利用率，還能夠減少溫室氣體排放，具有非常重要的理論意義和現實價值。

1 電廠汽機熱力系統的優化因素

電廠汽機熱力系統的運行優化非常復雜，其核心目標在于提高能效、降低運行成本以及確保系統的可靠性和安全性。實現這些目標需綜合考量各種技術參數與操作策略，其中調整汽機內部的工作流體參數（如溫度、壓力和流量）對于整體效率有直接影響。例如，通過調節過熱蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度保持最佳的熱經濟性，不僅能夠減少燃料消耗，也能延長部件的使用壽命[1]。穩定的凝汽器背壓同樣關鍵，它直接影響汽輪機的排氣狀態和循環效率，與乏熱利用和冷卻水系統的設計與運行密切相關。

除調整具體的運行參數外，汽機熱力系統優化還可以通過實時監測和智能控制來實現。現代電廠利用先進的傳感器、數據采集與分析技術，精確監控關鍵設備的運行狀態。基于此數據，應用算法可以預測和診斷系統潛在的性能退化及故障，實時調整操作模式以達到最優狀態。例如，通過實施綜合熱網優化策略，根據外網需求動態調節發電機組負荷分配和汽輪機抽氣量，實現熱電聯產的最優匹配，既滿足用戶熱負荷又確保電站的經濟運行。此外，優化運行中要注意設備本身的維護和改造。對老舊設備進行技術更新，選擇更高效的換熱器和泵類設備，能夠在一定程度上降低系統整體的能耗和排放。

2 汽輪機與發電機組匹配改進

在電廠汽機熱力系統中，汽輪機與發電機組的匹配是影響整體效率的重要因素。匹配改進工程通常著眼于兩者之間能量轉換的有效性和協同工作的和諧性。汽輪機設計優化需要考慮葉片的幾何形狀、材料選擇及其對蒸汽流動路徑的引導效率，從而確保在不同的功率輸出需求下都能實現最小的能量損失。例如，通過采用三維流動仿真軟件，工程師能夠模擬并優化葉片設計，以達到最佳的氣動性能和強度特性[2]。同時，提升軸承和密封部件的精細度和耐磨性，有助于降低摩擦損耗和熱耗散。

調整汽輪機與發電機組之間的協同性，涉及系統的綜合調節。通過精確控制汽輪機出口的蒸汽壓力和溫度，可以更好地適應發電機組的負荷變化，實現能量轉換的最大化。發電機參數的調整必須同步，使其能夠靈活響應汽輪機發生的動態變化，提高電能質量和供電穩定性。當發電機以最接近設計負荷的運行狀態持續工作時，整個系統的能源利用率便達到最高。綜合考量汽輪機的熱力特性與發電機的電氣特性，并對二者進行合理搭配，是持續提升電廠整體效率的關鍵。這一過程需要兼顧維護周期和零部件更替頻率，以延長設備的使用壽命，降低長期運營成本。采用三維流動仿真軟件進行汽輪機與發電機組匹配改進分析，如表1 所示。

表1 汽輪機與發電機組匹配改進分析

3 汽機熱力系統的系統能效優化

3.1 機組能效優化

機組能效優化是電廠汽機熱力系統管理的關鍵環節，直接關系到電廠的經濟效益，對環境保護和資源節約也具有重要意義。實現此目標需要深入剖析機組運行的各個方面，以尋求改進點。例如，通過優化汽輪機的缸間溫差控制，可以有效降低不可逆損失，提升循環效率。精確調節各級蒸汽的壓力和溫度，使其維持在理想狀態，有助于發揮設備的最佳性能。為降低熱量損失，要嚴格監控穿堂風、漏風、漏氣等非效率因素。在實際應用中，低效運行造成的能量浪費在整個系統的能源消耗占比中不容忽視。

此外，可以采用先進的凝汽器清潔技術。例如，在線清洗或高效換熱材料的應用能夠顯著提高熱交換效率，降低背壓，提升整個機組的工作效率。除機械改進外，還可以引入高精度的控制系統對機組進行實時監控和優化調度，旨在動態匹配電網需求和設備運行狀態。通過虛擬仿真和預測模型，可以在不影響設備壽命的前提下推動機組實現其能效極限。只有充分了解電廠汽機熱力系統知識，才能在不斷變化的市場環境中將機組能效發揮到極致。

3.2 疏水系統能效優化

疏水系統是電廠汽機熱力系統的基本組成部分。它通過移除積聚在系統中的冷凝水，保障設備的運行效率和安全。優化疏水系統的能效涉及減少疏水系統的能量損耗，確保蒸汽盡可能地被用于功率轉換而非疏水過程。可以通過改進疏水裝置的設計，引入疏水回收利用技術，實現能源的再循環利用。例如，采用可變壓力控制的疏水泵能夠根據負載變化自動調整流量和壓力，從而使系統運行更接近最優工況，減小不必要的動能損失。

為了深入優化疏水系統，還需要精細管理系統中各個環節的熱能流動，定期評估疏水設備的性能，從而減少系統隱患。使用智能化監測設備，如溫度傳感器和流量計，實時跟蹤和監測系統內熱能流動，能夠及時發現和糾正操作中的偏差。大數據分析和機器學習算法能夠輔助進行疏水系統行為的模式識別，預測維護需求，避免因故障導致的能效損失。系統性能優化需要注意疏水系統的每個細節，維持其高效運轉，真正實現汽機熱力系統的能效最優化。

3.3 軸封系統和輔助蒸汽系統優化

軸封系統在汽輪機中承擔著防止蒸汽泄漏、保證工作效率的任務。優化軸封系統先要保證軸封的密封性能，這關系到整個系統的熱效率和安全性。傳統的碳環密封雖然普遍使用，但是摩擦損耗大，維護成本高，因此更多電廠傾向于采用干氣封技術[3]。干氣封具有低泄漏率和低維護需求的特點，在確保密封效果的同時大幅降低了機組運行的能耗。精細調節軸封供氣壓力和流量以匹配運行工況，配合實時監控系統檢測軸封表面溫度和泄漏率等參數，可以最大限度減少額外的能量消耗，優化軸封系統的總體性能。

輔助蒸汽系統主要服務于疏水系統、預熱系統及其他不參與主循環但是對功率輸出有影響的系統。提高輔助蒸汽系統的能效需要從源頭優化透平展開工作，合理調配從汽輪機抽取的蒸汽量，以減少對主循環的影響。將系統設計為在任何可變工況下均有良好表現而非僅在特定負載下效率最優，是當前優化策略的方向。通過增加輔助蒸汽系統的再熱回路，可回收部分熱能，進一步降低系統對外界能源的依賴。

4 系統運行操作優化

4.1 機組啟動優化

優化電廠汽機的啟動流程，不僅關乎設備壽命的延長和安全性的提升，更是提升系統整體運行效率的重要一環。汽輪機的啟動過程復雜，需要精確控制多個系統參數，并形成預定的啟動曲線，包括缸內金屬溫度梯度、軸承負荷、轉速等多個關鍵點[4]。啟動優化的核心目標是減少熱應力，避免由于溫度變化引起機械應力超過材料許用值而損害元件。漸進式熱膨脹操作可以有效控制發電機組各部件的溫度差，緩解熱應力累積。此外，動態調整啟動加熱流程，按照實時反饋數據修正加熱策略，確保發電機組在最佳溫差控制下啟動，是有效提升效率、節約燃料消耗的關鍵。

現代控制技術如模糊邏輯控制和自適應控制，在機組啟動中的應用比較普遍。結合實時數據分析能夠為操作人員提供最優的啟動方案建議，其中包括管道預熱、轉子和殼體熱脹差異的控制、同步加速到額定轉速等步驟的詳細指導，不但縮短了啟動時間，保障了設備的平穩運轉，還大大減少了因操作不當造成的能量浪費。同時，配備高精度的傳感器監測系統每一個環節，從渦輪轉速到壓力閥門的開啟程度，不斷收集數據反饋至中央控制系統。通過數據挖掘與機器學習算法提煉有用信息，并實時調整工作參數，使得啟動過程更智能、更精細、更經濟。

4.2 氣泵啟動優化

隨著節能技術的發展，變頻驅動技術對于調節泵速尤為重要，使氣泵系統能夠根據實際運行需求動態調整功率，實現能源浪費最小化。結合先進的傳感器和實時監控系統可以實時并全面地采集氣泵的運轉條件數據，運用智能控制算法實時優化啟動過程，包括對泵內壓力、溫度以及流量的精準控制。通過對這些參數的精細調整，能夠確保氣泵在承受最小應力的同時實現最快的啟動，并維持系統整體的高性能運行[5]。高精度傳感器的使用還有助于檢測和預防潛在的設備故障，延長設備壽命，通過避免非預期停機來減少能耗。操作項目優化分析，如表2 所示。

表2 操作項目優化分析

5 結語

電廠汽機熱力系統的運行優化對提升電廠的經濟效益和環境效益具有重要作用。目前，電廠汽機熱力系統優化的主要策略包括對汽輪機與發電機組的精確匹配、機組能效的精細管理、疏水系統的高效回收利用以及軸封系統和輔助蒸汽系統的先進維護手段。另外，系統運行操作優化，如機組和氣泵啟動過程的優化，是確保電廠熱力系統快速響應和長期穩定運行的關鍵。