發電廠汽輪機及其輔機設備節能技術探析

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司 王少東

發電廠早期型號汽輪機配備梳齒式汽封結構，存在安裝間隙大、密封效果不佳的局限性，限制汽缸運行效率提升，后續本單位將梳齒式汽封結構更換為F 型汽封和側齒汽封結合的全新結構形式，調節各處汽封間隙值。側齒汽封是在迷宮汽封節流過程以外再加上渦街阻汽過程，使蒸汽產生小渦流形成渦街。蒸汽進入汽封齒后面的汽室，產生具有動能的渦街并相互碰撞摩擦，使動能全部消耗轉化為熱能，蒸汽流速轉化為渦街流速，一方面使流出汽室的氣流速度降低、一方面使外部高壓蒸汽進入汽室的能力降低，密封效果顯著提高、降低了汽封漏氣，通過改善汽封密封效果來提升汽缸運行效率、減少機組熱耗值[1]。

1 發電廠汽輪機及其輔機設備的節能改造技術要點

1.1 汽輪機缸效提升改造

本單位在汽輪機缸效提升改造環節以汽封結構作為改造重點，徹底解決原有汽封結構軸封和汽封間隙過大問題，根據機組情況與節能改造要求來選擇恰當的汽封結構，包括蜂窩汽封、布萊登汽封、側齒汽封、接觸式汽封、刷式汽封。

蜂窩汽封。以隔板汽封或是中低壓葉頂汽封作為改造部位，原位更換為蜂窩汽封，在汽流通過汽封時憑借阻力來改變汽流方向，再把汽流引入蜂窩帶出現渦流現象，取得流動阻尼效果。蜂窩汽封具備除濕功能，適用于現場環境較為潮濕的發電廠項目，但卻存在汽封磨損速度快的局限性，需要加強維護保養力度，定期更換全新汽封部件與處理轉子抱死等故障問題。

布萊登汽封。以高壓缸隔板作為改造部位，利用彈簧彈力、汽封前后蒸汽壓力差平衡力等多重作用力來調節汽封間隙值，實時感應汽輪機組運行工況和自調節密封間隙值，取得理想密封效果。同時此類汽封對蒸汽品質和汽輪機前后壓差有著嚴格要求，不適用于中低壓部位。

側齒汽封。任何部位都可以作為改造位置，在原有梳齒汽封結構基礎上，在高齒側面增設1～2道軸向階梯形短齒，控制汽流在周邊形成渦流，起到阻攔蒸汽流動的作用，有著易于實現、成本低廉的優勢，但無法徹底解決因過度磨損而增加汽封間隙值的問題。

接觸式汽封。以汽輪機軸端汽封最外側作為改造位置，在汽封塊中間部位鑲嵌密封片，保持密封片和軸端直接接觸狀態，利用彈簧壓力驅使密封片自動退讓，可以有效預防負壓區形成，但是對汽封材料強度有著嚴格要求，并且在摩擦期間持續產生熱量。

刷式汽封。以高壓、中壓或是低壓缸軸封處作為改造位置，拆除原有高齒部件，原位更換金屬刷式密封調，密封條高度略大于高齒高度，后續在機組運行期間憑借密封條刷絲束來取得風阻效果，由于刷絲具備彈性，可充分適應機組轉子瞬態跳動狀態，但此類汽封的采購成本較為高昂，多用于高規格發電廠項目[2]。

1.2 低壓缸排汽通道改造

早期型號汽輪機普遍選擇在排汽通道內部設置多臺低壓加熱器，配備抽汽管道與支撐鋼架，這會明顯增加低壓缸排汽阻力，由此引發排汽場汽流分配不均、渦流場、真空度低下等連鎖問題出現。對此需對低壓缸排汽通道進行改造，本單位在通道內部額外設置多干排汽導流板，以支撐管上部作為排汽導流板安裝位置，并把排汽通道直角部位變更為圓弧過渡部位。其作用是改變流體的流向，以達到改變傳動蒸汽動能的方向和大小的目的。加裝導流板后可回收低壓缸排氣的動能，使動能轉變為壓能，充分利用排氣余速，減少流動損失。如此可以顯著降低低壓缸排汽阻力系數，提升凝汽器換熱效率。

1.3 低壓缸導汽管彎頭改造

傳統型號汽輪機普遍采取多節型焊接彎頭作為低壓缸導汽管彎頭，此類彎頭的結構型式較為特殊，在汽輪機組投運使用期間會在彎管內部出現明顯的工質流動局部受阻現象，實際動能損失量遠超正常水準，進而降低了汽輪機缸效值，對此需對低壓缸導汽管彎頭進行換型改造[3]。

本單位利用停機檢修時提前準備若干數量的大型熱壓一體彎頭，檢查彎頭壁面光滑程度，清理表面灰塵銹跡與修補缺陷部位，隨后拆除原有的多節型焊接彎頭，原位安裝大型熱壓一體彎頭，更換完畢后向汽輪機通電開展調試作業，驗證各項使用功能與彎頭內部工質流動情況是否達到預期要求，改造后可提高進出口流量均勻度。進出口流量均勻度對低壓缸的效率著重要的影響，通過優化進出口的設計和增加流量控制裝置，可使進出口流量更加均勻，以減少能量損失。

1.4 水塔噴淋裝置噴頭改造

發電廠老舊型號的水塔噴淋裝置普遍采取反射淋水盤式噴頭，此類噴頭存在淋灑面積小、存在過多盲區、散熱效果不佳、霧化能力薄弱等局限性，實際冷卻效果并未達到預期，使得循環冷卻水的實際溫度高于理想溫度，會削弱凝汽器換熱效果，致使汽輪機組長期處于低效運行狀態。對此需對水塔噴淋裝置噴頭進行節能改造，以更換噴頭種類作為改造內容，可使用無軸承旋轉式陀螺淋水盤噴頭來取代原裝噴頭。

根據本單位汽輪機組改造后運行情況，新型噴頭有著結構簡單、體積小、無噴灑盲區、有效噴淋面積大的優勢，可顯著改善循環冷卻水散熱效果與凝汽器真空度，把循環冷卻水水溫始終控制在合理范圍內，不會因水溫過高對機組整體運行效率造成負面影響。

1.5 水環真空泵改造

真空泵是發電廠汽輪機組的重要組成部分，由水環、泵體、吸氣腔、排汽腔等部件組成，負責在汽輪機組啟動期間持續維持凝汽器真空度，持續排出凝汽器外側不溶于凝結水的氣體。根據實際運行情況來看，水環式真空泵控制工作液在泵組內部密閉循環流動，在抽氣混合加熱、泵輪高速攪拌等因素影響下，工作液溫度隨時間推移而持續提高，最終在超出入口負壓飽和溫度后在內部出現汽化現象，使得真空泵降低出力，嚴重時還會導致真空泵停機失效，需額外配備冷卻系統和定期補注冷卻工作液，方可滿足汽輪機組工作需要[4]。

本單位以水環泵真空泵作為節能改造對象，以提升凝汽器真空度和提升汽輪機組運行經濟性作為改造目標，在真空泵冷卻系統內引入深井冷卻水，以開式冷卻真空泵和末端冷卻器的間隔部位作為深水井管道接入節點。如此，在系統運行期間持續檢測冷卻水溫度，如果開式冷卻水溫度超過規定標準則開啟水閥來投入深井水，將深井水作為補充冷卻水，以此來調節水源溫度、工作液溫度和改善真空泵出力情況。

1.6 循環水系統改造

發電廠汽輪機普遍采取二次循環供水形式，系統結構由凝汽器、自然通風冷卻塔組成，不但負責持續提供冷卻用水，還負責向其他輔助設備提供開式冷卻水。在循環水系統運行期間，使用中水作為補充水源，中水本身會含有一定的雜質，如懸浮顆粒物、膠凝物體等。所安裝轉刷式清污機僅能濾除循環水所含的大體積雜質，無法完全濾除塑料薄膜、水塔填料碎片等小體積雜質，此類雜物進入凝汽器后容易堵塞換熱管，進而降低換熱效率與增加凝汽器端差。

對此，需在轉刷式清污機后端位置加裝二次濾網，二次濾網系統由旋轉濾網、排污閥門、管道等部分組成，在清污機濾除大體積雜質后開啟排污閥門，利用網芯內外水壓差，使用旋轉濾網對循環水進行二次過濾，濾除剩余的泥沙、懸浮物等小體積雜質，二次過濾完畢后把出口壓差恢復至正常水準。重復上述操作自動完成循環水過濾任務，并由工作人員定期清理濾網，重點清理濾網表面沉積物，以此來提高過濾效率、保障過濾效果。

1.7 凝汽器抽真空系統改造

原有汽輪機組以水環真空泵作為抽真空系統的核心設備，負責在機組啟動、運行期間持續開展抽真空作業，水環真空泵在投運使用期間暴露出運行噪音分貝值超標、夏季工作液溫度過高、異常振動等多項問題，泵機入口轉子部位頻繁出現汽蝕缺陷等質量通病，還有可能引發真空保護動作跳機等安全事故出現。因此須對凝汽器抽真空系統進行節能改造。本單位采取蒸汽噴射抽真空方式，加裝一級或是二級蒸汽噴射器，抽真空系統運行期間憑借高速流動狀態下的動力蒸汽，持續把凝汽器內部不溶于水的氣體和動力蒸汽相互混合處理后再通過噴射器出口向外排出，排汽經由管道排入冷凝器，經過冷卻處理作為疏水，將其回收到凝汽器熱井中循環使用。

同時，在凝汽器喉部下端增加除鹽水噴淋系統，由霧化的除鹽水與凝汽器內的乏汽充分混合，霧化水吸收汽輪機排氣的熱量，降低上部排汽的溫度，排汽體積急劇縮小，原來被蒸汽占據的空間形成了高度真空；在汽輪機排汽口造成較高的真空使蒸汽在汽輪機中膨脹到最高壓力，增加了蒸汽在汽輪機中的可用焓降，提高了低壓缸的做功效率。為保障抽真空系統運行穩定性，使其在復雜環境中始終保持穩定工況，需要保留原有凝汽器真空泵，在泵機旁并聯安裝蒸汽噴射器，把原有真空泵作為備用設備，如果蒸汽噴射器無法滿足凝汽器抽真空需要，則把備用設備投入使用[5]。

1.8 變頻器改造

發電廠在汽輪機運行系統內配備工頻循環水泵且以蝶閥作為水泵出口門，僅具備全開、全閉兩種運行模式，通過調整水泵投入臺數、轉速來調節冷卻水流量，現場運行期間時常出現單臺循環水泵流量不足、多臺水泵流量超標的問題，不但會因水泵投入臺數過多而消耗額外電能，還無法始終維持汽輪機穩定真空狀態[6]。對此需對變頻器進行節能改造。本單位給水泵變頻改造后，將固定頻率的交流電源轉換為可變頻率的交流電源，通過變頻器控制輸出電壓的頻率和幅值來調整給水泵的運行轉速和流量，從而達到節能的目的。整體改造由一托一工頻、變頻自動切換結構來取代原有結構，通過動力電纜保持電動機和變頻器相互聯接狀態，一次動力系統結構如圖1所示。

圖1 循環水泵一次動力系統結構示意圖

其中，QF為高壓開關、M為電動機、TF為變頻器，增設2臺高壓開關來確保給水泵具備工變頻切換功能。在給水泵變頻運行期間上下口開關合閘后啟動變頻器和給水泵，工頻運行期間則停止斷開上下口開關與閉合水泵旁路開關。同時，做好變頻器選型工作，在現場高壓開關柜和高壓電機部位串聯安裝變頻器，要求變頻器滿足輸入功率因數高、瞬時失電5個周期內仍舊保持滿載運行狀態、具備故障電路監測和報警功能、接受4～20mA 工業標準信號等條件。

2 結語

為保障發電廠汽輪機組平穩運行，最大程度挖掘機組節能潛力、取得理想節能效益和發電經濟效益，發電廠都應提高對汽輪機組節能改造技術的重視程度，圍繞汽輪機組實際運行問題來設立節能改造目標，全面掌握缸效提升改造、排汽通道改造、導汽管彎頭改造等節能改造技術要點，向汽輪機組設備改造效果提供有力技術保障，取得最佳的改造效果。