火电厂汽轮机性能优化及节能技术研究

何迎辉

鹤壁丰鹤发电有限责任公司    河南省鹤壁市   458000

摘要：本研究聚焦于火电厂600MW超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机的性能优化和节能技术，探讨了如何通过技术创新提升机组的能效和运行性能，研究重点包括高压通流、中压通流最佳配置，以及TSI监测系统的优化。此外，对凝汽器的设计进行了深入分析。通过这些技术的综合应用，旨在实现火电厂汽轮机的高效、节能运行，同时保证稳定可靠的电力输出。

关键词：超临界汽轮机、性能优化、节能技术、热效率

引言：

为了实现碳达峰和碳中和目标，火电厂的效率优化和节能减排已迫在眉睫。在这一背景下，我们对600MW超临界汽轮机进行了深入分析，探讨了通过技术创新实现性能优化和节能的可能性。文章首先综合分析了汽轮机的核心组件，特别是在高、中压通流配置、TSI监测系统方面的创新。其次分析了凝汽器对整体热效率的影响。本研究的目标是为火电厂提供一套综合的性能优化和节能方案，以期实现更高的能效和环境可持续性。

1、汽轮机性能现状与优化需求分析

1.1 当前性能分析

在研究汽轮机性能时，必须关注其运行效率和可靠性，运行中存在的问题有：

1）机型过时，叶型设计已落后，叶型损失、二次流损失大，级效率较低；

2）通流焓降分配不合理，叶片高度小，调节级效率低；

3）汽缸结合面变形、间隙大，部分隔板变形、叶顶汽封阻汽片断裂；

4）机组通流级数偏少，各级焓降分配不尽合理，余速损失偏大；

5）动叶采用铆接围带，安全可靠性差，叶顶汽封齿数少，漏汽损失大；

6）低压缸刚性不足，内漏严重，叶片因冲刷水蚀等产生裂纹，存在隐患。

该机型高压通流有8级，中压通流有6级，低压通流有2×2×7级，高中压合缸的膨胀死点位置在#2轴承座中间部位和低压缸均为双流反向布置，虽然这些提高了运行的灵活性，但也带来了安全稳定上的挑战。复杂设计的局限性需要在运营中得到妥善处理，以确保高效率的同时保持可靠性。因此，机组的定期维护和监测至关重要，以及时发现和解决潜在的问题，确保火电厂的稳定运行。

1.2 优化需求识别

针对这些性能瓶颈，识别出优化的目标显得尤为重要。首先是蒸汽流通效率的提升。当前的设计在高、中压缸间存在一定的蒸汽流失和能量损耗，这要求对蒸汽通道进行重新设计和优化。其次，凝汽器的效率也是影响整体热效率的关键因素，实验表明，凝汽器真空每升高1KPa，热效率下降约0.7%，煤耗上升约2g/(kW.h)；凝汽器端差变化1℃，夏季煤耗变化1.9g/(kW.h)。因此重点应放在改进热交换效率和提高真空度上。此外，TSI监测系统的优化也是提升整体性能和可靠性的重要环节，尤其是在高负荷和极端运行条件下的性能稳定性方面。

通过分析和需求识别，为汽轮机性能优化提供清晰的方向。600MW超临界汽轮机虽然在热效率方面具有巨大潜力，但也需要应对复杂的设计和灵活的运营挑战，以确保其性能和可靠性的兼顾。这要求不仅在设计阶段注重细节，还要在运营期间采取积极的维护和监测措施，以最大程度地实现其潜力【1】。

2、创新技术在汽轮机性能优化中的应用

2.1 蒸汽流通效率的优化

面对蒸汽流通效率挑战时，技术创新发挥着关键作用。例如，相比汽轮机节流配汽，旁通配汽可避免阀门全开时的3%-5%的节流裕量，进一步提高缸效。

通过先进的流体动力学模拟和优化设计，我们可以显著减少蒸汽在缸间的能量损失，从而提高能量转换效率。比如：1、通流优化：采用低型损动、静叶片，增加通流级数，优化各级焓降分配，降低叶片根径，降低叶片端壁损失等，提高通流级效率；2、泄漏治理：采用先进的汽封结构、整体式高中压内缸、优化低压内缸结构等，减少通流内部泄漏损失；3、沿程损失治理：优化进汽腔室、排汽结构、连通管等结构，降低沿程损失和排汽损失；4、制造工艺的提升，提高各装配件的精度，采用更精细的叶片设计和调整叶片角度，可以改善蒸汽的流动效率。这些改进可以减少湍流和摩擦损失，优化蒸汽的流动路径，最大程度地利用蒸汽的动能，提高了整个汽轮机系统的热效率。此外，还可以改进材料，以提高叶片的耐磨性、抗水蚀性，延长叶片的使用寿命。

2.2 末级叶片防水蚀以及防内漏改造   

2.2.1 末级叶片防水蚀措施主要有：

1）隔板外环开设疏水槽；2）除湿环结构的应用；3）通过静动间轴向间隙的设计，使水滴碎化，降低水滴半径，减小对动叶进口的冲击，延缓水蚀的影响；

4）采用自防水蚀性能优良的叶片材料或金属耐磨层喷涂处理叶片；5）采用喷丸强化动叶，提高表面的疲劳强度，有效地抗应力腐蚀；6）动叶的顶部进口区域进行高频淬火工艺处理，提高其抗水蚀特性。

2.2.2减小级间漏汽

1）隔板内外环都设计密封键,增加整个隔板的刚性,减少中分面漏汽；

2）重新校核机组推力，减少平衡孔漏汽面积；

3）利用边界层抽吸技术，合理配置级间漏汽与级效率之间的关系，减少漏汽的同时提高级效率。

2.3 凝汽器创新改进

凝汽器性能变差的主要原因包括：冷却水进水温度升高；冷却水流量变低；凝汽器汽侧真空度下降；冷却管脏污。因此，我们采用新型高效换热材料和优化结构设计，提高换热效率。另外，TSI监测系统的改进也是关键。引入先进的轴承材料和更精准的振动分析技术，如智能监测和诊断系统，可以显著提高轴承的耐用性和整个轴系的运行稳定性。采用高强度、低磨损的新材料，有助于降低维护成本，延长设备寿命。凝汽器和轴承系统的优化不仅提高了性能，还为能源产业的可持续发展提供了坚实的支持【2】。

综上所述，这些技术创新即提高机组的蒸汽流通效率，又解决汽缸目前存在的安全性，同时提高了机组运行的可靠性和经济性，预计可提高机组效率约2%。

3、综合评估与未来展望

3.1 对优化措施的综合评估

针对汽轮机的性能优化，我们对改进进行了全面的评估和工作，采用了创新技术，取得了显著的成果。通过重新设计蒸汽通道，我们成功减少了能量损耗，大幅提高了热转换效率，从而提升了机组的热效率。此外，采用新型热交换材料和改进的TSI系统，不仅改善了凝汽器的性能，还增强了整机的耐用性和可靠性，确保了长期稳定运行。

3.2 对未来发展的展望

展望未来，火电厂的技术优化仍有广阔的空间。为了实现双碳战略目标，火电行业正面临转型的双重压力和机遇。在汽机方面，可以集中在进一步节能减排、热电联产以及整合智能控制系统上。为提高热效率和减少碳排放，可以探索更先进的热循环设计，引入新材料、新工艺，采用带高效调节级的喷嘴配汽方式，在低负荷下只有部分高调阀节流，节流损失小，从而使机组经济性更优。在热电联产、热电解耦方面，供热抽汽梯级利用、中联门参调、低压缸零出力改造、供热高背压改造、高低旁联合供热等提高机组供热能力和电调峰能力，降低发电煤耗率。同时，智能控制系统和预测性维护技术的应用将使得机组的运行更加高效和可靠，降低维护成本，延长设备寿命。这些创新将有助于火电厂更好地适应未来的能源需求和环保要求，同时为可持续发展带来新的希望和机遇。

综上所述，虽然当前的性能优化已取得显著成果，但我们仍需不断探索新技术，以应对未来的挑战。通过不断地技术优化，火电厂的汽轮机将能够更加高效、环保地运行，为节能减排作出更大的贡献。

结语：

在研究中，我们对汽轮机进行了深入分析，重点关注其性能优化和节能技术的应用。通过各种创新技术，不仅提升了机组的热效率和运行稳定性，还为火电行业的未来发展提供了新的思路和方向。这些成果预示着火电行业在追求更高能效和环境可持续性方面的积极进展。

参考文献：

[1] 李世强.火电厂汽轮机组节能改造经济性分析研究[J].现代工业经济和信息化,2023,13(08):322-323+328.DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2023.08.107

[2] 全小龙.火电厂汽轮机安装工艺要点探究[J].中国设备工程,2020,(17):110-112.