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第1章緒論

1.1汽輪機熱經濟性影響因素及節能潛力分析

隨著經濟建設的快速發展，資源和能源的短缺日益明顯，節能已成為全世界關注的問題。我國是以火力發電廠為主體的電力生產、供應國，發電廠既是能源生產大戶，也是能源消耗大戶。每年全國大大小小的火電廠耗煤量占到全國煤炭流通總量的60%以上。截至2013年年底，全國發電總裝機容量突破12億千瓦，達到12.47億千瓦，超過美國，居世界及時。到"十二五"末我國規劃發電總裝機容量將突破14.63億千瓦。在火力發電廠和核電廠中，這些電能是由汽輪機帶動發電機所產生的。汽輪機是將熱能轉化為機械能的設備，作為電力生產的核心，提高大型汽輪機組的熱效率不僅可以充分利用有限能源，提高經濟效益，還可以減少污染物質的排放，保護人類賴以生存的環境。因此，提高汽輪機效率的相關研究具有極其深遠的意義。另外，隨著我國經濟的發展，社會對電力能源的需求也不斷增加，大容量機組不斷投入運行，提高機組運行的經濟性也受到越來越多研究者的重視。如何實現節能，如何根據我國電廠的實際情況找到機組經濟運行方面、管理方面、設備缺陷方面的主要能損根源，即對機組進行安全性、經濟性分析，將成為一個非常有實際意義和價值的課題。

1.1.1汽輪機熱經濟性影響因素分析

衡量汽輪機整體運行經濟情況好壞的指標是熱耗率。所謂熱耗率偏高，是指汽輪機實際運行的熱耗率值高于其相應的應達值。汽輪機熱耗率高于其相應應達值的原因主要是汽輪機初、終參數和再熱蒸汽參數偏離其應達值，汽輪機通流部分狀態如間隙、葉片表面光潔度等偏離其設計狀態以及汽輪機回熱系統狀態偏離應達值［1］。當這些參數偏離設計值或應達值時，使理想循環熱效率和汽輪機相對內效率偏離應達值，從而影響汽輪機的熱耗率［2］。下面，從這四個方面來分析汽輪機熱經濟性的影響因素。

1. 汽輪機初參數及再熱蒸汽參數在設計工況下，汽輪機在某一設計的初參數及再熱蒸汽參數下運行。為了保持汽輪機熱耗率達到設計值，汽輪機初參數及再熱蒸汽參數應該保持在設計值。運行中，當這些參數降低時，汽輪機偏離其設計工況，必然導致汽輪機熱耗率增大。

1) 主蒸汽溫度從熱力學的角度看，提高初參數，有利于提高系統的理想循環熱效率。運行中，主蒸汽溫度降低時，必然導致蒸汽動力循環吸熱過程的平均吸熱溫度降低，引起理想循環熱效率降低。同時，當主蒸汽溫度在正常范圍內降低時，對中間再熱汽輪機相對內效率的影響較小。因此，主蒸汽溫度降低對汽輪機熱耗率的影響，主要是通過引起理想循環熱效率降低體現出來的。對于300MW汽輪機，其主蒸汽溫度降低1℃，汽輪機熱耗率約增大0.024%，發電標準煤耗率增大0.07g/(kW h)，按每年滿負荷運行6000h計算，全年多消耗標準煤127.1t。

2) 主蒸汽壓力運行中，主蒸汽壓力降低時，也會導致蒸汽動力循環吸熱過程的平均吸熱溫度降低，引起理想循環熱效率降低。同時，當主蒸汽壓力在正常范圍內降低時，若保持調節汽門開度不變，則除了少數低壓級，大多數級內蒸汽的理想焓降基本不變，故汽輪機相對內效率變化較小。若保持汽輪機電功率不變，則主蒸汽壓力降低，汽輪機調節汽門開度增大，節流損失減小，汽輪機相對內效率略有增大。因此，主蒸汽壓力降低對汽輪機熱耗率的影響，也主要是通過引起理想循環熱效率降低體現出來的。對于300MW汽輪機，其主蒸汽壓力降低0.1MPa，汽輪機熱耗率約增大0.045%，發電標準煤耗率增大0.13g/(kW h)，按每年滿負荷運行6000h計算，全年多消耗標準煤238.3t。

3) 再熱蒸汽溫度汽輪機運行過程中，當再熱蒸汽溫度降低時，也導致蒸汽動力循環吸熱過程的平均吸熱溫度降低，引起理想循環熱效率降低。同時，當再熱蒸汽溫度降低時，導致汽輪機排汽濕度增大，汽輪機中低壓缸的相對內效率降低。因此，再熱蒸汽溫度降低對汽輪機熱耗率的影響，是通過引起理想循環熱效率和汽輪機相對內效率降低綜合體現出來的。對于300MW汽輪機，其再熱蒸汽溫度降低1℃，汽輪機熱耗率約增大0.022%，發電標準煤耗率增大0.065g/(kW h)，按每年滿負荷運行6000h計算，全年多消耗標準煤116.5t。

4) 再熱蒸汽壓損汽輪機運行過程中，當蒸汽在再熱器內的流動阻力增大時，在高壓缸排汽壓力一定的條件下，引起再熱蒸汽壓力降低。也導致蒸汽動力循環吸熱過程的平均吸熱溫度降低，引起理想循環熱效率降低。同時，當再熱蒸汽壓力降低時，導致汽輪機排汽濕度減小，汽輪機相對內效率略有提高。因此，再熱蒸汽壓損增大對汽輪機熱耗率的影響，也主要是通過引起理想循環熱效率體現出來的。對于300MW汽輪機，其再熱蒸汽壓損每增大0.1%，汽輪機熱耗率約增大0.009%，發電標準煤耗率增大0.026g/(kW h)，按每年滿負荷運行6000h計算，全年多消耗標準煤47.7t。

2. 汽輪機排汽壓力汽輪機排汽壓力由汽輪機排汽量、凝汽器冷卻水流量、冷卻水溫度、凝汽器和抽氣設備的運行狀態共同決定。在設計工況下，汽輪機均在某一設計的排汽壓力下運行。為了保持汽輪機熱耗率達到設計值，汽輪機排汽壓力應該保持在設計值。運行中，當汽輪機排汽壓力升高時，汽輪機運行偏離其設計工況，必然導致汽輪機熱耗率增大。當汽輪機排汽壓力升高時，蒸汽動力循環放熱過程的平均溫度升高，理想循環熱效率降低。同時，隨著汽輪機排汽壓力的升高，汽輪機排汽濕度減小，濕汽損失減小。而且，隨著汽輪機排汽壓力的升高，汽輪機排汽容積流量減少，排汽余速損失也會減小，使汽輪機相對內效率提高。因此，汽輪機排汽壓力升高對熱耗率的影響，是通過使理想循環熱效率降低和汽輪機相對內效率提高二者綜合作用體現出來的。一般地，當汽輪機排汽壓力由設計值升高時，理想循環熱效率的相對降低值總是大于相對內效率的相對提高值，因此，導致汽輪機熱耗率增大。對于300MW汽輪機，在其排汽流量為設計值的條件下，排汽壓力升高0.1kPa，汽輪機熱耗率升高約1.7%，發電標準煤耗率增大5.0g/(kW h)，按每年滿負荷運行6000h計算，全年多消耗標準煤9002.7t。

3. 汽輪機通流部分1) 汽輪機通流部分結垢隨著火電機組單機功率逐漸提高，火電機組中超臨界參數機組的比例也在逐漸增大。機組初參數提高，對于提高火力發電廠的循環熱效率具有重要的作用。但同時也發現，隨著火電機組向高參數大容量方向發展，尤其是大容量直流鍋爐以及超(超)臨界機組的投入運行，對鍋爐給水品質提出了更高的要求。由于直流鍋爐沒有汽包，不能夠采用常規的汽水分離、蒸汽清洗等鍋內凈化措施來控制蒸汽品質。同時，超(超)臨界機組由于蒸汽壓力的提高，鹽類在蒸汽中的溶解度增大，進一步增加了鍋爐除鹽的難度，導致蒸汽含鹽是不可避免的［3～5］。當含鹽蒸汽進入汽輪機做功后，隨著蒸汽壓力的降低，蒸汽溶鹽能力降低，蒸汽中所溶的鹽被析出，沉積在汽輪機葉柵上，造成葉片表面光潔度變差、蒸汽流道形狀改變，影響葉片的氣動特性，使汽輪機相對內效率降低，帶來嚴重的經濟損失。例如，某汽輪機由于其葉柵表面鹽沉積嚴重，造成汽輪機電功率降低20%。而且，積鹽厚度每增加0.1mm，將使汽輪機級效率降低3%～4%［2］。對于某400MW汽輪機，由于汽輪機葉柵鹽沉積，及時個月就會使汽輪機電功率降低5%，六個月就可以使汽輪機電功率降低10%［5］。同時，鹽沉積在葉片上，還會造成汽輪機葉片自振頻率的改變、軸向推力增大。此外，某些具有侵蝕性的積垢對葉片的耐高溫性能會產生很大影響，影響汽輪機的安全性。由于汽輪機葉柵表面鹽沉積機理的復雜性，人們對葉柵表面鹽沉積的機理認識得還不夠深入，從而不能很好地對汽輪機運行過程中鹽沉積的處理進行指導。目前，汽輪機葉柵表面鹽沉積的處理方法主要是采用停機揭缸對葉片進行打磨、噴砂等方法。但該方法又對葉柵表面造成了一定的損傷。實現對汽輪機通流部分結垢的早期診斷并及時處理，對于提高汽輪機的運行經濟性具有重要的意義。

2) 汽輪機通流部分間隙增大汽輪機是一種大型高速轉動機械，汽輪機通流部分間隙對汽輪機相對內效率及發電量均產生較大的影響。為了提高汽輪機的運行效率，汽輪機通流部分的設計間隙一般都比較小，通常在0.5mm左右。但是，隨著電網峰谷差的逐漸增大，大容量汽輪機也要參與調峰運行，汽輪機產生的電功率要隨著電網對負荷需求的變化而變化。汽輪機頻繁啟停或頻繁變負荷，往往由于氣缸和轉子的膨脹程度不同而造成汽輪機轉動部件和靜止部件發生碰摩，使汽封損壞，從而造成汽輪機通流部分的間隙增大，影響汽輪機的電功率和效率，最終影響電廠運行經濟性。目前，國產300MW、600MW汽輪機普遍存在通流部分間隙增大的現象，嚴重影響汽輪機和火電廠的經濟運行。但是，由于目前尚無較成熟的汽輪機通流部分間隙變化的監測方法，汽輪機通流部分間隙的變化往往只有在檢修過程中根據動、靜部件之間有明顯的擦傷痕跡才能發現，導致汽輪機長期低效率運行。通過檢修發現，汽輪機均有不同程度的通流部分間隙增大的情況，嚴重影響了汽輪機的安全經濟運行。運行部門迫切需要有一種能對汽輪機通流部分間隙變化早期發現的監測方法［6，7］。無論是汽輪機通流部分結垢還是間隙增大，其對理想循環熱效率幾乎沒有影響，但卻導致汽輪機相對內效率降低，最終引起汽輪機熱耗率增大。

3) 汽輪機通流部分流動效率低供電煤耗是影響發電成本的最主要因素，火電廠熱經濟性分析表明，電廠能耗偏高的一個重要原因是汽輪機通流部分效率低。我國早期設計制造的汽輪機組由于當時設計水平有限，制造工藝落后，運行設備老化等，汽輪機內效率低、熱耗率高，造成很大的能源浪費和環境污染。經過近20年的發展，圍繞提高效率和效益、改善環境、降低成本，各汽輪機制造廠紛紛引進和消化國外的、成熟的三維氣動熱力設計技術，開始有計劃、有規模地實施舊機組通流部分改造，以增加出力、降低能耗。汽輪機通流部分改造已證實是提高機組效率的有力措施。總體來看，整機改造后機組效率可提高2.5%以上，熱耗率下降200kJ/(kW h)以上，出力可增加10%，經濟效益顯著［8］。

4. 汽輪機回熱系統汽輪機回熱系統是汽輪機最重要的輔助系統，現代汽輪機幾乎無一例外地均采用回熱系統，以便減少汽輪機的排汽冷源損失，提高理想循環熱效率。但是，當汽輪機回熱加熱器的端差、回熱抽汽壓力損失增大等原因出現時，汽輪機回熱抽汽量減少，排汽量增大，冷源損失增大，引起理想循環熱效率降低，最終導致汽輪機熱耗率增大。同時，當回熱系統的運行方式發生變化時，例如，高壓加熱器(簡稱"高加")泄漏而切除運行、高壓加熱器疏水不能引入除氧器而引入低壓加熱器(簡稱"低加")等不正常運行方式，也會引起汽輪機冷源損失增大，理想循環熱效率降低。此外，再熱器噴水減溫的投入，也會引起汽輪機理想循環熱效率的降低。回熱系統運行方式或回熱系統狀態變化，對汽輪機相對內效率影響很小，但對理想循環熱效率卻產生很大的影響，從而造成汽輪機熱耗率的增大［9］。

1.1.2汽輪機的節能潛力

分析反映火力發電廠運行熱經濟性的綜合指標是發電標準煤耗率，其大小又主要取決于鍋爐效率和汽輪機的循環熱效率或熱耗率。某火力發電廠各機組的主要運行和設計經濟指標匯總見表1-1。由表1-1可見，該廠發電標準煤耗率為327.4g/(kW h)，高于各臺機組設計發電標準煤耗率的加權平均值，具有較大的節能潛力。

表1-1某發電廠各臺機組的主要運行經濟指標匯總

由于影響火電機組煤耗率的因素主要有鍋爐熱效率、汽輪機熱耗率或汽輪機循環熱效率，由表1-1可見，該廠各機組鍋爐效率均接近于其設計值，而汽輪機熱耗率、汽耗率均比設計值高，因此，可認為機組煤耗率高于其設計值主要是汽輪機方面的原因引起的。綜上所述，該廠鍋爐效率方面已經達到了其較大潛力，再進一步提高的潛力比較小。因此，該廠應該努力在提高汽輪機循環熱效率，降低汽輪機熱耗率或汽耗率方面挖掘節能潛力，降低機組的發電標準煤耗率。而影響汽輪機熱耗率或循環熱效率的主要因素有三個方面，即汽輪機運行初終參數、汽輪機本體相對內效率和汽輪機熱力系統狀態。

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