热力发电厂热经济性分析
汽轮机热力系统经济性分析
华北电科院汽轮机所刘双白
电力是国家基础工业，电力企业的总经济效益分别由锅炉系统、汽轮机系统、发电及供电系统的性能特性决定。而汽轮机系统的经济性分别由汽轮机、各种辅机及热力系统的特性决定。对于已建成投产的机组，我们可以分析汽轮机、辅机及热力系统的特性，找寻各设备、系统的最佳运行点，提高汽轮机系统运行效率，达到电厂优化运行、节能增效的目的。
由于设备、系统固有的特性和现阶段的运行状况，每个电厂、每台机组的优化运行方式可能都不一样，所以在这里主要以一台200MW三排汽汽轮机组为例，对系统中可以调整的地方进行计算分析和说明，并尽量对各种参数及热耗变化进行量化。
1.汽轮机本体
1.1通流型线
型线是汽轮机基本要素，决定了汽轮机基本特性。现阶段设计水平的提高和机加工设备的改善，为采用高效率的叶片型线提供了可能。很多老厂都对通流部分进行了现代化改造，即提高了运行效率、又提高了出力，同时也为充分利用各辅机提供了可能。最典型的例子是大同二电厂的5、6号机组，通过通流改造提高了汽轮机效率，更多的热能转化为机械能，使得汽轮机排汽热量减小，减少了海勒式间接空冷系统的负担，提高了空能系统的度夏能力。
流型、等密流型、受控涡流流型、型线有直叶型、等环流流型、等α
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混合流型、中间流型等，现发展的新型叶型有子午面收缩静叶（降低二次流损失）、分流叶型、三元流可控涡流型、高效层流叶型、弯扭成型静叶片、高可靠性及高效率的长叶片系列等。叶型计算从采用简化的一元计算、S2流面计算、准三元计算，发展到对型线特性的全三维数值计算。
以200MW机组为例，高压缸叶片速度系数增加1%，高压缸效率提高
1.3%，热耗降低23.6kJ/kW.h，煤耗降低0.88g/kW.h。
1.2调节级
高压缸通流效率的主要限制因素是调节级，调节级焓降大，容积流量小，喷嘴及动叶片短，具有较大的二次流损失，效率低。老200MW机组调节级效率大致为62%，新的能够做到75%。
1.3末级
末级叶片长、容积流量大，具有大的汽流速度（音速），因此排汽损失大，同时在湿蒸汽区运行，液相非但不能冲动叶片做功，由于速度慢打在动叶片背弧上造成汽蚀，因此末级效率比压力级效率要低得多，低压缸压力级能够达到92%左右，而末级能够到82%的效率。
1.4级间汽封间隙
以200MW机组为例，将高压缸隔板汽封径向间隙、动叶顶部汽封间隙减小0.5mm，高压缸效率提高0.7%，热耗降低12.26kJ/kW.h，煤耗降低
0.46g/kW.h。
1.5轴端汽封间隙
以200MW机组为例，将高压前汽封间隙减小0.4mm，高压前汽封漏气量减少3.6t/h，热耗降低22.89kJ/kW.h，煤耗降低0.85g/kW.h。
1.6大修中的叶片维护和动、静间隙控制
检修中要注意对叶片的保护，叶片变形、氧化、各种侵蚀都会降低偷盗的运行效率。
从上面的数据可以看出，缩小汽封间隙能很好的提高通流效率和热耗率。但是缩小间隙有碰磨的危险，特别是200MW机组，由于设计的缺陷，振动超标已经困扰多年，一般情况下检修过程中间隙都取大值，以防止碰磨。现在国外的一些机组，汽封间隙是通过动静碰磨磨出来的。随着企业对经济性的重视，现在开始对汽封进行改造，如具有自调整能力的布莱登汽封，对转子有很好保护的蜂窝汽封，和接触式汽封。特别是高中压合缸
的300MW、600MW机组，高中压汽封漏气基本上是新蒸汽，而且量比较大，不通过高压通流做功而直接进入中压部分，对热耗的影响是很大的，这部分影响可以通过试验进行验证。
2.运行控制
2.1主要汽水参数对经济性的影响
提高蒸汽初参数、降低排汽压力是提高循环系统效率的理想手段，受材料特性、末级叶片长度和环境条件的限制，不能无限制的提高蒸汽初参数和降低终参数，因此，每种机型都有它高效、安全运行的特定初、终参数。由于机组有不同实际运行条件和不同的习惯，并不能将机组参数很好保持在设计的高效点。在主汽温度和再热汽温的运行控制中，会不同程度的投入过热减温水、再热减温水，而减温水的投入降低了运行效率。表1所列数据以200MW汽轮机组为例，在以给定工况下，仅对其中某一个运行参数进行调整，通过热力系统计算得出的该参数变化对热经济性的定量影响。
表1 主要汽水参数对热经济性的影响
2.2主蒸汽调整门
汽轮机厂给的经济运行点大多在阀位运行，而实际运行中，考虑运行安全和调整平稳，各个调门之间都设置了重叠度，基本上不会出现绝对的2
阀点、3阀点等。我们可以通过制造厂的资料来了解阀门节流对经济性的影响。图1是东汽厂提供的大唐云冈热电200MW机组阀位修正曲线。当第3阀开度90%时，与3阀全开比较热耗要大0.15%，按东汽厂3阀点热耗设计值8575kJ/kW.h算，热耗增加12.86kJ/kW.h，煤耗增加0.48g/kW.h。
图1 高压调节阀开度(3/4阀)修正曲线
2.3优化运行
2.3.1减少减温水量
从表1可以得出，减温水能够很好控制主汽温度、再热汽温，是以牺牲热经济性为代价的，在运行调整中，尽量减小减温水的投入。再热减温水可以看成是与主循环（高压缸-中压缸-低压缸-凝汽器-加热器-锅炉-高压缸）以外的小循环（中压缸-低压缸-凝汽器-加热器-锅炉-中压缸），小循环的主汽参数要比主循环的要低，按照循环理论可以推断小循环的循环效率要比主循环的要低，这样投入减温水的循环效率要比没有减温水的低。2.3.2大负荷高参数运行
据上述分析，提高主汽参数能够提高热力系统的经济性，因此，在材
料允许的情况下，热力循环尽量采用高的主汽参数运行，表2是600MW机组亚临界与超临界机组的性能比较。超临界机组热耗值要比亚临界机组热耗值低357.4kJ/kw.h，热耗降低4.47%。
表2 600MW机组亚临界与超临界性能比较
2.3.3低负荷下滑压运行
从现有机组来看主汽参数能够调节的余度有限，在同主蒸汽质量流量条件下，参数高则容积流量低，导致主蒸汽调节阀门开度减小，节流加大，热耗增加。因此，现运行机组在降负荷运行时，就存在运行参数的优化运行问题，是维持额定主蒸汽参数、关小调整阀门的定压运行，还是采用降低主蒸汽参数、增大调门开度减小节流损失的滑压运行？
调门节流除了节流损失外，还会由于节流引起调节级部分进汽度增大，调节级部分进汽降低了调节级的效率，也就进一步降低了机组的热经济性，在低负荷定压运行工况，高压缸效率下降很多。因此在机组低负荷运行的时候，可以通过降低汽轮机进汽参数，增大汽轮机进汽量，增大调节阀开度，增大部分进汽度，提高高压缸的运行效率，降低热耗，尽量采用滑压运行方式。表3是大唐唐山热电300MW汽轮机组东方汽轮机厂提供的各负荷定、滑压运行热耗比较。滑压运行工况高压缸效率有明显改善，热耗降低，循环效率提高。
表3 唐山热电300MW机组定滑压运行参数比较
3.冷端
3.1排汽压力
排汽真空对热耗有较大影响，以200MW机组为例，当排汽背压从设计背压5.2kPa，增加到6.2kPa，热耗增加52.73kJ/kW.h，煤耗增加1.97g/kW.h，发电机出力降低0.64%。
3.2凝结水过冷度
以200MW机组为例，在背压不变的条件下，凝结水过冷度增加1℃，热耗增加1.81kJ/kW.h，煤耗增加0.07g/kW.h。
3.3真空严密性
空气等不凝结气体进入凝汽设备会对凝汽器的运行产生影响，空气的存在降低了蒸汽分压力，降低了蒸汽的饱和温度，减小了凝汽器的对数平均温差，降低了换热效果，也增大了凝结水过冷度。因此，要求漏入凝汽设备的空气越少越好。
3.4冷端优化运行
根据水冷机组、空冷机组的特性，可以通过试验来优化机组的经济运行。
在水冷机组中，循环水泵往往不能进行节流或变转速调节，循环水泵变工况运行点很少：单泵、双泵、两级三泵等少数的几种方式。双泵运行
循环水流量大，可降低汽轮机排汽背压，加大发电量，而单泵或两极三泵运行减少了循环水量，真空降低，发电量减少，但是双泵运行却增大了厂用电率。哪种运行方式更为经济，可通过试验确定在不同的环境条件下每种运行方式的供电效率，寻找最佳运行方式。
在空冷机组中，空冷风机有40%到100%转速下的无级变速调节，冷端有非常好的变工况调节能力。高转速可以提供高真空和高的发电机出力，但高的风机转速消耗较多的厂用电，因此，很有必要通过试验确定空冷机组冷端的优化运行方式，达到经济效率的最大化。
4.辅机
4.1加热器
现代大型火电机组的回热系统运行优劣将直接影响到机组的效率。理论上说，回热抽汽级数越多，则发电机组热经济性越好，但设备的投资要增加，系统也随之变得复杂。给水加热器的设置是根据等焓分配原则结合电厂投资成本综合技术经济分析比较确定的，因而具有最佳经济性。其主要经济指标有上端差（给水端差），下端差（疏水端差），管侧压降，壳侧压降，对3段式加热器来说，壳侧压降分为过热段压降、疏水冷却段压降。下表是200MW 机组高压加热器主要经济指标微小变化对热系统热耗率的影响。
表4 加热器参数对热经济性的影响
由于在运行过程中加热器没有可有效调整的部件，加热器结构形式确定后，其基本经济运行参数就确定了。如果在运行当中发现上、下端差等参数与设计值出现较大差距的时候，很难找到有效的办法来处理。除了要求设计
制造单位提供合格的加热器外，主要是通过精细检修、良好运行方式来保障加热器的状态。在检修中将堵管修复、保证焊接质量，换热面清洁干净。特别是疏水冷却段，一定要确保疏水冷却段的安装间隙和精确定位，防止有部分蒸汽串入疏水冷却段，使得疏水冷却段达不到冷却的目的，造成疏水端差增大，甚至有的加热器疏水温度就是抽汽压力下的饱和温度，疏水冷却段根本不起作用。
过热段蒸汽压损的存在降低了饱和段蒸汽压力，也就降低了饱和蒸汽温度，降低了传热温差，影响换热效果。由于低压加热器之间工作压力相差不大，过大的疏水冷却段压损将会造成疏水压力与下级加热器的工作压力差值减小，导致疏水不畅，有些加热器在运行过程中长期开着紧急疏水，严重影响了热系统的经济运行。
抽汽压损主要是抽汽管道上的逆止门、电动门引起的，抽汽压损的存在降低了加热器的进汽压力，减小加热器出口给水温度，降低循环效率。运行中注意检查这些阀门是否打开到位。
加热器在投、切过程中，注意控制加热器的温升、降率，避免过大的热应力冲击加热器本体，造成不必要的损坏。
加热器的放空气门按规程开启，防止不凝结气体积聚，造成换热效果下降。
4.2泵
在汽轮机系统中泵起到了输送水的作用，而泵的设计最大效率一般在76%左右，在非设计工况下定速运行时，效率会变低（见图2）。因此，在电厂的节能降耗中，泵的经济运行显得尤为重要。
泵的扬程曲线与泵的管路特性曲线的交点（图3中的M点）为泵的实际工作点，力求泵在设计工况和变工况下M点都能够在高效率区。变工况运行即泵的扬程曲线与泵的管路特性曲线之一或全部发生改变，改变了M点的位置，也就改变了泵的工作点。可以通过节流改变管路特性曲线，也可以通过
改变泵的转速来改变泵的扬程曲线，具体通过哪种方式须通过实际情况来选择。
图2 典型泵性能曲线
节流调节就是在管路中装设节流部件，利用改变阀门开度，改变管路特性，改变泵的扬程，使泵的运行点移动，如图3所示，设计运行点在M点，通过出口节流管路特性曲线由I上移到Iˊ,运行点移到A点，这样会导致泵的效率降低，同时节流还会造成节流损失，图中的Δh1。
图3 泵的节流调节
也可通过变速调节来达到改变泵流量的目的，变速调节是在管路特性不变时，用变转速来改变泵的性能曲线，从而改变泵的工作点。其主要优点是
大大减少了附加的节流损失，在很大变工况范围内保持较高的效率（见图4）。
图4 泵的变转速调节
大机组的给水泵、凝结水泵多采用变转速来进行变工况调节，可以降低厂用电量或提高循环效率。已经投入运行的定速泵和风机，如条件允许，建议进行变速改造，提高系统效率，降低厂用电率。
5.阀门内漏
阀门内漏有两方面的原因，一是运行习惯的问题，在不必打开疏水门的情况下也打开了，或者不清楚有些门已经打开，稳定运行很长时间也没有人去检查疏水门是否关闭。另外一种原因是疏水门关闭不严，大多电厂都有这种情况。内漏降低运行效率，同时会增大凝汽器的负担，严重的甚至会影响真空。内漏不如外漏明显，检查不到位的话很难发现，建议运行、设备人员最好定期检查各个疏水门，并做好检查记录，如阀位、泄漏情况，并根据实际条件进行处理。
6.汽水损失（外漏）
系统运行中有化学取样、连排、定排、锅炉吹灰等正常的蒸汽、水外流的情况。可有些外漏是不应该发生的，如安全门不严或定值不合适长期处于开位、法兰不严往外渍水，有些电厂地沟长期水流不断，甚至地面到处都是水。有些外漏虽然不会对循环效率有太大影响，但是高品质的水外漏后就会增大化学补水量，也就增大了生产成本。建议电厂定期做流量平衡试验，并检查地沟、厂房外等地方是否跑水、汽，发现问题及时处理。