宋 劍

(晉能控股山西電力塔山發(fā)電公司，大同 037006)

0 引 言

汽輪機(jī)又稱為蒸汽透平發(fā)動機(jī)，是一種旋轉(zhuǎn)式的蒸汽動力裝置，其作用原理為：經(jīng)過鍋爐作用而生成的高溫高壓蒸汽穿過固定的噴嘴，成為加速的汽流，并噴設(shè)至葉片上時，推動裝有葉片排的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時對外做功，實(shí)現(xiàn)蒸汽動能、機(jī)械能的定向轉(zhuǎn)化。在現(xiàn)代社會，城市化的深度發(fā)展要求電廠必須隨時隨地、保證保量地供應(yīng)優(yōu)質(zhì)電能。基于電廠集控運(yùn)行模式，優(yōu)化汽輪機(jī)運(yùn)行機(jī)制十分重要。

1 電廠集控運(yùn)行管理模式的優(yōu)勢分析

電廠的集控運(yùn)行模式，是指對機(jī)(汽輪機(jī))、爐(鍋爐)、電(發(fā)電機(jī))進(jìn)行統(tǒng)一集中式的控制管理。一般情況下，一個值設(shè)一個值長；相鄰的兩臺機(jī)組為一個單元，設(shè)置一個單元長；每臺機(jī)組設(shè)置一個機(jī)組長，下屬配置主值班員、副值班員，在必要的情況下，還會額外設(shè)置巡操員。機(jī)、爐、電均需經(jīng)由主控室的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，且每套機(jī)組處于“分開”的狀態(tài)，每兩臺機(jī)組共用一個主控室。除此之外，值班員崗位實(shí)行24小時不間斷值守，全方位控制機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。目前，我國發(fā)電廠集控運(yùn)行模式分別設(shè)有4、5、6個班組，實(shí)行輪班制。盡管汽輪機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程較為復(fù)雜，但隨著技術(shù)的持續(xù)更新以及管理理念的提升，目前已很少采用人工操作，幾乎全面覆蓋自動化、智能化運(yùn)行系統(tǒng)。在集控運(yùn)行模式下，電、汽的輸送、停止均由主控室的值班人員統(tǒng)一操作，可調(diào)整的內(nèi)容在于：監(jiān)視鍋爐燃燒情況，保證供應(yīng)至汽輪機(jī)的蒸汽處于穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

集控運(yùn)行管理模式的優(yōu)勢在于：

(1)使電廠的正常生產(chǎn)過程及原料投運(yùn)、設(shè)備的啟動及停運(yùn)等均處于可控狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)任何問題時，能夠及時進(jìn)行干預(yù)，避免出現(xiàn)大規(guī)模停工停產(chǎn)事故；

(2)為設(shè)備的定期檢修、維護(hù)作業(yè)創(chuàng)造安全環(huán)境(不包含對設(shè)備的直接維修)；

(3)通過輔控運(yùn)行，對包含燃料、化學(xué)、除灰、脫硫在內(nèi)的所有必要運(yùn)行過程加以梳理，提高生產(chǎn)效率；

(4)對所有資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，一旦單臺機(jī)組出現(xiàn)事故時，迅速將之“斷開”，防止進(jìn)一步對其他正常運(yùn)行的設(shè)備造成影響。

2 汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的常見故障及解決方式

對汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的常見故障進(jìn)行全面梳理、總結(jié)，找出解決方式，能夠提升汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。

2.1 汽輪機(jī)汽缸漏汽

造成汽輪機(jī)汽缸漏汽的原因較多，可進(jìn)行如下劃分：

(1)汽缸采用鑄造工藝制造而成，出廠后需進(jìn)行時效處理(將之存放一段時間后方可投入使用)，目的在于完全消除鑄造產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。部分汽輪機(jī)應(yīng)用的汽缸放置的時間較短，導(dǎo)致應(yīng)用期間因發(fā)生形變而漏汽。解決方式在于，電廠購入汽輪機(jī)或是在定期維護(hù)時，技術(shù)人員必須格外注意汽缸是否變形，使用合格的產(chǎn)品，避免漏汽現(xiàn)象。

(2)在安裝或檢修的過程中，由于檢修工藝和檢修技術(shù)的原因，導(dǎo)致內(nèi)缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運(yùn)行后產(chǎn)生巨大的膨脹力使汽缸變形。解決方式在于：安裝或檢修期間，技術(shù)人員需對各處的膨脹間隙進(jìn)行充分預(yù)估，留足空間，防止因巨大的膨脹壓力導(dǎo)致汽缸發(fā)生形變漏汽。

(3)汽缸螺栓緊固的順序出現(xiàn)錯誤。常規(guī)的順序?yàn)?，自中間開始，向兩邊同時緊固，即由垂弧最大處或受力變形最大處開始擊鼓，從而使最大變形處的間隙向汽缸前方或后方的自由端轉(zhuǎn)移，使得間隙逐漸消失；如果采用自兩端開始，逐漸向中間旋緊的方式，間隙會朝向中間地帶“積壓”，在外力的不斷作用下，汽缸結(jié)合面會出現(xiàn)拱形的間隙空間，極大地提升蒸汽泄漏幾率。解決方式在于，所螺栓緊固的順序必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，避免任何“反向操作”。

2.2 裂紋滲漏

在集控運(yùn)行管理模式下，不同的設(shè)備看似處于“有條不紊”的運(yùn)行狀態(tài)，但汽輪機(jī)等液壓設(shè)備幾乎每時每刻都在承受較大的外部壓力及震動力。加之汽輪機(jī)設(shè)備的鑄造材質(zhì)為鑄鐵，鑄造過程無法精確查找到所有鑄造方面的缺陷?；诖朔N前提條件，隨著滿負(fù)荷時間的累積，汽輪器殼體的薄弱部位會逐漸產(chǎn)生砂眼滲漏及裂紋滲漏現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，直至完全無法正常開展工作。此外，蒸汽、液壓油的泄漏會導(dǎo)致電廠生產(chǎn)車間的危險系數(shù)呈現(xiàn)出跨越式提升的態(tài)勢，極大地增加安全隱患，嚴(yán)重威脅電廠的安全連續(xù)化生產(chǎn)。

解決該問題的核心思路在于，電廠管理人員必須將工作做在前面，如果僅僅依靠傳統(tǒng)的焊補(bǔ)工藝，對汽輪機(jī)殼體的裂紋處進(jìn)行修復(fù)，理論上并不具備可行性。正確的做法在于，使用高分子復(fù)合材料，在現(xiàn)場開展修復(fù)作業(yè)。以火化橡膠、硝化纖維塑料為代表的材料具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、絕熱等特點(diǎn)，憑借其良好的機(jī)械性能及粘結(jié)力，可以在極短時間內(nèi)完成對裂紋處的修補(bǔ)，并延長設(shè)備的使用壽命，提升其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

3 電廠集控運(yùn)行汽輪機(jī)運(yùn)行的優(yōu)化措施分析

3.1 圍繞汽輪機(jī)的配汽方式進(jìn)行優(yōu)化

造成汽輪機(jī)運(yùn)行效率低的一個關(guān)鍵原因在于，運(yùn)行過程中損失了大量可以避免的能耗，故對傳統(tǒng)復(fù)合型汽輪機(jī)配汽方式進(jìn)行全面梳理并優(yōu)化，是一種可行性較高的方案。傳統(tǒng)的配汽方式為：①節(jié)流配汽，原理為使進(jìn)入汽輪機(jī)的所有蒸汽均需經(jīng)過一個或多個同時啟動/關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥；其中，第一級為全周進(jìn)汽，沒有調(diào)節(jié)級。此種配汽方式的結(jié)構(gòu)相對簡單，且啟動或改變復(fù)合時，第一級的受熱十分均勻，溫度變化幅度較小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也十分有限。但該方式的缺點(diǎn)在于，處于低負(fù)荷狀態(tài)時，因節(jié)流而造成的損失極大。②噴嘴配汽，原理在于將第一級分為3～6個噴嘴組，各組之間具備一定的間隙，處于“隔開”狀態(tài)；各自配備一個調(diào)節(jié)汽門控制裝置。在蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的過程中，各噴嘴組依次開啟，能夠有效降低因節(jié)流而造成的損失。此種配汽方式的缺點(diǎn)在于，調(diào)節(jié)級的受熱分布均勻程度不足，部分噴嘴組會因進(jìn)汽而產(chǎn)生損失；此外，調(diào)節(jié)級的余速基本無法利用，一旦負(fù)荷下降，高壓缸內(nèi)各級的溫度變化存在巨大的差異。

將上述兩種配汽方式整合為一個整體，形成“節(jié)流-噴嘴聯(lián)合配汽”模式，不僅能夠解決單一模式下的所有問題，還能夠基于閥門狀態(tài)管理功能，實(shí)現(xiàn)配汽方式的自由切換。比如，汽輪機(jī)處于負(fù)荷較低的狀態(tài)，可采用節(jié)流配汽，以犧牲小部分經(jīng)濟(jì)效益為代價，全面提升機(jī)組設(shè)備的安全性；在負(fù)荷較高時，轉(zhuǎn)換為噴嘴調(diào)節(jié)模式，提升汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。如圖1所示，為噴嘴配汽汽輪機(jī)的示意圖，其中，(a)為全機(jī)示意圖，(b)為調(diào)節(jié)級示意圖；1代表自動主汽門，2代表調(diào)節(jié)汽門，3代表噴嘴組間壁。在此基礎(chǔ)上，在自動主汽門下方，盤整期進(jìn)入汽輪機(jī)之前，設(shè)置節(jié)流裝置，即可形成“節(jié)流-噴嘴聯(lián)合配汽”模式，從而提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率[2]。

圖1 噴嘴配汽汽輪機(jī)示意圖

圖2 汽輪機(jī)節(jié)流配汽原理圖

3.2 更新汽輪機(jī)啟停方案

常規(guī)模式下，汽輪機(jī)的啟動方式以高中壓缸聯(lián)合啟動方式為主，啟動過程包含鍋爐點(diǎn)火、暖管沖動、轉(zhuǎn)子升速暖機(jī)、并列接帶負(fù)荷等；汽輪機(jī)的停機(jī)過程并非驟然完成，而是在一段時間內(nèi)，各部件的工作均會逐漸停止，進(jìn)汽量會逐漸降低，直至完全停止，最終關(guān)閉主汽門(各零部件的溫度也會隨之緩慢降低)。對汽輪機(jī)的啟停過程進(jìn)行梳理后，可將優(yōu)化的重點(diǎn)放在如下方面：

(1)基于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的損耗率、壽命、受熱變形情況、膨脹差值等，精確計(jì)算針對轉(zhuǎn)子的溫度和變化率，減小誤差；

(2)進(jìn)入汽輪機(jī)的溫度變化率會隨著機(jī)組設(shè)備放熱系數(shù)的變化而變化，故將之控制在相對穩(wěn)定，能量浪費(fèi)幅度較小的范圍之內(nèi)，具備較高的可行性；

(3)對溫度、膨脹差、振動等采用不超限的測點(diǎn)監(jiān)控模式，及時發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的異常參數(shù)變化；

(4)盤車預(yù)熱和正溫差的啟動過程，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)最佳溫度匹配；

(5)在保證設(shè)備安全的前提下，需要盡可能地縮短啟動時間，有效降低電能及燃料的消耗量，從整體的角度對汽輪機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行優(yōu)化；

(6)在優(yōu)化期間，技術(shù)人員可以將額定參數(shù)停機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑓?shù)停機(jī)模式，保證各部件在停機(jī)過程中有效降溫，提升設(shè)備后期的檢修效率[3]。

4 結(jié)束語

基于熱力學(xué)原理，新蒸汽參數(shù)越高、汽輪機(jī)排汽壓力越低，熱力循環(huán)的熱效率便會越高。圍繞此兩項(xiàng)原理對汽輪機(jī)進(jìn)行硬件改造，已經(jīng)獲得了成功。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)汽體動力學(xué)方面的三維流動理論、濕蒸汽雙相流動理論；強(qiáng)度方面的有限元法；振動方面的快速傅里葉轉(zhuǎn)換等理論，均可解決汽輪機(jī)優(yōu)化運(yùn)行過程中面臨的材料制約問題。當(dāng)單片的功率進(jìn)一步提升，汽輪機(jī)的效率也會隨之加強(qiáng)。