潘子博

(國能準能集團有限責任公司矸石發(fā)電公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，國內(nèi)用電需求不斷提高，目前我國的工業(yè)用電和民用用電均處于高位運行狀態(tài)，電網(wǎng)負荷增量范圍越來越小，以致很多大型、超大型汽輪機組不得不參與到電網(wǎng)供電工作中，且其持續(xù)運行時間越來越長。在運行過程中，這些汽輪機組往往長期處于高負荷的運行狀態(tài)[1]，給生產(chǎn)現(xiàn)場造成較大的安全隱患。在火電廠汽輪機組安全平穩(wěn)運行的情況下，需要提高汽輪機在單位時長下的工作效率，這對緩解我國用電緊張、提高能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。因此，當前國內(nèi)外的很多汽輪機技術(shù)人員在探尋汽輪機工況變化的條件時，不僅采用指定的方法，也積極與其他方法進行對照印證，確保汽輪機的經(jīng)濟效益、工作時長和安全穩(wěn)定運行達到統(tǒng)籌兼顧的效果。該文文以汽輪機運行存在的問題和改進措施為主題，首先通過分析汽輪機的優(yōu)化研究現(xiàn)狀，展開列舉汽輪機運行中可能存在的問題，最后針對不同的問題，提出汽輪機工礦優(yōu)化措施，以指導汽輪機運行的全過程。

1 汽輪機優(yōu)化研究現(xiàn)狀

火電廠汽輪機組的運行和優(yōu)化，是當前熱力能源電力工程的主要研究課題。隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，各項能源需求不斷提高，國內(nèi)的電能分配也由最初的大城市供應(yīng)轉(zhuǎn)向分散式的區(qū)域供應(yīng)，用電需求的提升使我國電力負荷變得越來越重。許多火力發(fā)電廠開始使用大容量的汽輪機組，參與電能供應(yīng)和電能峰值調(diào)節(jié)。在這一領(lǐng)域，目前展現(xiàn)出火熱的研究前景。當火力發(fā)電廠的大型汽輪機的工況發(fā)生改變時，現(xiàn)場操作人員可以采取不同的運行方式，改變汽輪機的初壓運行參數(shù)，以保障汽輪機安全經(jīng)濟、高效穩(wěn)定運行。在動態(tài)變化的工況條件下，火力發(fā)電廠的汽輪機有兩種運行方式，分別是穩(wěn)壓運行和變壓運行[2]。由于在運行的過程中，穩(wěn)壓運行和節(jié)流降壓運行的部分壓力會隨著節(jié)流作用的發(fā)生而散失，降低了汽輪機的工作效率，這種運行方式在過去單一機組上運行應(yīng)用較多，而對于大容量汽輪機組則較少運用，當前已經(jīng)不再采用這種傳統(tǒng)的運行方式。在負荷狀態(tài)下，穩(wěn)壓運行功耗損失最小，可以保證較高的汽輪機運行效率，不用采用過多的調(diào)節(jié)作用，同時也避免了調(diào)節(jié)振動峰值的變化問題。所以采用穩(wěn)壓運行的汽輪機組，適合滿載運行，且不宜參與電網(wǎng)綜合調(diào)峰[3]。二十世紀六七十年代，美國投入了一些超過1 000 MW容量的大型汽輪機組，以保證供電需求穩(wěn)定。這些汽輪機組均采用了穩(wěn)壓運行的方式，保證機組滿載運行，為美國千家萬戶送去充足的電力。對發(fā)電量較小的汽輪機組而言，常采用穩(wěn)壓運行和壓嘴調(diào)節(jié)的方式，不過當前這種運行方式很少采用，因為在運行的過程中，這種運行方式的經(jīng)濟效益較低，需要消耗較高的能量才能夠轉(zhuǎn)化為較少的電能。其所引起的蒸汽溫度較高，后續(xù)不好調(diào)節(jié)，也容易損害汽輪機組的運行壽命，具體情況如表1所示。

表1 大型汽輪機性能值設(shè)定參數(shù)表

目前，火力發(fā)電廠汽輪機組最常使用的一種運行方式，便是變壓運行。根據(jù)相關(guān)研究表明，當火力發(fā)電廠汽輪機在較低負荷運行時，如10萬kW、20萬kW、40 萬kW、50 萬kW 的汽輪機，其均采用變壓運行的方式，能夠發(fā)揮出較高的運行效率和工作效率。但也有一些資料表明，發(fā)電廠汽輪機組在未滿載負荷的情況下，雖然變壓運行可以提高一定程度的工作效率，降低泵的能量消耗，但是它產(chǎn)生的經(jīng)濟效益還未超過汽輪機組的循環(huán)效應(yīng)帶來的經(jīng)濟價值，較大的循環(huán)動力影響了經(jīng)濟效益的提升。因此，若從汽輪機組的經(jīng)濟性來分析變壓運行方式，該方式不應(yīng)該作為汽輪機的首選運行方式，這一觀點也有部分學者認同。

經(jīng)過一段時間的改進，火力發(fā)電廠汽輪機變壓運行逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿儔哼\行，具體如圖1所示，在汽輪機內(nèi)在運行過程中，汽輪機高壓氣的溫度近乎不會變化，其產(chǎn)生的熱應(yīng)力和變形程度很小，而中壓的進氣溫度也基本穩(wěn)定，這就保證了發(fā)電廠汽輪機組調(diào)峰運行的安全性和穩(wěn)定性。當汽輪機組未滿載運行時，全變壓運行方式可以提升汽輪機的蒸汽流量和壓力，提高氣流的流速，但是鍋爐類燃料的燃燒不可能產(chǎn)生快速變化，所以全變壓運行在電網(wǎng)調(diào)峰時很難保證穩(wěn)定運行?；谏鲜鲈?，在目前世界上大部分國家的發(fā)電廠，其汽輪機組采用變量全變壓運行的方式的也并不多，往往滿足一定條件下才會使用。當電網(wǎng)開始調(diào)節(jié)峰值時汽輪機工作人員可以對汽輪機的氣閥進行調(diào)節(jié)，這樣的方式比全變壓運行要更加靈活、安全穩(wěn)定，動態(tài)調(diào)節(jié)大大提升了汽輪機的運行效率。當前，發(fā)電廠汽輪機組在運行過程中的復合變壓運行所設(shè)定的參數(shù)，一般都是按照初始廠家給的運行曲線來設(shè)置。但是，這一曲線完全是根據(jù)汽輪機載荷而定，并未考慮發(fā)電廠的生產(chǎn)環(huán)境、用氣需求和汽輪機的實際運行狀態(tài)，使汽輪機機組的實際運行狀態(tài)偏離了設(shè)定的初始參數(shù)，降低了汽輪機的經(jīng)濟效益。所以，科研人員需要對發(fā)電廠汽輪機組的實際運行情況進行合理設(shè)置，以優(yōu)化汽輪機的運行效率。

圖1 設(shè)計工況變壓運行曲線

目前，國內(nèi)對發(fā)電廠汽輪機的優(yōu)化參數(shù)主要有理論與實踐兩種，理論方法主要有數(shù)學理論法、模型建立法和邏輯系統(tǒng)分析法。單純的理論分析雖然能自圓其說，但是沒有實踐來支撐，往往沒有說服力。在實際的應(yīng)用中，不能夠完全依靠理論，需將數(shù)學計算結(jié)合汽輪機的實際應(yīng)用，以獲得真實可靠的計算結(jié)果。

試驗法就是通過汽輪機試驗來獲取最佳的運行參數(shù)。可以選擇不同的負荷條件，對不同的負荷點的壓力進行測試，計算不同參數(shù)下汽輪機組的經(jīng)濟效益并進行對比，得到最優(yōu)、最準確的復合變壓運行的參數(shù)曲線。從上述兩種方法來看，當前對發(fā)電廠汽輪機復合變壓運行的參數(shù)優(yōu)化，還有很多問題有待解決。需要先通過先期理論計算，確定曲線參數(shù)，再通過實驗優(yōu)化，獲得變壓運行的最佳參數(shù)，以實現(xiàn)電廠汽輪機組運行最高經(jīng)濟價值，為電廠汽輪機組的滿負荷運行提供可參照的現(xiàn)實意義。

2 汽輪機運行存在的問題

火電廠汽輪機在運行過程中將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，在加熱的過程中，其使熱水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，從而產(chǎn)生較高的熱量，最后通過相應(yīng)的汽輪帶動，從而發(fā)電，使得機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｆ啓C的工作原理是，汽輪機噴嘴向汽輪機的蒸汽閥組傳動，然后出現(xiàn)蒸汽方向改變，使得汽輪機葉輪和葉片具備沖擊能力，葉片不斷做功，從而提高了汽輪機的運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，改變?nèi)~片的做功形式，使得液流穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。在運行過程中，汽輪機主要有以下一些問題。

2.1 汽輪機的超速運行問題

汽輪機發(fā)電機在運行狀態(tài)中，有一個特點是運行周期性非常強，并且高速運轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)3 000 r/min 的超高速運行，其運行速度具有非常大的動力距。如果火電廠汽輪機組運行時，其出現(xiàn)螺栓疲勞或者相關(guān)零件調(diào)節(jié)故障，那么汽輪機的轉(zhuǎn)速將會瞬間增大[4]。與最初設(shè)計相比，若汽輪機轉(zhuǎn)子的應(yīng)力較高，會造成轉(zhuǎn)子斷裂，易使汽輪機的葉輪甩脫或內(nèi)部齒輪空轉(zhuǎn)，造成汽輪機組整體報廢。

2.2 汽輪機的真空運行系統(tǒng)的問題

汽輪機開始啟動時抽出了內(nèi)部的加熱器和凝析器中的空氣，從而創(chuàng)造了一種相對封閉的真空環(huán)境。在汽輪機恢復正常工作之前，為了保證內(nèi)部真空值在一定時間內(nèi)長期穩(wěn)定，需要不斷地把汽輪機腔體中的氣體抽出。在保持這種真空狀態(tài)的過程中，汽輪機運行會面臨一些不利的因素需要解決，主要表現(xiàn)為汽輪機的真空水泵的溫度太高，容易降低真空泵抽氣量，導致真空度下降。

2.3 汽輪機的主軸出現(xiàn)問題

這一問題會影響汽輪機機械能的產(chǎn)生，自然會影響電能的輸出。在實際的運行過程中，汽輪機的轉(zhuǎn)子會受到各種推力和扭曲的影響，從而會制約發(fā)電機轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)，造成轉(zhuǎn)子徑向或其他的方向出現(xiàn)共振現(xiàn)象，引起機器的損害與人身的傷亡事故。因此，技術(shù)人員必須要關(guān)注汽輪機主軸的壓力承受情況，盡量使用耐疲勞和抗磨損的材料，以保護汽輪機的穩(wěn)定運行。當火電廠汽輪機啟動前，工作人員需要組織盤車投運試運行，保障手動和自動雙重控制，確保盤車穩(wěn)定運行；當火電廠汽輪機組停止運行后，加入轉(zhuǎn)子盤運轉(zhuǎn)故障，需禁止工作人員強行盤車，防止其損害其他部件?？v觀汽輪機運行狀態(tài)以及儀表儀器的指示情況，如果汽輪機組存在故障，那么應(yīng)實時暫停運行，記錄停機的具體時間，在需要的情況下還應(yīng)在停機之后進行揭缸檢查。

2.4 汽輪機注油器發(fā)生堵塞，導致汽輪機被迫停機

對于這一故障，相關(guān)人員進行了研究與分析，在汽輪機運行過程中，技術(shù)人員需要對汽輪機的油泵的止回閥進行檢查，發(fā)現(xiàn)止回閥出現(xiàn)關(guān)不嚴的情況，需要及時對其進行更換與處理，更換完畢后重新啟動，經(jīng)過一段時間調(diào)試后再使汽輪機穩(wěn)壓運行。若隨著汽輪機運行時間的增長，汽輪機故障又重新出現(xiàn)，那么就需要進一步查找原因，發(fā)現(xiàn)注油泵和注油口的壓力波動的規(guī)律性認識，杜絕在注油泵不工作和油壓較低的情況下，同時出現(xiàn)止回閥關(guān)閉不嚴的問題。若是由于操作人員沒有及時更換濾油紙，導致濾油纖維過油，工作人員需及時調(diào)整濾油紙更換頻率，逐日檢查油紙滲油情況，及時更換新的油紙，以保證材料干燥。

2.5 汽輪機止回閥關(guān)不嚴，導致汽輪機空轉(zhuǎn)運行

對于這一問題，工作人員需要多次檢查汽輪機的轉(zhuǎn)速，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)速較高且空轉(zhuǎn)，需要進一步檢查止回閥

關(guān)閉情況，在緊急情況下需要停止主油泵的注油工作，避免發(fā)生火災爆炸事故。常用的止回閥是一種球狀止回閥，在機組啟動時，它主要調(diào)節(jié)潤滑油的油量與氣量的大小。當止回閥關(guān)閉時，油泵就可以由自運行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為主油泵供給狀態(tài)。

3 優(yōu)化對策分析

要解決火力發(fā)電廠汽輪機運行存在的問題，可以采取以下具體措施。

3.1 檢查汽輪機的相關(guān)零部件

定期安排員工檢查汽輪機的相關(guān)零部件，提高汽輪機管理者的基本素質(zhì)和實踐技能。在運行過程中，若汽輪機存在超速的情況，應(yīng)及時采取相關(guān)措施檢查汽輪機，防范汽輪機出現(xiàn)故障。首先，工作人員要定期對潤滑油和主油泵進行檢查與處理，檢查油質(zhì)，確保油質(zhì)狀態(tài)達標[5]。其次，定期測試氣門關(guān)閉時間，驗證閥門的氣密性，避免出現(xiàn)閥門關(guān)不嚴的情況，如果在測試過程中存在相應(yīng)的問題，應(yīng)該及時進行檢修維護。再次，工作人員需要對汽輪機的重要儀器儀表進行定期核驗，如果存在漏氣的情況，需要及時擰緊，以防漏氣傷人，并且表的量程要在可控的范圍之內(nèi)。最后，對汽輪機的氣門以及相關(guān)閥門進行檢查，若閥門出現(xiàn)堵塞或開啟難度大的情況，需要及時對其更換。閥門可以采用動態(tài)安全閥。

3.2 需要提高管理者的綜合素質(zhì)和技能

管理者的綜合素質(zhì)與技能關(guān)乎汽輪機的安全穩(wěn)定運行，需要增強操作者的安全觀念，樹立科學合理的使用理念，維護設(shè)備，規(guī)范維修技能，以提高管理者的相關(guān)操作技能，可以采取定期競賽的形式來提高管理者的實際操作技能，在突發(fā)情況下能夠準確應(yīng)對解決相關(guān)問題，并采取措施，針對問題予以改進。管理者需要建立更加完備的管理體系，構(gòu)建完善相應(yīng)的管理方案，在保障汽輪機安全生產(chǎn)的同時，落實汽輪機操作安全穩(wěn)定，不僅要保證生產(chǎn)總電量供應(yīng)充足，也要保證汽輪機維修施工落實到位，科學合理地解決汽輪機的相關(guān)問題，提高汽輪機的運行效率[6]。

3.3 完善汽輪機的真空系統(tǒng)與抽氣回熱系統(tǒng)

首先，相關(guān)工作者要進一步完善汽輪機的真空系統(tǒng)，良好的真空系統(tǒng)與汽輪機正常運行密切相關(guān)，技術(shù)人員需要定期維護與檢查真空設(shè)備，尤其是潤滑油的油位、分離器的封閉性、泵體運行正常狀態(tài)以及電動機主軸頻率的等方面，這些細節(jié)會對汽輪機的運行產(chǎn)生影響[7]。如果真空泵內(nèi)的水溫比較高，應(yīng)該立刻檢查它的冷卻器運行情況，判斷冷卻器是否起冷卻的作用。若冷卻器出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，需要及時更換，或者排除內(nèi)部的堵塞物。假如真空現(xiàn)象存在泄露，真空系統(tǒng)存在泄漏的問題，那么需要立即查找相關(guān)的泄漏點，進行補救措施，保證真空泵與凝析器運行狀況完好，保證后續(xù)能夠運行更長的時間[8]。

4 結(jié)語

根據(jù)目前火力發(fā)電廠汽輪機運行過程中存在的問題，技術(shù)人員可以采取針對性的補救措施，及時完善不足的地方。定期檢查汽輪機的真空系統(tǒng)與油泵，解決汽輪機的主軸受力不平衡和磨損疲勞的問題，提高工作者的管理素質(zhì)和操作技能水平。雖然當前我國經(jīng)濟仍然處于穩(wěn)中有升的階段，但是電量需求仍然是目前亟須解決的關(guān)鍵問題。大型汽輪機在這一方面具有舉足輕重的作用。只有實現(xiàn)火力發(fā)電廠汽輪機運行效率提升，降低汽輪機的故障，才能夠有效保證汽輪機在有限的時間內(nèi)滿載滿時運行，節(jié)省燃料，提高燃燒效率，輸送清潔能源。