提高汽轮机的运行经济性

提高汽轮机的运行经济性

一. 汽轮机的发展

汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一。汽轮机是一种透平机械，又称蒸汽透平。

公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。

19世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。

20世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在1884年取得英国专利，制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。

20世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于小型的汽轮机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。

单级背压式汽轮机

小型多级背压式汽轮机 与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。19世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。

汽轮机的出现推动了电力工业的发展，到20世纪初，电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦，如果单机功率只有10兆瓦，则需要装机近百台，因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。

此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机

功率又开始不断增大，陆续出现了325～600兆瓦的大型汽轮机；60年代制成了1000兆瓦汽轮机；70年代，制成了1300兆瓦汽轮机。现在许多国家常用的单机功率为300～600兆瓦。

200MW 空冷汽轮机

600MW 超临界汽轮机 汽轮机在社会经济的各部门中都有广泛的应用。汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。按结构分，有单级汽轮机和多级汽轮机；各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机，和各级分装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机，和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机等。

按工作原理分，有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速度级汽轮机。

冲动式多级凝汽式汽轮机

反动式多级背压式汽轮机 按热力特性分，有为凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；饱和蒸汽轮机是以饱和状态的

蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。

抽汽背压式汽轮机

凝汽式汽轮机

抽汽凝汽式汽轮机

双抽汽凝汽式汽轮机 汽轮机的蒸汽从进口膨胀到出口，单位质量蒸汽的容积增大几百倍，甚至上千倍，因此各级叶片高度必须逐级加长。大功率凝汽式汽轮机所需的排汽面积很大，末级叶片须做得很长。

汽轮机技术的重点是通流部分设计，在汽轮机技术发展的初级阶段，机组容量很小，叶片一般是短叶片、直叶片，叶型也较简单，缸效率一般只有40%~50%左右；随着机组容量和参数不断提高，叶型采用流线型，汽缸效率提高到70%左右；在三四十年前汽轮机技术发展到三元流动理论，叶型采用流线型变截面叶片、扭叶片、长叶片等，汽封技术也不断发展，汽缸效率又有一定提高。目前中压缸效率可达到93%左右，高压缸效率（含调节级和调速汽门）可达到88％～89%。

一座汽轮发电机总功率为1000兆瓦的电站，每年约需耗用标准煤230万吨。如果热效率绝对值能提高1%，每年可节约标准煤 6万吨。因此，汽轮机装置的热效率一直受到重视。为了提高汽轮机热效率，除了不断改进汽轮机本身的效率，包括改进各级叶片的叶型设计(以减少流动损失)和降低阀门及进排汽管损失以外，还可从热力学观点出发采取措施。

根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低，热效率低于20％。随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到3～4兆帕，温度为400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535℃，压力也提高到6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。

现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕，新汽温度和再热温度为535～565℃的超临界参数,或新汽压力为16.5兆帕、新汽温度和再热温度为535℃的亚临界参数。使用这些汽轮机的电站热效率约为40％。

200MW 亚临界汽轮机

600MW 超临界汽轮机

300MW 亚临界汽轮机

600MW 亚临界汽轮机

另外，汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决于冷却水的温度，如果采用过低的排汽压力，就需要增大冷却水流量或增大凝汽器冷却面积，同时末级叶片也较长。凝汽式汽轮机常用的排汽压力为0.005～0.008兆帕。船用汽轮机组为了减轻重量，减小尺寸,常用0.006～0.01兆帕的排汽压力。

此外，提高汽轮机热效率的措施还有，采用回热循环、采用再热循环、采用供热式汽轮机等。提高汽轮机的热效率，对节约能源有着重大的意义。

大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片，是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。

现代核电站汽轮机的数量正在快速增加，因此研究适用于不同反应堆型的、性能良好的汽轮机具有特别重要的意义。

全世界利用地热的汽轮机的装机容量，1983年已有3190兆瓦，不过对熔岩等深层更高温度地热资源的利用尚待探索；利用太阳能的汽轮机电站已在建造，海洋温差发电也在研究之中。所有这些新能源方面的汽轮机尚待继续进行试验研究。

另外，在汽轮机设计、制造和运行过程中，采用新的理论和技术，以改善汽轮机的性能，也是未来汽轮机研究的一个重要内容。例如：气体动力学方面的三维流动理论，湿蒸汽双相流动理论；强度方面的有限元法和断裂力学分析；振动方面的快速傅里叶转换、模态分析和激光技术；设计、

制造工艺、试验测量和运行监测等方面的电子计算机技术；寿命监控方面的超声检查和耗损计算。此外，还将研制氟利昂等新工质的应用，以及新结构、新工艺和新材料等。

二. 提高汽轮机运行经济性的的意义及前提

能源是发展国民经济的命脉，是战略资源，是提高人民生活水平、全面建设小康社会的重要物资基础。解决能源约束问题，一方面要开源，加大国内勘探开发力度，加快工程建设，充分利用国外资源。另一方面，必须坚持节约优先，走一条跨越式节能的道路。节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施，是提高经济增长质量和效益的重要途径，是增强企业竞争力的必然要求。不下大力节约能源，难以支持国民经济持续快速协调健康发展；不走跨越式节能的道路，新型工业化难以实现。

目前国家正处在重新考虑能源发展战略的关键时期。围绕实现现代化，要求调整我国能源发展战略，优化能源结构，提高能源利用效率，进一步明确和贯彻节能优先的长期能源战略，把建立国际多元化能源供应体系作为长期能源供应的战略目标，把能源优质化作为主攻方向。

当今企业的经济效益是衡量企业整体管理水平的第一标准。随着各种能源市场逐渐形成并不断完善，竞争机制引入企业，同时伴随着一次能源市场向卖方市场的转变，企业经营管理变的日

益困难。不能再依赖计划时代的能源分配来维持自身的生存和发展，而必须依靠自身内部挖潜来保证自身的生存及发展壮大。企业自身的竞争优势最终体现在自身的生产成本的降低，以最小的投入获取最大的产出，并以此获得最大的利润。

作好汽轮机的节能降耗工作，提高汽轮机的运行经济性是降低蒸汽动力生产成本，提高经济效益的重点工作。提高汽轮机的运行经济性必须具备以下基本保证：

1. 良好的安全生产局面是搞好汽轮机经济运行工作的前提和保证。提高汽轮机的经济性与保障汽轮机安全运行工作是相辅相成、紧密联系的，经济效益以安全生产为基础。较高的设备健康水平及检修质量是汽轮机安全运行的前提，应当建立负责监督与考核的专门机构，以及严格的考核制度。加强设备治理力度，保证设备的状况良好，提高设备健康水平。

2. 汽轮机的经济运行必须由有效的技术管理体系来保证。企业应当适应当前的形势，改变不合理的机构设置，跟踪研究汽轮机的经济运行情况，时刻了解当前技术经济指标的状况，分析经济指标变化或落后的原因，制定有效的技术保证方案和措施并保证得到严格执行，保证汽轮机始终处于良好的经济运行状况。

3. 从根源抓起，建立保证经济运行的良性循环。汽轮机有很多衡量经济性的技术指标，它们是企业经济情况的具体反映。各经济指标绝对不是孤立的，我们不能仅仅把眼光放在某个指标上，我们应当从根源作起，从最根本的、最基础性的技术管理作

起，追求汽轮机整体经济效益的提高，形成良性循环。因此提高锅炉、汽轮机运行经济性是一个系统的工程。

4. 建设一只高素质的有活力的职工队伍。汽轮机的经济运行与运行调整有很大关系，建立公正合理的竞争激励机制，同时大力提高职工的积极性和主动性，对于企业提高汽轮机经济性工作有着至关重要的推动作用。

三. 影响汽轮机经济运行的主要因素

1. 机组负荷对经济性的影响

因为机组的设计都是根据额定负荷进行的，所以机组在额定负荷时经济性是最好的，若机组负荷偏离额定负荷，则机组的经济性降低。机组额定负荷时如其他各运行参数维持设计值，则此时节流损失最小，机组经济性最好。

当机组负荷偏离额定负荷，虽然其他有关运行参数维持设计值，但蒸汽流量将偏离设计值，调节阀将存在节流损失，相应汽轮机调节级、高压缸和末几级工况将偏离设计值，级经济性降低，影响机组的经济性降低。

2. 机组真空对经济性的影响

真空系统运行的好坏对汽轮机运行的经济性有很大的影响。一方面由于真空降低，蒸汽的有效焓降将减少，在蒸汽流量不变的情况下发电机出力下降，在发电机出力不变的情况下，机组的蒸汽流量将增大，机组经济性下降；另一方面机组真空降低，排汽缸温度上升，机组冷源损失增大，循环热效率降低。一般情况

下，真空度每变化1%，可使热耗率变化0.7～1%，煤耗变化约1g/kW.h。

对于300MW机组来说，根据计算凝汽器真空每提高1Kpa，其发电煤耗将降低 2.5g/kwh左右,所以机组运行中应当注意分析机组凝汽器真空的变化，采取提高机组凝结器真空的措施，尽量保持较高的真空度，降低机组运行终参数，提高机组运行经济性。

3. 机组回热系统运行情况对经济性的影响

回热系统是指从汽轮机某些级中抽出部分作过功的蒸汽用来加热送往锅炉的给水以提高给水温度的系统。是最早也是最普遍

用来提高机组效率的主要途径。

回热系统运行不正常表现为给水温度降低、各段抽汽参数不正常等方面。

对单位质量的抽汽而言，低压抽汽回热做功将大于高压抽汽，所以在多级回热系统中，应尽可能多利用低压抽汽来代替高压抽汽，如回热系统工作不正常，使得部分本级蒸汽流入低一级抽汽中，高压抽汽排挤低压抽汽，造成机组热经济性降低。

抽汽流入凝汽器还将造成机组冷源损失增大，给水温度降低

造成给水在锅炉中吸热量增大都将使得机组热经济性降低。

造成回热系统运行不正常的因素主要有加热器端差增大、加热器停运、加热器汽侧无水位运行、抽汽压损增大、高压加热器旁路泄漏等方面，

1）影响加热器端差的主要因素有：加热器内传热管的特性、传热管的尺寸、管内对流换热系数、管外凝结换热系数及管内外工质的温度等等。对于已经投运的加热器来说，主要影响因素是管内外的换热系数，而影响换热系数的主要因素有加热器传热管脏污程度、加热器内是否有空气等不凝结气体等方面。加热器端差增大直接导致出水温度降低，造成高一级抽汽量或在锅炉中吸热量的增大。

2）加热器停运的原因一般为加热器消缺，需要隔离。目前影响加热器系统投入的主要原因就是加热器的泄露，主要是阀门不严密造成系统无法解列。造成这个问题的原因是多方面的，需要多方面着手共同解决。

加热器停运导致相应的回热抽汽退出，造成机组冷源损失增加，降低热力循环效率影响经济性。低压加热器停运会造成除氧器进水温度降低，水温过低除氧器将产生振动，影响除氧器的工作状况，使给水含氧量及管道氧腐蚀增加，同时使除氧器内压力降低，影响给水泵的正常工作，其后高加进出口水温降低，使炉给水温度降低。给水温度的提高则需要增加炉燃料量以提高在炉内吸热量来弥补，经济性明显下降；高加的退出影响更大，高加

退出，会带来机组末级叶片湿度增加，可能使抽汽段压力超限限制了机组出力，如负荷不变，将使机组轴向推力增大，推力轴承工作状况恶化。也大大降低锅炉给水温度，同时为提高给水温度需要增加炉燃料量以提高给水在炉内吸热量，由此又导致过热器超温、再热器超压，需要投入减温水控制，严重的需要限制机组负荷。

3）加热器疏水调节系统不正常将造成加热器无水位运行，这样最明显的表现是出水温度降低，一些发电厂资料表明，高压加热器有水位运行时给水温度比无水位运行时要高4～6℃，而且加热器无水位运行还使得抽汽还没有放出凝结热量就以蒸汽形式沿疏水管进入下一级加热器，排挤下级低压抽汽使机组热经济性下降，同时因汽水混合物进入疏水冷却段、疏水管、疏水阀而引起管束泄漏、疏水管振动、疏水阀冲蚀等危急设备安全的情况。这种情况在现场比较常见，因为发电厂加热器疏水调节门大多数为气动门，容易出现门杆卡涩、调节波动大、设定值由于加热器疏水管振动会变化等情况，调节迟缓大，气动调节门很难投入自动。

4）抽气压损增大通常是因为抽汽管道的逆止门、隔离门误关或开度不够造成，将造成本级抽汽减少，流入下一级抽汽而排挤低压抽汽，同时抽汽减少造成出水温度降低。

5）高压加热器旁路也是各电厂比较常见的，原因是大旁路电动门泄漏或进口联程阀开不到位造成小旁路泄漏，表现为汽机侧（最后一级高压加热器出口未与大旁路汇合处）给水温度比锅炉侧高，这样不仅因为给水流量减少造成高压抽汽减少，而且造成最终给水温度降低。