中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司 内蒙古鄂尔多斯 017209
摘要：文章从分析电厂汽轮机的重热现象出发，对汽轮机的选择及重热现象进行了详细的演算与推理；从而揭示提高汽轮机效率及经济性的切入点。
关键词：汽轮机；重热；运行效率；经济性
引言
随着国民经济的飞跃发展，对能源需求呈指数增长趋势。据调查，目前，我国能源的利用效率较世界先进水平低12%左右，其中火力发电厂的效率为33.8%，比世界先进水平要低6%~8%。过去几年里，我国的电力供应情况不容乐观
（1）煤炭价格的提升，经常出现煤炭供应紧张的现象；
（2）在一些省市，出现一定的拉闸限电情况。从大范围提供我国能源的利用效率，已成为我国经济持续稳定发展不可逾越的技术障碍。有效提高电厂发电效率与经济效益对我国电力系统具有重要意义。
1 直接空冷系统简介
直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接进入空冷散热器，用空气作为冷却介质与蒸汽之间进行热交换，冷凝水由凝结水泵排入汽轮机组的回热系统，最后送至锅炉。由于直接空冷凝汽器暴露在周围环境中，环境因素对其效率的影响很大，所以一般都将其安装在30～40m以上的高空。直接空冷凝汽器由若干冷却单元组成。每个冷却单元由两片管束、A 型构架和一台轴流冷却风机组成。冷却单元有顺流和逆流之分。顺流是指蒸汽和凝结水均自上而下流动，逆流是指蒸汽与凝结水流动方向相反，即蒸汽自下而上，凝结水自上而下流动。机组运行时蒸汽内不可避免的会有不可凝气体存在，不可凝气体会使凝汽器内某些部位形成死区，设置逆流单元的主要目的就是排出不可凝气体，同时还可以利用顺流管束内的未冷却蒸汽对凝结水进行加热，避免冬季出现冰冻的情况。一般国内300MW空冷机组顺逆流面积比为4：1，600MW空冷机组顺逆流面积比为5：2。轴流冷却风机用于从大气中吸入冷空气吹向翅片管表面来进行换热。从汽轮机排出的蒸汽，通过主排汽管道进入蒸汽分配管，进入顺流管束，约有“80%”的蒸汽被冷凝成水；剩余的蒸汽和不可凝气体一起沿着凝结水汇集联箱进入逆流管束直至被完全冷凝。然后凝结水流到凝结水箱，不可凝气体被抽真空装置抽走。如图1所示。
图1直接空冷系统示意图
2 汽轮机中的重热现象
2.1 汽轮机选择
单级汽轮机的工作成本和体积都要高于多级汽轮机，而且其在发电容量方面也小于多级汽轮机，所以采用多级汽轮机可以有效降低发电的成本，提高发电的效率。汽轮机转速在固定的情况下，单级焓降值越大，叶轮的转速就越快，通过调整汽轮机的压力、温度等，可以使多级汽轮机的热循环效率达到最高。并且，多级汽轮机的相对内效率也比较高，所以在进行电厂建设时，尽可能选择多级汽轮机组。
2.2 重热现象
2.2.1 汽轮机重热
随着比熵的增加，等压线比焓降会逐渐增加。重热现象就是将多级汽轮机工作中产生热量损失有效用于后续级的运用过程中，从而提高多级汽轮机的工作效率。
针对高压蒸汽的压力损失，一般为△pr=13%~16%；而对于再热的蒸汽流通管道，其压力损失为：△p0=3%~5%；而对于中低压蒸汽的进气压力损失为：△ps=2%~3%。汽轮机的蒸汽进气损失的大小，主要由蒸汽流速与节流阀门的动态性能决定，通常情况下，管路中蒸汽流速为15m/s~55m/s，采用带扩压汽室的阀门可以有效减低汽轮机的进气节流损失。
3.3 排气压力损失
在多级汽轮机中，排气压力损失是指排出的蒸汽在排气管流动过程中的压力损失，主要由3 部分因素构成：1）管道管理阻力；2）蒸汽涡流；3）蒸汽流动转向。其排气压力损失为：△pc=p'c-pc，一般来说，△pc=（2%~6%）pc。其中，pc为多级汽轮机的末级蒸汽出口压力；p'c为多级汽轮机的凝汽器出口压力。而有效降低汽轮机的排气压力损失，有效利用其排气做功，通常采用扩压的方式，将汽轮机的排气气体动能转为压力能源，从而补偿排气管道中的沿程压力损失。汽轮机排气过程中，汽轮机的初始压力对其排气压力损失具有重要作用。值得注意的是，汽轮机组中的再热机组，其机组的初始压力变化只对比焓降有一定的影响，对汽轮机机组整体运营功率无影响。在蒸气的排汽过程中，其压力损失主要由汽轮机的初终参数决定。在多级汽轮机中，可由有效地利用热回收蒸汽发生器，提供汽轮机连续作业效率。另外，高效率的蒸汽循环，可以有效降低冷却空气的需求量的同时，保证压缩机降低的入口温度，进而降低汽轮机的排气压力损失。
4 直接空冷系统防风措施
4.1 空冷岛的布置
环境风对直接空冷凝汽器效率的影响很大，在初步设计前期，应根据厂址典型年风向规律图，进行相应的风洞试验，合理确定空冷岛的朝向、标高和布置。目前，风对空冷系统效率的影响程度多用回流率来描述，定义各个单元进风口处的回流率：
其中：CRT是整个空冷系统的总回流率。研究风速和风向对回流率的影响规律可以很好地刻画环境风对空冷凝汽器效率的影响程度。采用直接空冷系统的新建电厂或扩建电厂在初步设计前期，有必要进行风洞模拟实验，结合当地的风气象资料，确定环境风对空冷系统效率的影响程度，采用最合理的工艺 布局使环境风的不利影响达到最低。总体上空冷凝汽器应布置在汽机房A列外且平行A列，空冷平台面向厂区全年主导风向。在夏季主导风向时，应避免空冷岛处于主厂房的下风侧位置。空冷平台高度往往根据经验确定，目前还没有完善的理论公式。但是由于直接空冷系统结构和运行的复杂性，以及相似参数之间相互制约，要在风洞实验中完全模拟实际情况是不可能的。所以根据所要研究的重点和要解决的关键问题选取相应的相似准则和实验方法是非常重要的。除了环境风之外，影响直接空冷系统布置的因素还有很多，比如人文地理、地形地貌、工程地质等等，各种因素的影响往往相互掺杂甚至互相矛盾，很难达到各种条件均比较优越的情况。所以必须综合考虑各种因素的影响，具体情况具体分析，坚持从实际出发，找到解决具体矛盾的方法。所应遵循的原则是使空冷系统的布置符合综合最大优越条件。
4.2安装挡风墙
由环境自然风引起的热风回流现象是直接空冷机组的一个普遍性问题，对空冷机组的安全经济运行有很大的影响。目前世界上普遍采用并被证实行之有效的方法是在空冷平台上设置挡风墙。挡风墙的设置一方面可以阻止热空气重新回流到风机吸入口，另一方面也阻挡了环境风场对空冷散热器的直接吹扫，有利于冬季防冻。
4.2改善风机运行性能
风机在空冷散热器的强化传热中起着关键的作用，风机性能的优劣是衡量空冷散热器性能优劣的重要标志。要保证空冷系统的稳定运行，就必须使风机在环境风场作用下还能达到设计流量，可以考虑增加风机叶片安装角或提高风机转速。一般情况下，风机叶片在运行时是不可调的。在目前的技术条件下，提高风机转速的方法相对简单。当风机转速提高时，风机的吸入空气量增加，翅片管束迎面风速和出口风速加快，换热性能增强，凝汽器出口热空气的温度降低，并且周围流场对热空气的卷吸作用削弱，热风回流对空冷系统的不利影响减少。但由于空冷系统所采用的轴流风机功率较大，成本较高，提高所有风机转速的方法显然不符合经济性要求。研究发现热风回流对空冷平台边缘风机的性能影响最严重，故可以只增加边缘风机的功率。用计算流体动力学软件Fluent对不同环境风速时热回流率与空冷平台边缘风机转速的相关性进行了数值研究，研究结果表明，随着空冷平台边缘风机转速的提高，热回流率明显减小。但是提高风机转速，大大增加了环境噪音，影响了环境。直接空冷凝汽器传热效果不佳，很大一部分原因是由于凝汽器管束呈A型布置，导致凝汽器空气侧迎风面的流场分布不均匀。因此，优化空气侧的流场分布是改善凝汽器传热效果的重要措施。
5 保证机组膨胀顺畅防止机组跑偏的结构改进
（1）保证汽轮机启动过程中的启动膨胀顺畅的要求
a）前轴承箱滑动面摩擦阻力小。
b）滑销系统不发生卡涩，中心定位准确。
c）汽缸轴向刚性好。
d）管道接口处的外力、力矩合适。
（2）本机组在结构上的改进
a）前轴承箱滑块采用石墨镶嵌型自润滑滑块，相对原滑块它的磨擦系数小。另外其润滑剂为固体材料，稳定性极好，不会发生油脂型润滑剂干结后造成磨擦系数成倍增加，甚至阻碍前箱滑动的情况，避免定期加注润滑脂的繁锁工作。同时每对滑a）增加供电电源的内阻抗，即变压器的短路阻抗。内阻抗越大，谐波分量越小。
b）安装电抗器，即在变频器的输入输出端安
装合适的电抗器或谐波滤波器，滤波器应为LC型，以吸收谐波，增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。如古交电厂空冷风机变频器就在输入端及输出端安装了AVL-330型电抗器，同时在输入端还安装了滤波器。
c）选用产生谐波较小的变频器，从源头上减少谐波。
d）设置专用滤波器检测谐波的幅值和相位，并产生1个与谐波幅值和相位相反的电流，有效抑制谐波的产生。
e）使用专用变频调速电动机以解决散热问题。
结束语
能源是人类赖以生存的基础，电厂作为能源生产机构，研究其汽轮机的运行效率和经济性有着重要的现实意义。文章详细阐述了多级汽轮机在实际应用中的优点，并分析了多级汽轮机蒸汽进出过程的能量损失情况和原因，进而为电厂的节能改造提供有效的依据和帮助。与此同时，并分析和研究了多级汽轮机的重热现象，提出了促进重热量利用的方案及措施，以提高机组能源利用率，为电厂获得更多的经济效益。
参考文献
[1]宁哲,赵毅,王生鹏.采用先进汽封技术提高汽轮机效率[J].热力透平.2009(01).
[2]王松,孔婉婷.发电厂汽轮机组运行效率的优化[J].安徽电力.2009(04).
论文作者:宋志坚
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/20
标签：汽轮机论文; 蒸汽论文; 风机论文; 凝汽器论文; 效率论文; 机组论文; 压力论文; 《基层建设》2017年第35期论文;