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【摘 要】一直以来，热电厂都属于高耗能的企业范畴之中，同时也具有相当大的节能降耗空间。在当前社会大发展形势下，国家大力提倡节能降耗政策，这对热电厂来说是一项艰难的挑战，但另一方面，只要做好节能减耗工作就能够进一步符合时代的发展需求，提升企业自身在市场中的竞争力。由此可见，如何实现汽轮机的节能减耗是当前热电厂在生存与发展中的重大课题。本文通过汽轮机节能改造的实例，详细阐述了汽轮机技能降耗的技术措施。
【关键词】汽轮机；节能降耗；调节级；轴封结构；经济效益
一、热电厂汽轮机在节能降耗上的有效性分析
通常来讲，热电厂在节能降耗方面有很多措施，因此在实现管理措施逐渐完善的基础之上，还需要从技术的角度出发进行节能降耗的有效分析。也就是说，从管理的角度出发，要想保证并不断提升热电厂节能降耗的效果，就需要注重燃煤系统自身机组性能的提高，邀请相关专家对其进行节能降效措施的评估，然后才能按照相應的热电厂机组运行环节中存在的影响因素，进行汽轮机的运行研究工作，真正找出影响节能降耗的主要原因。
从本质上来讲，利用对热电厂汽轮机运行的设施运行情况的调研，不能单纯降低热电厂的运营成本，也就是所谓的节能，这样只能获得短时间的发展，得不偿失。并且从大量的实践经验上看，大多汽轮机在技术改造的成本上要远远低于采购的成本，通常经过改造的汽轮机的能耗会有所下降，这就有利于热电厂经济利益的长远发展，并且在改造的实施上也具备很强的可行性。因此，热电厂就需要有效了解和掌握机组人员的操作实际情况与细节，及时发现当前汽轮机在热电厂运行过程中所具有的节能降效措施的利用空间。这样一来，就可以从这个方面出发，结合自身的实际情况制定切实可行的措施，实现技术改造与控制优化，最终获得最佳的节能降耗效果，花费最少的成本获得最大的经济效益与社会效益，促进企业的成长。
二、影响汽轮机运行经济性的主要因素
（一）机组概况
机组主要技术指标：
1.型号：C6-3.43/0.49
2.额定功率：6MW
3.额定转速：3000r/min
4.进汽参数：P=3.43MPa T=435℃
（二）影响汽轮机运行经济性的主要因素
1.设备运行工况的影响
低背压机组的运行工况远远偏离设计工况且高于设计下高背压工况，这就使得低背压机组在高背压工况下带不满负荷，吨蒸汽发电偏低（汽耗率偏高），从而导致机组出力不足，效率低。
2.设备本身存在的其他问题
根据近年来该机组检修及运行情况综合分析，设备本身还存在以下影响设备出力及效率的问题：
（1）汽轮机关键作功单元（相当于汽轮机进汽的喉部）调节级喷嘴叶片结垢、腐蚀严重，影响汽轮机进汽量；
（2）汽轮机调节级转向导叶片结垢，腐蚀、影响蒸汽导入，限制了部分蒸汽流量；
（3）汽轮机汽封结构不合理，汽封易磨损，造成较大漏汽量（1～1.5t/h）；
（4）汽轮机动静叶片径向密封阻汽片磨损严重，造成级间径向漏汽较大，使部分蒸汽在汽轮机部分工作级未充分作功；
（5）汽轮机部分动，静叶片型线设计不合理，叶片损耗较大，减少了用于作功的蒸汽能量，使蒸汽流动性差，增加了蒸汽能量的作功损失。下图1所示某型汽轮机部分动，静叶片吸力面表面压力等值线分布：
图1 某型汽轮机动，静叶片吸力面表面压力等值线分布（单位：bar）
通过计算分析，该级内存在强烈的激波、较强的二次流动以及激波与边界层、二次流的相互作用，流动的三维特性非常明显。
该透平级的激波损失主要来自三个区域：静叶内伸斜激波与吸力面相交的区域、动叶吸力面进口处过速区以及动叶内伸斜激波与吸力面相交的区域。从图1可以看出，优化后静叶吸力面内伸斜激波前后压力突跳明显降低，斜激波强度在整个叶高方向明显降低，有效的减小了静叶的激波损失。优化前，动叶吸力面入口处有一从根部延伸到顶部的过速区（见图1a）。特别是在1/4叶高到1/2叶高之间，产生了强度约为0.4的激波，导致了较大的激波损失。优化后，吸力面入口过速区仅局限在吸力面根部（见图1b），其范围和强度（约为0.08）明显降低，有效的减小了动叶的激波损失。
图2是优化前后动叶出口前损失系数等值线图。从图中可看出，透平级出口处的高损失区域集中在在吸力面边界层、距根部1/4叶高的下通道涡区域、叶顶部的上通道涡区域以及叶根区域。优化后，下通道涡区域的最大损失系数从0.76减小到0.71， 下通道涡位置更贴近吸力面，其影响范围明显减小，强度明显降低；吸力面边界层明显减薄；上通道涡的强度和范围有所减小；根部区域的最高损失系数从0.72降低到0.69，高损失区域的范围也明显减小，透平级的气动性能有着明显的提高。
图2 优化前（左）、后动叶出口前损失系数的分布
比较优化前后透平级的总体性能。优化后，透平级的等熵效率提高了1.6%，流量增加了0.26%，出口绝对气流角和出口绝对马赫数都在约束范围内，获得了满意的结果。
三、节能改造方案的确定及改造实践
（一）改造方案的确定
针对设备存在的问题及原因，提出了两个解决方案。
方案一：考虑到设备已运行多年，设备不同程度老化，设备运行工况与设计工况相差较大，可根据目前热用户所需背压重新设计、更新一套新机组，从根本上解决问题。但是由于电力紧张，新上电力项目较多，汽轮机生产厂家新机组交货周期在一年半以上，新机组更新施工需半年，这样汽轮机更新需等到两年以后才能实施，且投资巨大，故该方案目前暂不具备实施条件。
方案二：可根据目前热用户所需背压重新设计加工汽轮机配汽机构、汽轮机通流部分（喷嘴组、隔板及静叶片、叶轮及动叶片）在原汽轮机上更新。该方案可基本上解决问题。另外投资较方案一要小很多，经综和考虑各方面因素，决定采用方案二对汽轮机进行节能降耗改造。 （二）改造实践
1、改造汽轮机调节级结构
（1）重新设计、加工调节级喷嘴组。喷嘴叶片高度增加2mm，对应第四个调节汽阀增加3个喷嘴汽道，使调节级喷嘴增至30个，对原喷嘴组予以更新。
（2）更换调节级转向导叶环全部导叶片，并增加6个导叶汽道。通过上述改造，可扩大汽轮机进汽的喉部，增加调节级通流面积进而增加汽轮机进汽量，改善蒸汽流动性，减少蒸汽做功损失。
2、改造汽轮机汽封结构
采用高低齿型迷宫式结构，即重新设计加工汽轮机主轴上汽封套筒，汽封环，汽封环背面与轴封体之间装3Cr13弹簧片，弹簧片的作用是箍紧轴封环，并利用其弹性使套筒与汽封环上汽封齿碰撞时有退让余地，防止轴封损坏。调整汽封间隙0.15～0.20mm，将轴封漏汽量控制在510kg/h以内以减少漏汽量。这种改造方案的优点是汽轮机主轴上汽封套筒没有汽封片，减少了大修更换汽轮机主轴上汽封片的工作量。若汽封环上汽封齿磨损，可在大修时更换汽封环，这样可缩短检修工期。
3、提高机组真空
（1）在运行调整方面，凝汽器运行时，要特别注意可能给真空带来影响的热井水位、凝汽器端差、循环水进水温度等；轴封系统要调整好轴封供汽母管正常的供汽压力和温度，防止空气从低压轴封漏入影响凝汽器真空，小汽机轴封漏空气的现象应特别关注；注意轴封加热器疏水U型管和给水泵密封水回水U型管的水封情况；对运行的真空泵，重点要关注分离器的水位和水温情况以及冷却器的工作效果。
（2）加强运行管理和设备维护，确保拦污栅、清污机、旋转滤网的正常投运，定期进行凝汽器水室的清渣、循环水取水口的清理；利用低负荷机会进行凝结器半边清洗，利用停机机会进行凝结器水室清理及铜管清洗；运行人员应根据循环水温和真空情况及时增开循泵；投入胶球清洗装置，安排专人负责胶球清洗系统的运行，及时统计收球率，发现收球率下降应立即检修。
4、加强机组运行参数监控
运行参数应保持稳定， 尽量不用过热器、再热器减温水， 主汽温度、再热汽温等参数尽量接近设计值。
5、其它技术措施
（1）更换转向导叶环与调节级叶轮径向密封片，调整间隙为0.8～1.2mm，减少漏汽损失。
（2）更换压力级隔板及压力级叶轮径向密封片，调整間隙为0.8～1.2mm，减少漏汽损失。
（3）汽轮机转子动叶片，压力级隔板静叶片，温水盘车清洗，及时清理盐垢，提高蒸汽流动性，减少蒸汽做功能量损失。
四、改造效果
本次改造总投入833388元，在不增加锅炉出力的情况下，每小时净增利润187.7元，185天的正常运行即可回收成本。每年通过改造产生的经济效益为164.63万元，由于原设计技术落后，机组热耗、汽耗都比较高，经济性差，发电成本也高，环境污染严重，采用现代技术对老机组进行改造是非常必要的，本次改造取得的经济效益和社会效益非常可观。改造后对整机内效率有3%～5%的提高，汽轮机在额定工况运行时应比较在改造前同等运行方式下汽耗值降低3%～5%，发电机功率可相对提高出力200～300kw左右。
五、结语
综上，电厂汽轮机节能降耗的措施还有很多，本文着重从设备更新改造方面对节能降耗进行了分析。节能降耗手段应是多样的，不局限于设备方面更新改造。关键在于我们平时的细心观察及运行经验的总结。节能降耗也是一项长期任务，只要每一位员工关心节能降耗这项工作，并投身于这项工作中去，发电成本一定会大大降低，从而为企业创造可观的经济效益。
参考文献：
[1]韩宏洲，范丰慧，王秀江，鲁宝全.GE350MW汽轮机节能取向[J].黑龙江电力，2008.1.
[2]居文平，朱立彤，于新颖.汽轮机辅机运行优化和节能的技术途径[J].电力设备，2007.2.
[3]李明，黄丕维.国产超临界600MW汽轮机热经济性分析及节能潜力研究[J].湖南电力，2008.4.
【关键词】汽轮机；节能降耗；调节级；轴封结构；经济效益
一、热电厂汽轮机在节能降耗上的有效性分析
通常来讲，热电厂在节能降耗方面有很多措施，因此在实现管理措施逐渐完善的基础之上，还需要从技术的角度出发进行节能降耗的有效分析。也就是说，从管理的角度出发，要想保证并不断提升热电厂节能降耗的效果，就需要注重燃煤系统自身机组性能的提高，邀请相关专家对其进行节能降效措施的评估，然后才能按照相應的热电厂机组运行环节中存在的影响因素，进行汽轮机的运行研究工作，真正找出影响节能降耗的主要原因。
从本质上来讲，利用对热电厂汽轮机运行的设施运行情况的调研，不能单纯降低热电厂的运营成本，也就是所谓的节能，这样只能获得短时间的发展，得不偿失。并且从大量的实践经验上看，大多汽轮机在技术改造的成本上要远远低于采购的成本，通常经过改造的汽轮机的能耗会有所下降，这就有利于热电厂经济利益的长远发展，并且在改造的实施上也具备很强的可行性。因此，热电厂就需要有效了解和掌握机组人员的操作实际情况与细节，及时发现当前汽轮机在热电厂运行过程中所具有的节能降效措施的利用空间。这样一来，就可以从这个方面出发，结合自身的实际情况制定切实可行的措施，实现技术改造与控制优化，最终获得最佳的节能降耗效果，花费最少的成本获得最大的经济效益与社会效益，促进企业的成长。
二、影响汽轮机运行经济性的主要因素
（一）机组概况
机组主要技术指标：
1.型号：C6-3.43/0.49
2.额定功率：6MW
3.额定转速：3000r/min
4.进汽参数：P=3.43MPa T=435℃
（二）影响汽轮机运行经济性的主要因素
1.设备运行工况的影响
低背压机组的运行工况远远偏离设计工况且高于设计下高背压工况，这就使得低背压机组在高背压工况下带不满负荷，吨蒸汽发电偏低（汽耗率偏高），从而导致机组出力不足，效率低。
2.设备本身存在的其他问题
根据近年来该机组检修及运行情况综合分析，设备本身还存在以下影响设备出力及效率的问题：
（1）汽轮机关键作功单元（相当于汽轮机进汽的喉部）调节级喷嘴叶片结垢、腐蚀严重，影响汽轮机进汽量；
（2）汽轮机调节级转向导叶片结垢，腐蚀、影响蒸汽导入，限制了部分蒸汽流量；
（3）汽轮机汽封结构不合理，汽封易磨损，造成较大漏汽量（1～1.5t/h）；
（4）汽轮机动静叶片径向密封阻汽片磨损严重，造成级间径向漏汽较大，使部分蒸汽在汽轮机部分工作级未充分作功；
（5）汽轮机部分动，静叶片型线设计不合理，叶片损耗较大，减少了用于作功的蒸汽能量，使蒸汽流动性差，增加了蒸汽能量的作功损失。下图1所示某型汽轮机部分动，静叶片吸力面表面压力等值线分布：
图1 某型汽轮机动，静叶片吸力面表面压力等值线分布（单位：bar）
通过计算分析，该级内存在强烈的激波、较强的二次流动以及激波与边界层、二次流的相互作用，流动的三维特性非常明显。
该透平级的激波损失主要来自三个区域：静叶内伸斜激波与吸力面相交的区域、动叶吸力面进口处过速区以及动叶内伸斜激波与吸力面相交的区域。从图1可以看出，优化后静叶吸力面内伸斜激波前后压力突跳明显降低，斜激波强度在整个叶高方向明显降低，有效的减小了静叶的激波损失。优化前，动叶吸力面入口处有一从根部延伸到顶部的过速区（见图1a）。特别是在1/4叶高到1/2叶高之间，产生了强度约为0.4的激波，导致了较大的激波损失。优化后，吸力面入口过速区仅局限在吸力面根部（见图1b），其范围和强度（约为0.08）明显降低，有效的减小了动叶的激波损失。
图2是优化前后动叶出口前损失系数等值线图。从图中可看出，透平级出口处的高损失区域集中在在吸力面边界层、距根部1/4叶高的下通道涡区域、叶顶部的上通道涡区域以及叶根区域。优化后，下通道涡区域的最大损失系数从0.76减小到0.71， 下通道涡位置更贴近吸力面，其影响范围明显减小，强度明显降低；吸力面边界层明显减薄；上通道涡的强度和范围有所减小；根部区域的最高损失系数从0.72降低到0.69，高损失区域的范围也明显减小，透平级的气动性能有着明显的提高。
图2 优化前（左）、后动叶出口前损失系数的分布
比较优化前后透平级的总体性能。优化后，透平级的等熵效率提高了1.6%，流量增加了0.26%，出口绝对气流角和出口绝对马赫数都在约束范围内，获得了满意的结果。
三、节能改造方案的确定及改造实践
（一）改造方案的确定
针对设备存在的问题及原因，提出了两个解决方案。
方案一：考虑到设备已运行多年，设备不同程度老化，设备运行工况与设计工况相差较大，可根据目前热用户所需背压重新设计、更新一套新机组，从根本上解决问题。但是由于电力紧张，新上电力项目较多，汽轮机生产厂家新机组交货周期在一年半以上，新机组更新施工需半年，这样汽轮机更新需等到两年以后才能实施，且投资巨大，故该方案目前暂不具备实施条件。
方案二：可根据目前热用户所需背压重新设计加工汽轮机配汽机构、汽轮机通流部分（喷嘴组、隔板及静叶片、叶轮及动叶片）在原汽轮机上更新。该方案可基本上解决问题。另外投资较方案一要小很多，经综和考虑各方面因素，决定采用方案二对汽轮机进行节能降耗改造。 （二）改造实践
1、改造汽轮机调节级结构
（1）重新设计、加工调节级喷嘴组。喷嘴叶片高度增加2mm，对应第四个调节汽阀增加3个喷嘴汽道，使调节级喷嘴增至30个，对原喷嘴组予以更新。
（2）更换调节级转向导叶环全部导叶片，并增加6个导叶汽道。通过上述改造，可扩大汽轮机进汽的喉部，增加调节级通流面积进而增加汽轮机进汽量，改善蒸汽流动性，减少蒸汽做功损失。
2、改造汽轮机汽封结构
采用高低齿型迷宫式结构，即重新设计加工汽轮机主轴上汽封套筒，汽封环，汽封环背面与轴封体之间装3Cr13弹簧片，弹簧片的作用是箍紧轴封环，并利用其弹性使套筒与汽封环上汽封齿碰撞时有退让余地，防止轴封损坏。调整汽封间隙0.15～0.20mm，将轴封漏汽量控制在510kg/h以内以减少漏汽量。这种改造方案的优点是汽轮机主轴上汽封套筒没有汽封片，减少了大修更换汽轮机主轴上汽封片的工作量。若汽封环上汽封齿磨损，可在大修时更换汽封环，这样可缩短检修工期。
3、提高机组真空
（1）在运行调整方面，凝汽器运行时，要特别注意可能给真空带来影响的热井水位、凝汽器端差、循环水进水温度等；轴封系统要调整好轴封供汽母管正常的供汽压力和温度，防止空气从低压轴封漏入影响凝汽器真空，小汽机轴封漏空气的现象应特别关注；注意轴封加热器疏水U型管和给水泵密封水回水U型管的水封情况；对运行的真空泵，重点要关注分离器的水位和水温情况以及冷却器的工作效果。
（2）加强运行管理和设备维护，确保拦污栅、清污机、旋转滤网的正常投运，定期进行凝汽器水室的清渣、循环水取水口的清理；利用低负荷机会进行凝结器半边清洗，利用停机机会进行凝结器水室清理及铜管清洗；运行人员应根据循环水温和真空情况及时增开循泵；投入胶球清洗装置，安排专人负责胶球清洗系统的运行，及时统计收球率，发现收球率下降应立即检修。
4、加强机组运行参数监控
运行参数应保持稳定， 尽量不用过热器、再热器减温水， 主汽温度、再热汽温等参数尽量接近设计值。
5、其它技术措施
（1）更换转向导叶环与调节级叶轮径向密封片，调整间隙为0.8～1.2mm，减少漏汽损失。
（2）更换压力级隔板及压力级叶轮径向密封片，调整間隙为0.8～1.2mm，减少漏汽损失。
（3）汽轮机转子动叶片，压力级隔板静叶片，温水盘车清洗，及时清理盐垢，提高蒸汽流动性，减少蒸汽做功能量损失。
四、改造效果
本次改造总投入833388元，在不增加锅炉出力的情况下，每小时净增利润187.7元，185天的正常运行即可回收成本。每年通过改造产生的经济效益为164.63万元，由于原设计技术落后，机组热耗、汽耗都比较高，经济性差，发电成本也高，环境污染严重，采用现代技术对老机组进行改造是非常必要的，本次改造取得的经济效益和社会效益非常可观。改造后对整机内效率有3%～5%的提高，汽轮机在额定工况运行时应比较在改造前同等运行方式下汽耗值降低3%～5%，发电机功率可相对提高出力200～300kw左右。
五、结语
综上，电厂汽轮机节能降耗的措施还有很多，本文着重从设备更新改造方面对节能降耗进行了分析。节能降耗手段应是多样的，不局限于设备方面更新改造。关键在于我们平时的细心观察及运行经验的总结。节能降耗也是一项长期任务，只要每一位员工关心节能降耗这项工作，并投身于这项工作中去，发电成本一定会大大降低，从而为企业创造可观的经济效益。
参考文献：
[1]韩宏洲，范丰慧，王秀江，鲁宝全.GE350MW汽轮机节能取向[J].黑龙江电力，2008.1.
[2]居文平，朱立彤，于新颖.汽轮机辅机运行优化和节能的技术途径[J].电力设备，2007.2.
[3]李明，黄丕维.国产超临界600MW汽轮机热经济性分析及节能潜力研究[J].湖南电力，2008.4.