火力发电厂汽机辅机经济运行优化策略探讨

火力发电厂汽机辅机经济运行优化策略探讨

蔡文

神华准能集团有限责任公司内蒙古鄂尔多斯010300

摘要：汽机是火电厂发电进程中重要的一部分，对电能供应与发电运行工作发挥着重要的作用。现阶段，我国科学技术持续更迭换代，对机组运行情况有着更高的要求，但是汽机辅机运行中仍然存在汽机辅机性能不高、运行方案不完善等问题，使其难以符合火电厂发电需求，因此亟待加强汽机辅机的优化运行。本文针对火电厂汽机辅机基本情况展开论述，并提出一定的经济运行策略，希望能够确保火力发电厂汽机辅机的稳定运行，促进电力事业的长远发展。本文对火力发电厂汽机辅机经济运行优化策略进行探讨。

关键词：火力发电厂；汽机辅机；经济运行策略

一、概述火力发电厂汽机辅机的基本情况

现阶段就火力发电厂汽机的辅机设备来说，主要包括：抽汽设备、凝汽设备、冷却设备等，我们依次来分析下：

（1）抽汽设备主要存在两种模式：即容积式真空泵与射流式抽汽机，其中射流式抽汽机别名为射汽式抽汽器，在火力发电厂的运行中起着辅助高压室蒸汽工作的作用，同时可以用其进行抽取气体。容积式真空泵的形式有两种：即离心式抽汽泵与液环式抽汽泵。对比来说，射汽式抽汽器结构相对复杂且体积庞大，投资较高；而容积式真空泵占地小便于安置，操作简单使用方便使用，所消耗成本相对也较低。

（2）冷却系统，即人们常说的冷却水系统。在实际的火力发电厂工作运行中，供水系统主要存在两种不同的形式：即开放式供水系统与封闭式供水系统两种。其中开放式供水系统主要是循环水系统及相连冷却水循环系统，而封闭式供水系统对水质要求更高，主要针对精密机械的冷却。封闭式供水系统主要存在两种款式：冷却池（箱）循环与喷水池循环。

（3）凝汽设备，在实际的工作运行中，凝汽设备的主要构成部件有：凝结水泵、凝汽器、抽真空设备等。其中，凝汽设备在火力发电厂的工作运行中，能够对工质进行回收重新加以利用，保证正常发电工质尽量小的损失。此外，凝汽设备还能够真空环境中进行补给水与凝结水的除氧工作，并在排气口位置制造真空状态，起到提升火力发电厂汽机循环热效率的作用。

二、汽机基础承载力核算

汽机基础需要具有一定的强度，可通过提取荷载信息根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012和《动力机器基础设计规范》GB50040-96规范进行荷载组合，其中动内力的计算可根据空间多自由度体系直接计算动内力，也可根据规范公式按当量荷载简化分析进行核算。汽机基础的强度计算与常规混凝土基础基本相同，不同之处是基础为动力结构，振动荷载需要作为一个单独的荷载工况参与到荷载组合中，同时强度计算需要考虑钢筋和混凝土的疲劳影响。框架式汽机基础应按空间多自由度模型进行核算，其构件内力具有明显的空间性，应考虑梁柱可能需要的各种内力组合。梁柱截面应从垂直和水平两个方向进行承载力分析核算。其中柱截面承载力核算主要包括正截面受拉、正截面受压、斜截面受剪等配筋核算，受扭、疲劳和正常使用极限状态验算（如裂缝、挠度等）通常可不做要求。梁截面承载力核算主要包括正截面受弯和斜截面受剪的配筋核算，受扭、疲劳、正常使用极限状态验算可以不做要求，仅对必要的局部构件进行验算即可。框架式汽机基础的梁处于双向受弯状态，理论上应按照斜向弯曲进行双向受弯核算，如分解成两个相互垂直的单项弯矩核算较为安全，因此梁可以简化为两个单向受弯进行分析核算。但柱截面的双向偏心受压不能简化，应按照双偏压进行核算。汽机基础由于其特殊性，虽为钢筋混凝土框架结构，但其构件截面尺寸由于动力及静变形要求往往远超静力计算的需要。如按照GB50011抗震规范进行配筋，会导致截面配筋密集，对施工造成很大的不便，因此汽机基础配筋构造往往需要结合成熟的工程经验，不必完全遵循抗震构造要求。但汽机基础应根据GB5001规范采用两阶段设计法进行地震作用下的核算。第一阶段应验算多遇地震作用下以概率为基础的构件截面抗震承载力和弹性变形，第二个阶段验算罕遇地震作用下弹塑性变形。一般工程可仅进行多遇地震作用下弹性阶段的验算，而8度Ⅳ类及以上高烈度区，结构的地震作用反应明显加大，为确保汽机基础满足规范的两阶段要求，宜补充罕遇地震作用下的变形验算，可采用静力弹塑性简化分析方法进行验算。框架式汽机基础的底板主要用于嵌固柱子，将上部荷载均匀传给地基，并通过底板刚度调整不均匀沉降。在基础底板承载力核算时需考虑动力折减系数，对框架式基础，当地基为密实的中粗砂、碎石土、基岩或端承桩时可采用1.0，其余取0.8。在验算地基承载力时，通常仅需验算永久荷载作用下地基承载力，不考虑动力荷载和事故工况下偶然荷载的影响。基础底板沉降验算可按GB50007规范要求进行。

三、汽轮机基础动力分析

汽机基础动力分析传统方法有共振法和振幅法，目前工程多采用振幅法进行汽机基础动力分析。动力分析通常采用空间杆系模型，对于600MW及以上容量新型机组的基础宜采用有限元实体单元数模分析。本文介绍采用STAADPro软件建立空间框架模型进行动力分析。首先应根据原有汽机基础数据建立分析模型，添加质量、附加质量、扰力值等荷载相关信息。需特别注意的是，与质量无关的荷载不应添加（如短路力矩、温度膨胀力等），结构质量及附加质量应该分别从X、Y、Z三个方向同时输入，扰力值应根据《动力机器基础设计规范》GB50040-96规范或者设备厂家提供的数据利用STAADPro软件时程函数荷载中的简写函数方式进行输入，并添加到模型扰力点位置。

时程函数参数定义

汽机基础模型（扰力点分布）

然后设置混凝土材料特性数据（如弹性模量、临界阻尼比等），最终执行分析计算，在后处理结果中查看时间-位移曲线，获得各个扰力点X、Y、Z三向计算振幅与规范规定的容许振幅值进行对比分析。根据规范要求建议从0～75%额定转速范围内以及75%～125%额定转速范围内多建立几个动力分析模型进行分析，查看机组在不同工作转速下的振动情况。

四、分析汽机辅机系统运行中存在的各种问题

科学技术不断更迭换代，经济社会稳步发展，我国火力发电厂的汽机辅机设备升级改造，其设备运行效能已经逐渐与发达国家缩小了差距，为我国社会生产与人们工作生活提供足够的电力供应。然而，在汽机辅机的运行中，仍然不可避免的受到各种外界因素的影响，例如电力共组人员缺乏专业素质与技能等，设备管理情况较差，致使汽机辅机在实际的运行中性能存在一定的问题。具体表现为：

（1）火力发电厂运行中，汽机辅机使用性能相对较低。现阶段，我国社会发展中对于用电量的需求不断上升，因此对火力发电厂汽机辅机的运行性能有着较高的要求。然而，即使当前火力发电技术已经不断改造升级，但是仍然无法支撑火力发电的需求。与此同时，火力发电厂的管网性能较低，一旦汽机辅机与管网结合，将对汽机辅机的运行性能造成严重的影响，大幅影响到火力发电厂的运行经济性。

（2）火力发电厂汽机辅机的实施方案不完善。当前，我国用电量持续增加，火力发电厂若想充分满足用电需求，则应该不断调整汽机辅机的运行效率。然而，由于汽机辅机本身的结构复杂，操作存在一定的难度，导致不能适应制定出的实施方案或者不能完全执行，致使汽机辅机运行达不到理想状态和理论参数。故此，火力发电厂汽机辅机的运行方案需要根据需求变化不断改进优化，随时调整实施方案以保证汽机辅机尽量高效运转。

（3）汽机辅机运行缺少足够的资金支持。当前，社会用电量需求不断增加，火力发电厂运行中面临着各种难题与挑战。由于很多火电厂汽机辅机运行中缺少足够的资金支持，使得汽机辅机不能按实际需求和性能优化方案进行改进的，甚至影响到火力发电厂的稳定运行。

五、优化火力发电厂汽机辅机经济运行的几点策略

1、优化火力发电厂汽机辅机抽汽设备

在火力发电厂的实际运行中，汽机辅机占据着重要的地位，并发挥着不可取代的作用。作为凝汽器抽真空装置，汽机辅机的运行情况关系着机组的安全稳定运行状态。故此，强化真空泵系统显得尤为重要，不管是关闭汽机辅机，还是开启汽机辅机都应该始终保证凝汽器的真空状态。在火电厂的正常运行中，最为常见的应用设备是真空喷射器，主要分为喷射器、蒸汽喷射器两种，虽然所运用的媒体不同，但是实际运行的原理是殊途同归的。两者都存在一定的优势与缺点，其中抽真空装置构造较为简单，操作便捷，运行性能稳定，制作成本较低，但是实际运行成本与维护成本较高，甚至容易导致浪费水资源的现象；而真空泵具备启动时间段、机械化操作强、运行功率低等优势，但是同时具备前期投资多，蒸汽处理弱等缺点，对真空系统的运行情况容易造成一定的威胁。在火力发电厂的实际运行中，需要按照自身的实际条件与运行情况选择合适的汽机辅机抽汽设备，确保发电厂机组的稳定运行。

2、优化汽机辅机的回热加热器

若想确保火力发电厂机组的稳定运行，则应该根据实际情况来设计操作各级加热器，不管哪级加热器故障切除都将导致整个汽机及热力系统效率降低，直接降低了火力发电厂的发电效率。加热器的端差是加热器效能的直接体现，如何维持较低的端差又不影响安全运行是研究的方向。要得到低端差势必要维持加热器高水位稳定，这就需要我们的调节系统足够精确和线性，才能既保证安全又保证高效。而国产调节系统在这精细度方面是不过关的，特别是这种低流量低水压的不起眼地方更为突出，还需要不断投入研发制造出更优秀的产品来让我们使用。当然也可以直接采购国外的先进成熟产品，势必成本也会大大高。那么优化的方式也可以变通，在重要的设备使用可靠性和精细度更高的国外产品，在初调或者要求不高的地方使用国产设备，两相集合找到效能与投入的平衡点，出发点还是在于使用者的需求。再加上制定相应的操作规范和管理制度，多管齐下降本增效。

3、优化汽机辅机的运行模式

在火力发电厂汽机辅机中有大量水泵，应该按照发电厂的不同发电需求应用不同的运行模式。按水泵的工作方式主要分为两种类型：定速泵、变频泵。其中定速泵应用最为广泛，包括电动给水泵也使用定速泵（通过液力耦合器改变给水泵转速）。定速泵使用的是定速电机，造价低方便制造，安装调试简单，控制系统也不复杂。然而一旦定速泵的装置出现低负荷运行的情况，将会造成严重的资源浪费情况，主要表现在节流损失大幅上升，泵组效率下降。故此，对水泵进行变频改造是极其有效的提升办法，原因在于变频电机及其附属设备能够在不同工况输出不同转速和功率，保证正常使用的前提下还没有节流损失，大大提高了效率。但变频装置造价高、设备体积大、安装维护难度高、控制系统复杂，所以要按需安装做到效益最大化。在控制成本和维护难度的前提下，定速和变频泵组综合采用。

4、优化汽机辅机给水泵

事实上，火力发电厂运行中，电动给水泵是耗电量最大的辅机设备，所以若想保证汽机辅机机组的经济运行，则应该加强电动给水泵耗电量的控制。除了变频改造外，还有更经济的汽动给水泵组可以采用。具体优化措施有：①处于启动炉供汽或者临机辅机运行状态下，采用前置泵为锅炉提供水源升温升压；②如果汽包压力大于0.8MPa时，则应该借助于冲动小轮机带动汽动给水泵来为锅炉提供水源，减少电动给水泵的使用时间。当然电动给水泵反应迅速，作为紧急备用使用，在异常情况下可以保证安全还是必不可少。成本控制前提下可以削减电动给水泵的容量，但是不能不设置电动给水泵。

结束语

综上所述，汽机辅机作为火力发电系统中至关重要的工作部件，在火力发电中占据着重要的位置。但是，在当前火力发电汽机辅机运行中，仍然存在着实际性能不强效率低等问题，严重影响汽机的高效经济运行，故此亟待优化汽机的经济运行状况。按需改造在满足使用需要的同时，优化可靠性提高效率，且还要兼顾经济性，才能促进电力事业的长远发展。

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