电厂汽机热力系统运行的优化研究

王广智

（国能吉林龙华热电股份有限公司白城热电厂，白城 137000）

随着能源成本的不断上升和环保法规的日趋严格，电厂对于热力系统效率的提升有着迫切的需求。汽机作为电厂中的关键热力设备，其运行效率直接影响整个电厂的经济性和环境友好度。传统的热力系统设计存在一定的局限性，在实际运行中无法完全满足现代化高效率、环保的要求。优化电厂汽机热力系统，不仅可以提高能源利用率，还能够减少温室气体排放，具有非常重要的理论意义和现实价值。

1 电厂汽机热力系统的优化因素

电厂汽机热力系统的运行优化非常复杂，其核心目标在于提高能效、降低运行成本以及确保系统的可靠性和安全性。实现这些目标需综合考量各种技术参数与操作策略，其中调整汽机内部的工作流体参数（如温度、压力和流量）对于整体效率有直接影响。例如，通过调节过热蒸汽温度与再热蒸汽温度保持最佳的热经济性，不仅能够减少燃料消耗，也能延长部件的使用寿命[1]。稳定的凝汽器背压同样关键，它直接影响汽轮机的排气状态和循环效率，与乏热利用和冷却水系统的设计与运行密切相关。

除调整具体的运行参数外，汽机热力系统优化还可以通过实时监测和智能控制来实现。现代电厂利用先进的传感器、数据采集与分析技术，精确监控关键设备的运行状态。基于此数据，应用算法可以预测和诊断系统潜在的性能退化及故障，实时调整操作模式以达到最优状态。例如，通过实施综合热网优化策略，根据外网需求动态调节发电机组负荷分配和汽轮机抽气量，实现热电联产的最优匹配，既满足用户热负荷又确保电站的经济运行。此外，优化运行中要注意设备本身的维护和改造。对老旧设备进行技术更新，选择更高效的换热器和泵类设备，能够在一定程度上降低系统整体的能耗和排放。

2 汽轮机与发电机组匹配改进

在电厂汽机热力系统中，汽轮机与发电机组的匹配是影响整体效率的重要因素。匹配改进工程通常着眼于两者之间能量转换的有效性和协同工作的和谐性。汽轮机设计优化需要考虑叶片的几何形状、材料选择及其对蒸汽流动路径的引导效率，从而确保在不同的功率输出需求下都能实现最小的能量损失。例如，通过采用三维流动仿真软件，工程师能够模拟并优化叶片设计，以达到最佳的气动性能和强度特性[2]。同时，提升轴承和密封部件的精细度和耐磨性，有助于降低摩擦损耗和热耗散。

调整汽轮机与发电机组之间的协同性，涉及系统的综合调节。通过精确控制汽轮机出口的蒸汽压力和温度，可以更好地适应发电机组的负荷变化，实现能量转换的最大化。发电机参数的调整必须同步，使其能够灵活响应汽轮机发生的动态变化，提高电能质量和供电稳定性。当发电机以最接近设计负荷的运行状态持续工作时，整个系统的能源利用率便达到最高。综合考量汽轮机的热力特性与发电机的电气特性，并对二者进行合理搭配，是持续提升电厂整体效率的关键。这一过程需要兼顾维护周期和零部件更替频率，以延长设备的使用寿命，降低长期运营成本。采用三维流动仿真软件进行汽轮机与发电机组匹配改进分析，如表1 所示。

表1 汽轮机与发电机组匹配改进分析

3 汽机热力系统的系统能效优化

3.1 机组能效优化

机组能效优化是电厂汽机热力系统管理的关键环节，直接关系到电厂的经济效益，对环境保护和资源节约也具有重要意义。实现此目标需要深入剖析机组运行的各个方面，以寻求改进点。例如，通过优化汽轮机的缸间温差控制，可以有效降低不可逆损失，提升循环效率。精确调节各级蒸汽的压力和温度，使其维持在理想状态，有助于发挥设备的最佳性能。为降低热量损失，要严格监控穿堂风、漏风、漏气等非效率因素。在实际应用中，低效运行造成的能量浪费在整个系统的能源消耗占比中不容忽视。

此外，可以采用先进的凝汽器清洁技术。例如，在线清洗或高效换热材料的应用能够显著提高热交换效率，降低背压，提升整个机组的工作效率。除机械改进外，还可以引入高精度的控制系统对机组进行实时监控和优化调度，旨在动态匹配电网需求和设备运行状态。通过虚拟仿真和预测模型，可以在不影响设备寿命的前提下推动机组实现其能效极限。只有充分了解电厂汽机热力系统知识，才能在不断变化的市场环境中将机组能效发挥到极致。

3.2 疏水系统能效优化

疏水系统是电厂汽机热力系统的基本组成部分。它通过移除积聚在系统中的冷凝水，保障设备的运行效率和安全。优化疏水系统的能效涉及减少疏水系统的能量损耗，确保蒸汽尽可能地被用于功率转换而非疏水过程。可以通过改进疏水装置的设计，引入疏水回收利用技术，实现能源的再循环利用。例如，采用可变压力控制的疏水泵能够根据负载变化自动调整流量和压力，从而使系统运行更接近最优工况，减小不必要的动能损失。

为了深入优化疏水系统，还需要精细管理系统中各个环节的热能流动，定期评估疏水设备的性能，从而减少系统隐患。使用智能化监测设备，如温度传感器和流量计，实时跟踪和监测系统内热能流动，能够及时发现和纠正操作中的偏差。大数据分析和机器学习算法能够辅助进行疏水系统行为的模式识别，预测维护需求，避免因故障导致的能效损失。系统性能优化需要注意疏水系统的每个细节，维持其高效运转，真正实现汽机热力系统的能效最优化。

3.3 轴封系统和辅助蒸汽系统优化

轴封系统在汽轮机中承担着防止蒸汽泄漏、保证工作效率的任务。优化轴封系统先要保证轴封的密封性能，这关系到整个系统的热效率和安全性。传统的碳环密封虽然普遍使用，但是摩擦损耗大，维护成本高，因此更多电厂倾向于采用干气封技术[3]。干气封具有低泄漏率和低维护需求的特点，在确保密封效果的同时大幅降低了机组运行的能耗。精细调节轴封供气压力和流量以匹配运行工况，配合实时监控系统检测轴封表面温度和泄漏率等参数，可以最大限度减少额外的能量消耗，优化轴封系统的总体性能。

辅助蒸汽系统主要服务于疏水系统、预热系统及其他不参与主循环但是对功率输出有影响的系统。提高辅助蒸汽系统的能效需要从源头优化透平展开工作，合理调配从汽轮机抽取的蒸汽量，以减少对主循环的影响。将系统设计为在任何可变工况下均有良好表现而非仅在特定负载下效率最优，是当前优化策略的方向。通过增加辅助蒸汽系统的再热回路，可回收部分热能，进一步降低系统对外界能源的依赖。

4 系统运行操作优化

4.1 机组启动优化

优化电厂汽机的启动流程，不仅关乎设备寿命的延长和安全性的提升，更是提升系统整体运行效率的重要一环。汽轮机的启动过程复杂，需要精确控制多个系统参数，并形成预定的启动曲线，包括缸内金属温度梯度、轴承负荷、转速等多个关键点[4]。启动优化的核心目标是减少热应力，避免由于温度变化引起机械应力超过材料许用值而损害元件。渐进式热膨胀操作可以有效控制发电机组各部件的温度差，缓解热应力累积。此外，动态调整启动加热流程，按照实时反馈数据修正加热策略，确保发电机组在最佳温差控制下启动，是有效提升效率、节约燃料消耗的关键。

现代控制技术如模糊逻辑控制和自适应控制，在机组启动中的应用比较普遍。结合实时数据分析能够为操作人员提供最优的启动方案建议，其中包括管道预热、转子和壳体热胀差异的控制、同步加速到额定转速等步骤的详细指导，不但缩短了启动时间，保障了设备的平稳运转，还大大减少了因操作不当造成的能量浪费。同时，配备高精度的传感器监测系统每一个环节，从涡轮转速到压力阀门的开启程度，不断收集数据反馈至中央控制系统。通过数据挖掘与机器学习算法提炼有用信息，并实时调整工作参数，使得启动过程更智能、更精细、更经济。

4.2 气泵启动优化

随着节能技术的发展，变频驱动技术对于调节泵速尤为重要，使气泵系统能够根据实际运行需求动态调整功率，实现能源浪费最小化。结合先进的传感器和实时监控系统可以实时并全面地采集气泵的运转条件数据，运用智能控制算法实时优化启动过程，包括对泵内压力、温度以及流量的精准控制。通过对这些参数的精细调整，能够确保气泵在承受最小应力的同时实现最快的启动，并维持系统整体的高性能运行[5]。高精度传感器的使用还有助于检测和预防潜在的设备故障，延长设备寿命，通过避免非预期停机来减少能耗。操作项目优化分析，如表2 所示。

表2 操作项目优化分析

5 结语

电厂汽机热力系统的运行优化对提升电厂的经济效益和环境效益具有重要作用。目前，电厂汽机热力系统优化的主要策略包括对汽轮机与发电机组的精确匹配、机组能效的精细管理、疏水系统的高效回收利用以及轴封系统和辅助蒸汽系统的先进维护手段。另外，系统运行操作优化，如机组和气泵启动过程的优化，是确保电厂热力系统快速响应和长期稳定运行的关键。