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摘 要：经济社会的发展离不开电力行业的发展，而火力发电是我国目前主要的发电方式，也是高耗能行业。在可持续发展战略下，火力发电场的节能降耗是重点关注问题。而汽轮机是火电厂正常运行的关键设备，如何提高汽轮机的运行效率、降低能耗是亟待解决的问题。本文首先分析了汽轮机系统的构成及影响汽轮机高能耗的主要因素。在此基础上，一方面从汽轮机本体系统、回热系统、冷端系统、排水系统及引入胶球清洗系统等方面进行系统优化达到节能目标，另一方面从减少泄露损失方面对蒸汽轮机节能方法进行探索。汽轮机节能降耗的研究和应用对于电力行业的可持续发展，对于保障国民经济稳定运行具有重要的实际意义。
关键词：汽轮机 能耗 节能 效率
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0095-03
Causes of High Energy Consumption of Steam Turbines and Energy-Saving Measures
DAI Jiazhang
（Zhejiang Energy Group Aksu Thermal Power Co.， Ltd.， Aksu， Xinjiang， uygur autonomous region， 843000 China）
Abstract： Economic and social development is inseparable from the development of the power industry， and thermal power generation is currently the main power generation method in my country， and it is also a high-energy-consuming industry. Under the sustainable development strategy， the energy saving and consumption reduction of thermal power plants is a key concern. The steam turbine is the key equipment for the normal operation of thermal power plants. How to improve the operating efficiency of the steam turbine and reduce the energy consumption is an urgent problem to be solved. This article first analyzes the composition of the steam turbine system and the main factors affecting the high energy consumption of the steam turbine. On this basis， on the one hand， the steam turbine body system， regenerative system， cold end system， drainage system and the introduction of the rubber ball cleaning system are optimized to achieve energy-saving goals. On the other hand， the steam turbine energy-saving methods are reduced in terms of leakage loss. Explore. The research and application of steam turbine energy saving and consumption reduction are of great practical significance for the sustainable development of the power industry and for ensuring the stable operation of the national economy.
Key Words： Steam turbine; Energy consumption; Energy saving; Efficiency
汽輪机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外作功。蒸汽轮机是发电厂发电的主要设备，整体结构非常复杂。在运行中，蒸汽轮机的不规则运转导致蒸汽轮机的各个部分发生变化。这种不当操作将导致过载，这将增加蒸汽轮机的能耗。在使用过程中，蒸汽轮机将不断打开和关闭，这是高能耗的原因之一[1]。
1 汽轮机的构成和分类
汽轮机由静止部分和转动部分组成。静止部分包括汽缸、隔板、喷咀和轴承等;转动部分包括轴、叶轮、叶片和联轴器等;此外，还有汽封和盘车装置。汽轮机结构如图1所示。
按工作原理区分，主要包括蒸汽在各级喷嘴（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[2]。 按热力特性区分，主要包括凝汽式、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轮机的叶片汽供热的汽轮机。饱和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。
2 影响汽轮机高能耗的因素
作为电厂原动机的汽轮机，相应的汽轮机组能够使得热能、电能和动能相互转化，汽轮机可以和锅炉、泵、加热器等一起使用。汽轮机组的能耗偏高原因有两个：第一是汽机本身，外缸和喷嘴室容易变形，轴端汽封和隔板汽封漏气情况较严重，调节阀油动机提升力不充足，低压缸出汽边水腐蚀比较严重，气阀压损失较大，热力系统容易出现泄漏，汽轮机组自身泄漏情况也比较严重;第二是机组的调整和运行方面。凝汽器的真空有些偏高、冷却水的过高温度、实际运行负荷和参数没有对应、未采取运行技术及优化运行方式等都会增加能耗的运行，使电厂成本支出加大[3-4]。
在汽轮机实际的能量转换过程中，除喷嘴损失、动叶片损失和离开速度损失外，还有端壁损失、扇形损失、盘式摩擦损失，部分进气损失、泄漏损失、水分损失等阶段。阶段的实际焓降降低，并且由于这些损失，效率降低。以某脉冲式汽轮机为例，分别计算了高压缸和中压缸阶段的损失分配。根据两个阶段的位置，不存在部分进入损失和水分损失。
脉冲或反作用蒸汽轮机的转子和定子之间有一定的径向间隙，并且一个间隙的两侧具有一定的压力差。因此，会导致工作蒸汽从间隙泄漏到隔膜或叶片的背面，并造成泄漏损失。除了按需要向下游流动外，蒸汽还会在固定叶片和转子之间，或者在旋转叶片尖端和固定缸之间泄漏。密封件提供了一个或多个限制，以最小化这些泄漏流。显然，各种类型的密封件的尖端与相邻的旋转或固定部分之间的间隙越小，不良的泄漏就越少。泄漏损失通常包括隔膜填料的泄漏损失和尖端泄漏损失。
3 蒸汽轮机系统优化节能
加强对火力发电节能减排的研究，已成为维护中国经济可持续发展的关键问题[5-6]。本文从蒸汽轮机系统优化和减少泄露损失两个方面进行汽轮机节能探讨。
3.1 蒸汽轮机系统优化
3.1.1 冷端系统改造
在循环水系统中安装第二个过滤器大大缓解了冷凝器堵塞的问题。在循环泵上加装变频器，根据冷却水量调节泵功率，节省大量电能。采用真空泵工作液冷却装置，提高夏季冷凝器的真空度，延长了真空泵的使用寿命。
3.1.2 排水系统改造
使涡轮机和涡轮机的疏水通道进入不同的疏水膨胀位置，调节支管和总管之间的角度，并使进入方向朝向疏水膨胀器，以确保疏水性平滑。在主蒸汽管和再热蒸汽管的疏水管道上加装节流装置，避免由于主蒸汽和再热蒸汽参数值过高以及冷却水不足而导致疏水膨胀的温度过高和过压的情况。
3.1.3 引入胶球清洗系统
使用有效的胶球清洗系统可达到95%或更高的集球率，减少冷凝器污垢系数，改善传热效果，并改善冷凝器真空度。
3.2 减少泄露损失
蒸汽轮机中发生的主要损失是作为泄漏而发生损失，该泄漏使蒸汽绕过叶片排，因此对叶片排中产生的功率不做任何功[7]。为了提高汽轮机的运行效率，汽轮机流道的设计间隙很小，通常约为0.5～1mm。
采用新型的接触铁氧体蜂窝状蒸汽密封代替旧的迷宫梳状蒸汽密封，蜂窝密封技术的作用是节流膨胀和涡流消散能量。节流膨胀原理类似于旧的迷宫梳蒸汽密封。涡流耗散能量是由于气体进入密封腔后突然填充到蜂窝孔中。蜂窝芯吸收了能量，但蜂窝单元无法存储能量，因此蜂窝孔会阻止蒸汽泄漏。与传统的蒸汽密封相比，蜂窝蒸汽密封可以使径向间隙减小，减少泄漏，并吸收蒸汽中的水分，有效减少叶片的侵蚀。蜂窝状蒸汽密封结构如圖2所示。实践表明，改造机组的热耗率降低了4.9%以上，汽缸效率提高了3%～5%，技术指标已经非常接近机组的设计值。在变化的负载条件下运行的热耗率单位趋于平稳。年节能量为4万t标准煤，该机组经济效益得到了明显改进，节能效果显著。
4 结语
本文通过对蒸汽轮机的组成和分类的分析，得出汽轮机高能耗的影响因素主要包括本体系统和蒸汽泄露两个原因。继而通过蒸汽轮机本体系统的优化以及泄露损失的减少措施，不仅提高了能源效率和经济效率，而且还提高了蒸汽的有效利用率。为蒸汽轮机系统的技术改造和节能潜力的挖掘提供了指导。此外，相关措施也可广泛应用于工业供热、工艺流程和行业回收系统的各个部门，为企业创造可观的节能效率。
参考文献
[1] 王建录，张晓东，侯明军.超超临界二次再热机组汽轮机应用现状与展望[J].热力发电，2017，46（8）：11-15.
[2] 袁荣科.浅谈提高烧结余热发电量的技术创新与工艺优化[J].科技资讯，2019，17（18）：34-35.
[3] 陈荣青.关于电厂热机设备运行中的常见问题及技术研究[J].化工管理，2017，40（6）：78-82.
[4] 胡华强，徐运达，李晓倩. 燃气—蒸汽联合电厂循环水系统优化与循环水泵的选择[J]. 电力勘测设计，2020（11）：30-34.
[5] 薛锋.汽轮机通流部分故障及诊断分析[J].科技资讯，2019，17（25）：62-64.
[6] 张立春.火电厂机组汽轮机本体检修的几点思考[J]. 科技创新导报，2017，32（25）：58-61.
[7] 杨宇，王家鋆.汽轮机缸效率变化对热耗率影响的计算方法研究[J].汽轮机技术，2021，63（1）：5-7.
关键词：汽轮机 能耗 节能 效率
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0095-03
Causes of High Energy Consumption of Steam Turbines and Energy-Saving Measures
DAI Jiazhang
（Zhejiang Energy Group Aksu Thermal Power Co.， Ltd.， Aksu， Xinjiang， uygur autonomous region， 843000 China）
Abstract： Economic and social development is inseparable from the development of the power industry， and thermal power generation is currently the main power generation method in my country， and it is also a high-energy-consuming industry. Under the sustainable development strategy， the energy saving and consumption reduction of thermal power plants is a key concern. The steam turbine is the key equipment for the normal operation of thermal power plants. How to improve the operating efficiency of the steam turbine and reduce the energy consumption is an urgent problem to be solved. This article first analyzes the composition of the steam turbine system and the main factors affecting the high energy consumption of the steam turbine. On this basis， on the one hand， the steam turbine body system， regenerative system， cold end system， drainage system and the introduction of the rubber ball cleaning system are optimized to achieve energy-saving goals. On the other hand， the steam turbine energy-saving methods are reduced in terms of leakage loss. Explore. The research and application of steam turbine energy saving and consumption reduction are of great practical significance for the sustainable development of the power industry and for ensuring the stable operation of the national economy.
Key Words： Steam turbine; Energy consumption; Energy saving; Efficiency
汽輪机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外作功。蒸汽轮机是发电厂发电的主要设备，整体结构非常复杂。在运行中，蒸汽轮机的不规则运转导致蒸汽轮机的各个部分发生变化。这种不当操作将导致过载，这将增加蒸汽轮机的能耗。在使用过程中，蒸汽轮机将不断打开和关闭，这是高能耗的原因之一[1]。
1 汽轮机的构成和分类
汽轮机由静止部分和转动部分组成。静止部分包括汽缸、隔板、喷咀和轴承等;转动部分包括轴、叶轮、叶片和联轴器等;此外，还有汽封和盘车装置。汽轮机结构如图1所示。
按工作原理区分，主要包括蒸汽在各级喷嘴（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[2]。 按热力特性区分，主要包括凝汽式、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轮机的叶片汽供热的汽轮机。饱和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。
2 影响汽轮机高能耗的因素
作为电厂原动机的汽轮机，相应的汽轮机组能够使得热能、电能和动能相互转化，汽轮机可以和锅炉、泵、加热器等一起使用。汽轮机组的能耗偏高原因有两个：第一是汽机本身，外缸和喷嘴室容易变形，轴端汽封和隔板汽封漏气情况较严重，调节阀油动机提升力不充足，低压缸出汽边水腐蚀比较严重，气阀压损失较大，热力系统容易出现泄漏，汽轮机组自身泄漏情况也比较严重;第二是机组的调整和运行方面。凝汽器的真空有些偏高、冷却水的过高温度、实际运行负荷和参数没有对应、未采取运行技术及优化运行方式等都会增加能耗的运行，使电厂成本支出加大[3-4]。
在汽轮机实际的能量转换过程中，除喷嘴损失、动叶片损失和离开速度损失外，还有端壁损失、扇形损失、盘式摩擦损失，部分进气损失、泄漏损失、水分损失等阶段。阶段的实际焓降降低，并且由于这些损失，效率降低。以某脉冲式汽轮机为例，分别计算了高压缸和中压缸阶段的损失分配。根据两个阶段的位置，不存在部分进入损失和水分损失。
脉冲或反作用蒸汽轮机的转子和定子之间有一定的径向间隙，并且一个间隙的两侧具有一定的压力差。因此，会导致工作蒸汽从间隙泄漏到隔膜或叶片的背面，并造成泄漏损失。除了按需要向下游流动外，蒸汽还会在固定叶片和转子之间，或者在旋转叶片尖端和固定缸之间泄漏。密封件提供了一个或多个限制，以最小化这些泄漏流。显然，各种类型的密封件的尖端与相邻的旋转或固定部分之间的间隙越小，不良的泄漏就越少。泄漏损失通常包括隔膜填料的泄漏损失和尖端泄漏损失。
3 蒸汽轮机系统优化节能
加强对火力发电节能减排的研究，已成为维护中国经济可持续发展的关键问题[5-6]。本文从蒸汽轮机系统优化和减少泄露损失两个方面进行汽轮机节能探讨。
3.1 蒸汽轮机系统优化
3.1.1 冷端系统改造
在循环水系统中安装第二个过滤器大大缓解了冷凝器堵塞的问题。在循环泵上加装变频器，根据冷却水量调节泵功率，节省大量电能。采用真空泵工作液冷却装置，提高夏季冷凝器的真空度，延长了真空泵的使用寿命。
3.1.2 排水系统改造
使涡轮机和涡轮机的疏水通道进入不同的疏水膨胀位置，调节支管和总管之间的角度，并使进入方向朝向疏水膨胀器，以确保疏水性平滑。在主蒸汽管和再热蒸汽管的疏水管道上加装节流装置，避免由于主蒸汽和再热蒸汽参数值过高以及冷却水不足而导致疏水膨胀的温度过高和过压的情况。
3.1.3 引入胶球清洗系统
使用有效的胶球清洗系统可达到95%或更高的集球率，减少冷凝器污垢系数，改善传热效果，并改善冷凝器真空度。
3.2 减少泄露损失
蒸汽轮机中发生的主要损失是作为泄漏而发生损失，该泄漏使蒸汽绕过叶片排，因此对叶片排中产生的功率不做任何功[7]。为了提高汽轮机的运行效率，汽轮机流道的设计间隙很小，通常约为0.5～1mm。
采用新型的接触铁氧体蜂窝状蒸汽密封代替旧的迷宫梳状蒸汽密封，蜂窝密封技术的作用是节流膨胀和涡流消散能量。节流膨胀原理类似于旧的迷宫梳蒸汽密封。涡流耗散能量是由于气体进入密封腔后突然填充到蜂窝孔中。蜂窝芯吸收了能量，但蜂窝单元无法存储能量，因此蜂窝孔会阻止蒸汽泄漏。与传统的蒸汽密封相比，蜂窝蒸汽密封可以使径向间隙减小，减少泄漏，并吸收蒸汽中的水分，有效减少叶片的侵蚀。蜂窝状蒸汽密封结构如圖2所示。实践表明，改造机组的热耗率降低了4.9%以上，汽缸效率提高了3%～5%，技术指标已经非常接近机组的设计值。在变化的负载条件下运行的热耗率单位趋于平稳。年节能量为4万t标准煤，该机组经济效益得到了明显改进，节能效果显著。
4 结语
本文通过对蒸汽轮机的组成和分类的分析，得出汽轮机高能耗的影响因素主要包括本体系统和蒸汽泄露两个原因。继而通过蒸汽轮机本体系统的优化以及泄露损失的减少措施，不仅提高了能源效率和经济效率，而且还提高了蒸汽的有效利用率。为蒸汽轮机系统的技术改造和节能潜力的挖掘提供了指导。此外，相关措施也可广泛应用于工业供热、工艺流程和行业回收系统的各个部门，为企业创造可观的节能效率。
参考文献
[1] 王建录，张晓东，侯明军.超超临界二次再热机组汽轮机应用现状与展望[J].热力发电，2017，46（8）：11-15.
[2] 袁荣科.浅谈提高烧结余热发电量的技术创新与工艺优化[J].科技资讯，2019，17（18）：34-35.
[3] 陈荣青.关于电厂热机设备运行中的常见问题及技术研究[J].化工管理，2017，40（6）：78-82.
[4] 胡华强，徐运达，李晓倩. 燃气—蒸汽联合电厂循环水系统优化与循环水泵的选择[J]. 电力勘测设计，2020（11）：30-34.
[5] 薛锋.汽轮机通流部分故障及诊断分析[J].科技资讯，2019，17（25）：62-64.
[6] 张立春.火电厂机组汽轮机本体检修的几点思考[J]. 科技创新导报，2017，32（25）：58-61.
[7] 杨宇，王家鋆.汽轮机缸效率变化对热耗率影响的计算方法研究[J].汽轮机技术，2021，63（1）：5-7.