电厂运营分析分论之一：汽机效率的影响因素

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汽轮发电机组热效率是指汽轮发电机组每千瓦时发电量相当的热量占发电热耗量的百分比，专业上一般简称汽机效率。日常也常用汽轮机热耗率表示，比如现在新建的600MW超临界（SC）机组，其汽机热耗率一般在7506~7566kJ/kWh, 600MW超超临界（USC）机组则在7328~7455kJ/kWh，1000MW USC机组在7316~7360kJ/kWh。

单位	1000MW USC	660MW USC	600SC	350SC
KJ/kWh	7316~7360	7328~7455	7506~7566	7646~7715

 

汽轮机效率=3600/汽机热耗率×100%，从这里我们得到一个概念，汽机热耗率是越小越好的。汽机热耗率计算为：蒸汽在锅炉中的总吸热量/发电机输出功率，即：（给水在锅炉中的能量增加 + 过热器减温在锅炉中的能量增加）+（再热冷段蒸汽在锅炉中的能量增加+再热器减温水在锅炉中的能量增加）/发电机输出功率。汽机热耗率HR公式为：

 

HR = {F_fw(H_ms-H_fw)+F_crh(H_hrh-H_crh)+F_ssp(H_ms-H_ssp)+F_rhsp(H_hrh-H_rhsp)}/P

 

Fms – 主蒸汽流量 kg/h

Ffw –  最终给水流量kg/h

Hms – 主蒸汽焓值kJ/kg

Hfw –主给水焓值kJ/kg

Fcrh – 冷再热流量kg/h

Hhrh – 热再热焓值kJ/kg

Hcrh –冷再热焓值kJ/kg

Frhsp –再热减温水流量kg/h

Hrhsp – 再热减温水焓值kJ/kg

Fssp –过热减温水流量kg/h

Hssp – 过热减温水焓值kJ/kg

P –发电机终端输出功率kW

 

上式中各参数其实是相互影响的，它们并不是独立的变量，但按照朗肯循环的原理，朗肯循环的效率只取决于循环工质（蒸汽）的初参数及终参数，实际汽轮机的热耗率用朗肯循环吸热与做功的关系可表示为：

HR=Q0/( N_tɥ_0iɥ_mɥ_g)

Q0 – 汽机循环每公斤蒸汽的吸热量kJ/kg

N_t – 每公斤蒸汽所做的功 kWh/kg

ɥ_0i – 汽轮机的相对内效率 %

ɥ_m– 机组的机械效率%

ɥ_g – 发电机的效率%

 

 

我们要树立这样一个概念，汽轮发电机组的热效率是火力发电厂生产过程中对机组效率影响最大的一项指标，因为锅炉效率一般可达到92%~94%左右，汽机热效率却只有不到50%的水平（另外50%多为冷源损失，热量在凝汽器中被冷却水带走）。

 

对于汽机热耗率的影响因素可归结为以下5大方面：

1）汽轮机本体效率的影响

• 高压缸效率

• 中压缸效率

• 低压缸效率

2）初参数及终参数的影响

• 主蒸汽压力

• 主蒸汽温度

• 再热蒸汽温度

• 再热蒸汽压损

• 凝汽器压力

3）回热系统中其他参数的影响

• 最终给水温度

• 再热器减温水流量

• 给水泵焓升

• 凝结水泵焓升

• 加热器给水端差

• 加热器疏水端差

• 凝汽器端差

• 凝汽器过冷度

• 机组补水率

4）其他用途消耗蒸汽的影响

• 锅炉吹灰蒸汽流量

• 小汽轮机进汽流量

• 轴封漏汽量

• 阀门内漏

5）热力循环中的蒸汽能量损失

• 调节阀运行方法及开度

• 设备散热损失

 

汽轮机发电机组能耗指标分析的重点是影响汽轮机热效率的各项主要指标。

1）汽轮机本体效率的影响

高、中、低压缸缸效越高，热耗率越低。缸体效率对热耗率的影响大小依次为高缸最大，中缸次之，低缸最小。所以，要保证汽机效率必须保证汽轮机本体效率，特别是高、中压缸效率。

2）初、终参数的影响

主、再热蒸汽的压力与温度（初参数），以及凝汽器压力（终参数）也是影响汽机热耗率的最大因素之一。要提高汽机热效率，要提高蒸汽初参数，降低终参数。这就象水电大坝上下水位落差越大，水的做功能力越强一样，还是容易理解的。这也是为什么现在我们要大力发展超临界、超超临界机组，当然，初参数的提高主要取决于金属材料技术的进步，现在欧美日及我国都在继续研究700⁰C超超临界机组，关键是解决金属材料问题。如果一切顺利，我国将会在“十三五”期间建设第一台700⁰C超超临界机组。

对于采用再热，这是由于再热的附加循环比主汽基本循环有更高的热效率，因而可提高再热循环的热效率。这也是为什么目前国内在大力发展二次再热超超临界机组，如国电泰州电厂的二期项目就是二次再热USC机组。

终参数主要是提高凝汽器真空，保证系统的严密性。凝汽器的真空主要是靠水冷却来冷却使低缸排汽凝结成水，并用真空泵把系统中的不凝结气体排出。近年来我国在西北地区新建的电厂也使用空冷机组，用空气来冷却低缸排汽，由于空气冷却效果要比水差，所以空冷机组的汽机热耗率要比水冷机组高得比较多。

3）回热系统参数的影响

给水回热系统的作用表现在两个方面：①从蒸汽热量的利用方面来看，回热抽汽无冷源热损失，减少凝汽器冷却水带走的热量损失，提高了循环的热效率；②从温差换热过程看，回热抽汽对给水加热时的换热温差要比锅炉烟气换热时小得多，减少了给水加热过程的不可逆性，也减少了冷源损失，提高了循环的热效率。这就是为什么要保持回热系统中参数的正常。

 

采用给水回热加热，一般可节省燃料10％～15％。给水回热系统对热经济的影响直观地反映到给水温度上，而加热器投入率、加热器端差、除氧器运行方式等对回热系统的利用效果影响很大。

 

• 最终给水温度：给水回热的经济性主要决定于给水的最终温度和回热级数。对于给定的回热级数，给水温度有一最佳值。实际采用的给水温度往往低于理论最佳值，因为提高给水温度时锅炉排烟温度随之提高，而锅炉效率则降低。此外，随着回热级数增多,热效率增加,其相对增益逐渐减小，加热器设备投资和维护费用相应增加。因此，实际采用的给水温度常为理论最佳值的0.65～0.75。对运行机组，同一负荷下给水温度的高低可以用来衡量回热系统的回热效果。给水温度每升高1℃，可使热耗率降低0.03％～0.05％。所以，运行中应充分利用回热加热设备，尽量提高给水温度。

• 加热器端差对机组经济性的影响：加热器的给水加热性能可用端差(又称上端差、出口端差)和疏冷段端差(又称下端差、入口端差)来表示。端差越大，机组经济性越差。

• 过热器及再热器减温水流量的影响：一般过热器减温水流量对汽机热耗率有影响，但不大，再热器减温水流量却对汽机热耗率有较大影响。这主要是因为如过热器减温水取自高加出口，对回热系统基本没影响，如取自给泵出口，因过热器减温水不经过高加回热，减少高加回热抽汽，降低回热程度，使经济性降低。再热器减温水对汽机热耗率影响大主要是因为其只在中、低压缸做功，是一个非再热的中参数或是比中参数还低的一个循环，与主循环相比，其热经济性要低得多。

• 过冷度：凝结水过冷度表征了凝汽器热井中凝结水的过度冷却程度，可定义为在凝汽器壳体中的绝对静压力下，离开热井时的凝结水温度与凝汽器中蒸汽的饱和温度之差。凝结水过冷度是衡量凝汽器经济运行的重要指标，也是影响汽轮机经济运行的重要因素。过冷度每增加1℃，机组热耗率上升0.02%～0.04%，因为在其他条件相同的情况下，过冷度的存在会引起回热系统多消耗抽汽量。

• 补水率：这里主要是针对凝汽器的热井补水而言。热井补水一般来自常温除盐水，它的温度相对于真空状态下的凝水来说要低，那么大量的补水必定造成凝汽器的过冷度增加。补水率是反映机组汽水损失大小的主要指标。影响补水率的主要有发电汽水损失率、锅炉排污率、发电自用蒸汽消耗量、对外供热（水）量、吹灰用汽量等。发电汽水损失主要是由于阀门、管道泄漏以及疏水不回收等造成的。锅炉排污率主要受汽水品质影响。

 

当然了，其他因素也会影响热耗率，但其原因相对上面这些因素来说要容易理解得多。这也是为什么上述问题会是最热门话题的原因。

 

这些指标在《电厂指标管理手册》中会分为一级、二级、三级、四级指标，二级是一级的分解(下钻)指标，三、四级同理。因为指标众多，关系复杂，在汽机效率影响因素中指标非常多，特别是四级指标，在此不过多下钻。我们会在下期讲完《厂用电的影响因素》之后对整个能效指标体系来个总结，以反映机组效率的各种影响因素及其之间的层次关系。

 

文中因为涉及到大量热力学理论知识，如理解困难，可在网上查阅朗肯循环方面的知识，或在微信平台留言，我们一起进行讨论。期待每期有您！

转自：我们电厂人

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