摘要：随着社会的不断进步，电能作为人民生产生活的主要能量来源，需求日益增多，其中，大部分的电能来自于火力发电厂。作为传统的发电方式之一，火力发电一直面临着能耗巨大，效率低下以及污染严重的问题。尤其是在如今倡导绿色高效的清洁能源的时代背景下，加强研究火力发电节能降耗是一项具有重要战略意义的工作。汽轮机组是火力发电过程中的重要环节，一直是降低能耗的重点。本文简要探讨火电厂发电过程中，如何提高汽轮机组效率，降低机组运行过程中的能耗，以期给更多技术人员提供借鉴。
关键词：火力发电厂；汽轮机组；节能降耗；措施
目前，火力发电依然是我国电能生产的主要方式，承担着国民经济发展的重要角色。火力发电厂的能耗不仅仅影响到发电厂自身的经济、稳定运行，而且关系到我国电力能源的可持续发展。必须予以充分重视。
1.火力发电厂汽轮机基本工作原理与主要特点
1.1 基本工作原理
汽轮机是火力发电中热能转换重要装置，其基本原理是利用冲动作用以及反动作用将燃料燃烧产生的流动蒸汽转换为叶片的转动动能进而推动机构做功，产生电能。冲动与反动作用的区别在于冲动作用下汽流在动叶汽道中的速率没有发生明显变化，变化的只是运动的方向。相比之下，反动作用时，蒸汽在汽流通道内不仅会方向产生改变，而且会受到温度升高的影响加速膨胀。因此蒸汽的运动速率和运动方向要尽可能的有序，减少内部损耗和无功输出。
1.2 主要特点
火力发电始终离不开蒸汽，如何发挥燃烧热能产生更多的蒸汽动能，推动汽轮机组运动是提高发电机组能源转换效率的关键所在。作为发电厂的主要设备，发电机和汽轮机由于受到各种因素的影响，其工作效率通常呈现如下特点：
（1）煤炭燃烧热能转换时具有较高的热效率。据有效统计，我国热电厂中的供热机组热效率普遍能够达到80%甚至90%以上，凝汽式汽轮机组的热效率综合计算也能达到40%以上；
（2）作为一种可以连续工作的回旋机械，汽轮机的单机功率较大，但整机机组的效率不高；
2.涉及火力发电汽轮机组能耗的主要因素
研究汽轮机组的能耗问题，不得不提到汽轮机内效率。汽轮机内效率可以直观看出汽轮机运行时的关键技术指标，是能量转换构成中的重要评价参数。具体而言，机组的效率可以分为相对内效率以及绝对内效率。蒸汽的理想比焓降不可能全部变为有用功，而有效焓降小于理想焓降，两者之比即汽轮机相对内效率。绝对内效率是相对内效率与循环热效率的乘积。循环热效率是反应热功转换的完善程度指标。蒸汽在由一种状态点开始，经过一系列的状态变化，又回到原来状态点的全部变化过程的组合叫做热力循环，简称循环。蒸汽每完成一个循环所做的净功和工质在循环中从高温热源吸收的热量的比值叫做循环的热效率。循环热效率说明了循环中热转变为功的程度，η越高，说明工质从热源吸收的热量中转变为功的部分就越多，反之转变为功的部分越少。
2.1 电力负荷的起伏变化
电力从产生到输配、再到用户使用，其中要经过电力网络的一系列运行。在这一过程中，用户端的电能需求往往不是一成不变的固定值，而是随着各种因素呈现出较大的波动，这就造成了电力负荷不断的谷峰起伏，发电厂的汽轮机组为了尽可能适应这种峰谷变化必须不断调整输出状态，因此产生了额外的能量损耗。
2.2 气缸效率
根据汽轮机组的工作原理可知，我国多数的火力发电厂的汽轮机组普遍存在着一定的问题，主要表现在气缸安装存在一定的技术偏差，从而造成效率较低。虽然能够满足主要的动力输出与转化功能，但运行过程中能耗较高，而且运行的稳定性较差。这一方面将会是未来汽轮机组节能减耗的重点课题之一。
2.3 环境条件的影响
任何一个发电厂的运行，都需要有一个相对稳定的工作环境条件，尤其是环境温度和气压状况，直接影响到汽轮机组内煤炭等燃料的燃烧效果以及机组内水压的高低状况。在不同的温度和气压环境下，相同的设备输出的蒸汽流量也会相差很大。如果由于气压或温度等影响导致燃烧不充分，汽轮机组内的零部件会存在积垢腐蚀等严重问题。为了解决这一问题，一方面可以从外部人手，尽可能保证汽轮机的运行环境稳定。另一方面，增加气体流通性，科学计算机组内喷水量以及燃料的供应情况，合理增加空气吹人量，使得燃料充分燃烧，减少污染物的排出。
3.火力发电廠汽轮机组节能降耗措施
3.1 保持凝汽器的最佳真空状态
以上海汽轮机厂生产的型号为CC100 - 11.6/4.2/1.3的IOOMW机组为例：机组内的凝汽器主要功能是将燃料燃烧产生的蒸汽通过冷却凝结转换成液态水，凝汽器的运行状况往往会直接影响到汽轮机的安全性和工作效率，当凝汽器在长时间连续运行缺少维护的情况下，凝汽器内会混进大量的空气，蒸汽的凝结效果不佳，进而造成能量的散失。因此提高凝汽器的经济性，通常需要让凝汽器可以工作在最佳的真空状态，进而可以降低汽轮机组能量的浪费。
3.1.1 降低凝汽器的热负荷
汽轮机组的热效率提升，不仅仅要使汽轮机组的各个部件工作在适当的环境条件下，而且要采取一定的措施降低凝汽器的热负荷，针对现有的发电设备，通常有以下措施：一方面，能够把加热器安装位置进一步优化，减少凝汽器受到热效应影响，负荷增大进而造成能耗增加。根据排汽缸的结构特点，凝汽器和加热器安装连接顺序可以调整为加热器介于排汽缸体的口部位置，并与凝汽器顶部形成一定的间隙，由此来提高热量的传输效率。另一方面，可以增加设置雾化喷头，加快蒸汽的凝结速度，并且为凝汽器工作在真空状态的形成提供良好的环境。这一措施的成本较低，效果显著，已经广泛应用在众多火力发电项目当中并取得了良好的应用效果。但是值得关注的是上述措施并不是适用于所有的设备和条件，具体的措施需要结合设备不同的使用条件进行具体分析。
3.1.2 维护凝汽器表面的清洁
在长时间的运行后，凝汽器的冷却凝结效果会逐渐降低，主要原因在于冷却结构表面形成的污垢，这些污垢无形中构成了凝结器铜管上的保温层。必须予以及时的清理。清理方法多种多样，但最为普遍有效和经济成本较低的是化学酸洗以及机械清洗法。
（1）机械清洗法。机械清洗法通常是适用于凝汽器表层的污垢产生初期，在这时的污垢层通常是比较蓬松，附着力不强。利用机械清洗能够有效减少泥沙灰尘等污垢的附着，而且劳动强度较小，经济成本最低。但是最大的弊端是会对凝汽器内部的铜管造成机械损伤。对于清理不彻底的污垢容易形成新的污垢晶核，后期难以去除。尤其是对于国内有些厂家所制造的气缸在接合面位置受到焊接加工等技术因素制约，在经过机械清洗时很容易产生裂缝，若不加以维护密封处理，将会给后期的安全运行带来了极大的隐患，这也是机械清洗法的另一大弊端。
（2）酸洗法。酸洗法主要是利用有机酸性化学溶液对污垢的溶解效应来进行的清理。这一方法适用于污垢产生后的任何阶段，清洗效果较为彻底，而且清理速度快，无残留和腐蚀。化学清洗的步骤相对于机械清洗较为繁琐，不仅需要断开凝汽器与其他系统的连接，而且需要对凝汽器进行酸洗前试压，试压过程中针对不同的凝汽器保证清洗过程中产生的气体能够有效的充满和排出。还需要实时监测清洗时凝汽器内部有无产生气体或液体的泄露。清洗冲刷过程中的温度要保持在适当的阈值，酸洗采用的试剂要按照清洁度的具体要求进行科学配制。
在清洗完成之后检查清洗效果是不可缺少的环节，在此环节，要着重观察清洗槽中的观察管，内外表面应无污垢和残留，而且无脱锌腐蚀的情形。
随着化学制剂开发的不断成熟，一些新型的除垢剂、表面活性剂等逐渐得以推广运用。而且一些新型的制剂不仅可以除垢，还可以使凝汽器内部形成完整致密的钝化膜，减少了后期的维护工作量。
3.2 增加真空系统的密封性
作为蒸汽与凝液的转换装置，系统在真空状态下才能发挥出最大效率，输出的能效值也是最高。因此，为使汽轮机组的状态一直保持在真空状态，一些研究人员先后提出了一系列的增加系统密封性措施，关键在于如何能够经常性的监测真空系统的气密性，在外部负荷改变时，动态调整内部蒸汽压力减少系统内外压差。当初参数低于规程规定的满负荷运行值时，要降负荷工作。
按照汽轮机的工作原理，最为常见的凝汽式汽轮机大多数并非由排汽压力进行计算凝汽器的真空度，反过来，往往是由凝汽器的真空度反推汽轮机组的真空系统排汽压力。按照汽轮机技术条件明确规定的耗汽量以及供给凝汽器的液体循环量，基本能够明确凝汽器的真空度，然后按照汽轮机的排汽结构来进一步估算出真空系统的压强降低差值，由此算出汽轮机组的正常排汽压力是多少，通常排汽管道内壁所承受的压力损失和系统排汽装置结构以及排汽速率相关。以CC50-8.83/4.12/1.27型50MW双抽凝汽式机组为例：
假设凝汽器在喉部位置承受的压力值是O.O1 MPa，而此时的排气压力损失值为5%，则汽轮机的排汽压力大概值为
0.01*（ 1+5%）=0.0105 MPa
3.3 合理动态调整汽轮机的进汽量
工作在一定压强之下的汽轮机组，在一定的进汽温度和湿度下，如果最终的蒸汽温度低于预先设定的合理温度，则会造成汽轮机排除气体的湿度过大，汽轮机最终无法工作在额定负荷状态，相当于在降额使用。单位质量的蒸汽带焓能力下降，说白了就是同样的蒸汽带的能量下降了，根据能量守恒，前端能量下降所能转化的电能自然就要变少。为了合理配置蒸汽和液体之间比例，必须尽可能地调整汽轮机的进汽量，使其焓降适当缩小。
从理论上讲，排汽压力低，则机组真空相对更高，对汽机的经济性更好。排汽压力高，对汽轮机有以下危害：
（1）机组出力下降，经济性差。
（2）排汽容积流量减小，末级叶片可能出现鼓风，叶片安全性隐患增大。
（3）排汽温度上升，引起后汽缸变形或者胀差问题。
（4）排汽温度上升，后轴承如果没落地的话标高可能发生变化，进而引起震动等问题。
排汽压力与真空的压差为当地的大气压。固然系统的排汽压力越低，排汽损失越小，说明工质做功越完全。但是在实际中，如果排汽压力过低，可能导致末级叶片进入湿蒸汽区，容易产生安全隐患。在普通的监测系统中都未能涉及与真空的差值，没有特别做出来监视，在计算其数值时，应按照排汽压力值和真空的绝对值进行计算。
4.加强利用新型涉及工艺以及新型材料的研发
相对于以上多种传统的提高能效措施，汽轮机组的节能降耗工作关键在于未来对于新材料和新技术、新工艺的研发。目前学术界形成的观点主要聚焦于以下几个方面：
（1）充分利用独特流体力学，大力开发低表面能的应用潜力。
（2）在结构设计方面选用高精度螺旋结构，减小水阻，增加运行的平稳性。
（3）加强开发高强度、高韧性材料，提高材料的蠕变耐受性和耐磨性，减少缺口敏感度。例如新型的特种陶瓷，可以达到旋转磨损寿命50亿次之多。而且耐温性能优异，能够承受220摄氏度的酸碱腐蚀。
5.总结
我国的电力发展事业经过几十年的发展已经逐步走向成熟，但在当前节能环保日益受到重视的环境下，提高能源利用效率已经成为火力发电厂的主要技术研发工作之一，提高汽轮机组的能源利用率不仅仅依靠降低凝汽器的热负荷、增加真空系统的密封性合理动态调整汽轮机的进汽量等传统手段，而且要从基础做起，加强利用新型涉及工艺以及新型材料的研发，相信在不久的将来，人类利用火力发电的技术将会更加安全、高效。
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