火電廠節(jié)流現(xiàn)象及節(jié)流技術功計算分析

王興國，任連海 ，魏寶權，盧盛陽，韓國輝 ，張 營

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北興泰發(fā)電有限責任公司， 河北 邢臺 050400;3.河北省電力勘測設計研究院,石家莊 050031)

1 火電廠的節(jié)流現(xiàn)象

節(jié)流現(xiàn)象廣泛地存在于火電廠實際生產(chǎn)中，通常是在調(diào)節(jié)介質流量或測量介質流量過程中產(chǎn)生的。汽輪發(fā)電機組出力的運行調(diào)整方式之一為節(jié)流調(diào)節(jié)，即單閥運行，此時，4個調(diào)整門(或6個)作為單個閥門同時開啟和關閉，隨著調(diào)節(jié)閥關小，流量減小，閥后壓力降低，汽輪機等熵焓降減小，相應汽輪機的功率在流量和焓降減小的雙重影響下迅速降低。在低負荷時，閥門開度較小，節(jié)流損失較大；供熱機組抽汽量的調(diào)整是通過安裝于抽汽管道上的調(diào)整門來實現(xiàn)，其調(diào)整過程亦為節(jié)流過程；各類水泵或風機的流量調(diào)節(jié)方式中，節(jié)流調(diào)節(jié)最簡單，應用也最廣泛。為了完成流量測量，管道上需要安裝各類孔板或噴嘴，流體流經(jīng)這些裝置時，依靠節(jié)流產(chǎn)生的差壓來測量流量。由于管道的變徑或一般閥門帶來的阻力，都會使流體產(chǎn)生節(jié)流。

有些節(jié)流現(xiàn)象是被用來達到調(diào)整或控制的目的，而有些是沒有任何有利作用，只是因為管道或設備在流體流動過程中對流體產(chǎn)生了阻力，不可避免地發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象。即使是前者，也要盡量減少使用或者降低節(jié)流的程度，以最大限度地減少能量的損耗。例如，汽輪機進汽量的調(diào)整，通常在機組正常生產(chǎn)運行期間，均采用順序閥運行方式，即使是在試生產(chǎn)的半年期內(nèi)，也盡可能采用單閥滑壓運行方式，以盡可能減少節(jié)流帶來的做功損失。通過加裝變頻調(diào)速設備或者改變電機極數(shù)，調(diào)整水泵或風機出力，以調(diào)速調(diào)節(jié)代替節(jié)流調(diào)節(jié)方式，可以大大降低節(jié)流帶來的能量損失，降低廠用電率和供電煤耗。

由于節(jié)流是不可逆的絕熱過程，所以工質熵必然會增加，由此推斷節(jié)流后工質的做功能力必將減小。

2 節(jié)流技術功計算方法原理

火電廠的節(jié)流大多發(fā)生在水蒸汽為對象的介質中，因此以水蒸汽為例進行分析和計算。水蒸汽的節(jié)流技術功變化過程利用h-s圖計算比較方便。如圖1所示，a為節(jié)流前的狀態(tài)點，從a點(ta，pa)作水平線與節(jié)流后壓力點pa′的定壓線相交于點a′，此為節(jié)流后狀態(tài)點,ha=ha′。因為水蒸汽的轉回溫度Ti(節(jié)流后溫度不變化的氣流溫度稱為轉回溫度)極高，遠高于工程上所用到的溫度，故節(jié)流后溫度是降低的，即節(jié)流后sa′大于節(jié)流前sa。由圖1可以看出，a′為節(jié)流后的狀態(tài)點，a和a′分別等熵膨脹到同樣的壓力點(b和b′)，所需要的技術功(焓降)明顯不同，節(jié)流前需要的技術功要大于節(jié)流后需要的技術功，顯而易見ha′-hb′

圖1 節(jié)流前后焓熵曲線

由此可以推斷，節(jié)流前水蒸汽所具有的做功能力必然要高于節(jié)流后，由熱力學第一定律用于開口熱力系統(tǒng)的能量守恒式q=Δh+Wt可知，絕熱過程的技術功為Wt=-Δh=ha-hb，該式表明，工質在絕熱過程中所做的技術功等于焓降。前式可以用來評估節(jié)流現(xiàn)象所產(chǎn)生的經(jīng)濟性影響，節(jié)流前后的技術功(焓降)差值h=(ha-hb)-(ha′-hb′)，此即為節(jié)流帶來的做功能力的損失。

3 節(jié)流技術功計算實例

3.1 設備概況

河北省南部電網(wǎng)某發(fā)電廠安裝有2臺600 MW機組，鍋爐型號為SG-2028/17.5-M909，是亞臨界參數(shù)∏型汽包爐。為保持鍋爐本體受熱面和預熱器的清潔，產(chǎn)生良好的傳熱效果，每臺鍋爐裝有64臺長伸縮式吹灰器、90臺短桿吹灰器和4臺預熱器吹灰器。

鍋爐吹灰器汽源設計參數(shù)：蒸汽壓力2.94 MPa，蒸汽溫度：330 ℃。原設計是將分隔屏過熱器出口集箱及后屏過熱器出口集箱的一次蒸汽經(jīng)過減溫減壓后作為吹灰器的汽源，一次蒸汽壓力/溫度為：18.2 MPa/441 ℃，焓為3 066.49kJ/kg、熵為5.945 kJ/(kg·℃)，減溫減壓后蒸汽壓力/溫度為：2.0～2.2 MPa/320 ℃，焓為3 065.11 kJ/kg、熵為6.796 8 kJ/(kg·℃)。

3.2 節(jié)流的影響

高溫高壓一次蒸汽的減溫減壓過程主要是一個節(jié)流過程。電廠實踐表明，該過程不僅帶來了能量損失，即高品質蒸汽通過節(jié)流減溫減壓以后，熵增加，蒸汽做功能力降低，同時還引起設備維護費用增加。發(fā)生此問題的主要原因是蒸汽減壓幅度較大，減壓前后壓差達16 MPa，高壓差對調(diào)整閥的閥籠、閥芯等部件沖刷損壞嚴重，且由于吹灰過程中不斷投停吹灰器，調(diào)整閥動作頻繁，動作頻率達2～3 次/min。統(tǒng)計表明，機組投產(chǎn)2年內(nèi)調(diào)整閥維護費用已高達8萬元。為此，電廠決定更改汽源，將高溫高壓蒸汽改為與吹灰器設計參數(shù)基本相同的再熱冷段蒸汽。改造前，對由于節(jié)流造成的損失，即經(jīng)濟性進行分析評價，以評估改造帶來的效益。

3.3 技術功的計算

首先根據(jù)減溫減壓前后蒸汽參數(shù)，利用前述計算方法，得到每噸蒸汽做功能力損失，從h-s圖(圖1)上可以清楚地看出：根據(jù)節(jié)流前的狀態(tài)(ta，pa)確定出點a，從點a作水平線與節(jié)流后壓力pa′的定壓線相交于點a′，此即節(jié)流后狀態(tài)點a′，ha′=ha，此時溫度ta低于ta′，同樣膨脹壓力為pb時，技術功的差值h=(ha-hb)-(ha′-hb′)，假定絕熱膨脹到壓力為1 MPa(焓值分別為2 487.19 kJ/kg、2 877.24 kJ/kg)時，節(jié)流前技術功(焓降)為ha-hb=3 066.49 kJ/kg-2 487.19 kJ/kg=579.3 kJ/kg，節(jié)流后技術功(焓降)為(ha′-hb′)=3 065.11 kJ/kg-2 877.24 kJ/kg=187.87 kJ/kg，技術功差值h為(ha-hb)-(ha′-hb′)=579.3 kJ/kg-187.87 kJ/kg =391.43 kJ/kg，損失能量(發(fā)電功率)Wa=h×i，i為蒸汽流量，經(jīng)過折算為3.744 kg/s，從而得W1=391.43 kJ/kg×3.744 kg/s =1 465.54 kW。

按照現(xiàn)場運行統(tǒng)計，所有吹灰器按一天運行13.6 h計算，每天損失的電量為1 465.54 kW×13.6 h=19 931.34 kWh，售電價以0.31元/kWh計算，每天損失費用=0.31元/kWh ×19 931.34 kWh =6 178.72元，一年以運行200 天計算，損失6 178.72元/天×200 天=123.574萬元。

通過以上計算過程可以看出，如果將吹灰汽源由高溫高壓過熱蒸汽改為再熱冷段蒸汽，將省去蒸汽的減溫減壓過程，避免了節(jié)流現(xiàn)象的產(chǎn)生，既節(jié)省能量又節(jié)省費用，也驗證了技術功計算方法可以計算和分析火電廠由于節(jié)流對電廠經(jīng)濟性的影響。

4 建議

以上所述技術功的計算方法是從減少節(jié)流后介質做功能力方面進行闡述的，分析計算對象是節(jié)流過程本身，方法簡單實用，便于理解。該方法的弊端是沒有考慮對整個熱力循環(huán)的影響，例如，高壓缸調(diào)整門的運行方式，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)，其所產(chǎn)生的影響，可以通過汽輪機內(nèi)效率的對比計算得到，泵與風機等的節(jié)流調(diào)節(jié)可以通過電動機的功率變化來評價其對經(jīng)濟性的影響。由于減溫減壓過程不僅存在著節(jié)流損失，且存在其它損失，技術功的計算只是多種分析評價途徑的一種，例如還可以直接對比2種汽源(過熱蒸汽和再熱冷段蒸汽)在整個熱力循環(huán)中對汽輪機熱效率的影響。

5 結束語

在發(fā)電廠生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)中，節(jié)流現(xiàn)象是造成能源浪費的原因之一，從汽輪機高壓調(diào)整門運行方式到各類水泵、風機的流量調(diào)節(jié)，以及抽汽的減溫減壓過程和各類流量的測量過程等都存在節(jié)流現(xiàn)象。分析和評價節(jié)流現(xiàn)象造成的能量損失，科學地評估改造帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，可以指導實際生產(chǎn)過程的節(jié)能改造。技術功的計算是一種針對節(jié)流過程本身進行分析評價的方法。在無法對改造前后進行對比，尤其是在初期只是對節(jié)流本身的影響進行評估的情況下，技術功的計算不失為一種簡潔的計算方法。