發(fā)電廠熱能動力工程問題及其主要性能的應用

宋純活

（神華國能寧夏煤電有限公司，寧夏 銀川 750410）

0 引 言

近年來，我國經(jīng)濟增長平穩(wěn)，人們生活水平日益提升。但是，經(jīng)濟增長帶來的環(huán)境問題和能源問題日益顯現(xiàn)，經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾越發(fā)突出。電力工程作為支撐經(jīng)濟發(fā)展的基石，其節(jié)約能源、提升產(chǎn)出效率成為了行業(yè)中最關(guān)注的問題。依靠科學技術(shù)的發(fā)展，我國發(fā)電方式從單一向多元化方向發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國使用的發(fā)電方式有火力發(fā)電、風力發(fā)電和太陽能發(fā)電等。但是，受地域和經(jīng)濟條件的限制，主要發(fā)電方式仍然是火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電對設備要求較高，并且需要在高溫和高壓環(huán)境中進行。因此，為了保證發(fā)電順利進行和設備的穩(wěn)定性，工作人員必須解決電廠熱能和動力工程之間的矛盾，保證生產(chǎn)資源的最優(yōu)化，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量發(fā)電[1]。為此，發(fā)電廠已經(jīng)逐漸將熱力動能工程應用其中，通過動力裝置將熱能轉(zhuǎn)化為動能，再經(jīng)過汽輪發(fā)動機組將動能轉(zhuǎn)化為電能，以減少能源的過度消耗，提升資源利用率，保護環(huán)境，節(jié)約資源。

1 發(fā)電廠熱能動力工程概述

熱電廠指在發(fā)電的同時利用汽輪機的抽汽或排汽為用戶供熱的火電廠。從選址到建設，火電廠多設置在較靠近負荷中心（接近人口密集區(qū)的城鎮(zhèn)中心）的地方。因為用水、征地、拆遷和環(huán)保等要求均高于同容量火電廠，所以熱電廠不能夠和同等大型發(fā)電廠“競價上網(wǎng)”。另外，在能源的有效使用率方面，熱電廠存在很多不合理的地方，如熱量和功的轉(zhuǎn)換必然損失熱能，使高品位熱能貶值為低品位熱能[2]。熱電聯(lián)產(chǎn)中燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂焚|(zhì)的熱能用于發(fā)電，做功部分的電能用于向用戶供熱，能充分實現(xiàn)按質(zhì)用能和綜合用能。因此，熱電廠一次能源利用較合理，基本能做到按質(zhì)供能和梯級用能，節(jié)約了地區(qū)的整個能量供應系統(tǒng)的能源。

理想中的熱電廠發(fā)電是在汽輪發(fā)電機作用影響下一部分熱能轉(zhuǎn)化成電能，剩下的由于受到汽輪機的作用被轉(zhuǎn)送出去。但是，實際中不是所有的動能都能轉(zhuǎn)化為電能，必然會有一部分能量以熱能的形式散失出去（焓值一直處于下降的狀態(tài)），造成大量的能量損耗。因此，如何有效降低熱量損耗，有效節(jié)約能源，成為困擾業(yè)界的問題?？蒲腥藛T設想，如果能優(yōu)化能量轉(zhuǎn)化，就會極大地降低能量轉(zhuǎn)化中的損失，提高自身的操作技術(shù)。將能量轉(zhuǎn)化中損失的熱量在下級轉(zhuǎn)換中繼續(xù)使用，會產(chǎn)生焓降（同壓差下）。這種焓降會比預期值大許多，是由重熱現(xiàn)象引起的。重熱現(xiàn)象多發(fā)于多級汽輪機中。

眾所周知，電量無法被大量儲蓄，且隨著外界條件的變化，電量的實際功率也在不斷變化。另外，鍋爐內(nèi)燃料的燃燒情況和產(chǎn)生的實際熱量無法實時控制，導致汽輪機中的蒸汽量不斷改變，進而使得凝汽器中的具體壓力不斷改變[3]，這就是“變工況”。根據(jù)調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，變工況產(chǎn)生的主要原因是電網(wǎng)頻率變化和汽輪機內(nèi)產(chǎn)生的污垢。

除此之外，調(diào)節(jié)級和并行的其他發(fā)電機組也會影響焓變化，進而影響能量利用效果。本文結(jié)合發(fā)電廠熱能動力工程中存在的主要問題和發(fā)電廠熱能動力工程主要性能的應用進行分析。

2 發(fā)電廠熱能動力工程中存在的主要問題

2.1 重熱問題

在電廠運行中需要用到很多汽輪機，這樣會帶來一定的熱量損失。為了減少熱量損失，通常會使用汽輪機將一部分熱能重新吸收利用，以提升汽焓值。重熱問題是發(fā)電廠在進行內(nèi)轉(zhuǎn)換時，將前一過程能量應用于下一過程，在存在相同的管道壓力時，前一過程中的焓值會在后一過程中出現(xiàn)大幅度下降現(xiàn)象。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，當前我國電廠的重熱系數(shù)在4%～8%。重熱系數(shù)代表著熱能的重復使用程度。一般來說，重熱系數(shù)越高，代表熱能損耗量越低。所以，電廠在實際生產(chǎn)中應根據(jù)情況適當提高重熱系數(shù)，以提升能量的重復使用效率[4]。雖然適當?shù)闹責岈F(xiàn)象能夠提升平均效力，還有助于電廠的順利運行，但是過度重熱現(xiàn)象依舊會影響發(fā)電廠的資源利用率。這主要表現(xiàn)在三個方面。第一，重熱問題不僅會使發(fā)電廠的能源得不到有效儲存，還會降低電能效果和品質(zhì)；第二，重熱問題會導致鍋爐燃燒程序不穩(wěn)定，進而影響蒸汽排放，最終影響發(fā)電體系；第三，重熱問題也會影響氣壓穩(wěn)定性，致使壓力發(fā)生變化。

2.2 一次調(diào)頻問題

一次調(diào)頻指在電網(wǎng)頻率超出標準范圍后，為了保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)會經(jīng)過適當向上或者向下改變機組的功率，使整個機組處于同一頻道運行的新平衡狀態(tài)。這樣調(diào)頻的目的除了保持電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，還能最大程度地將電網(wǎng)頻率維持在一定范圍內(nèi)，從而維護系統(tǒng)的平衡。因此，一次調(diào)頻功能被稱為“維護電網(wǎng)穩(wěn)定的重要手段”。從原理上講，一次調(diào)頻是當發(fā)電設備處于大量振動狀態(tài)時，設備整體的焓值會發(fā)生改變。主要表現(xiàn)為：第一級閥門打開使得工作狀態(tài)下的流量開始增加，壓力隨之升高，焓值降低，這時要降低調(diào)節(jié)級；如果出現(xiàn)第一級閥門打開而第二級閥門沒有打開的狀況，設備的整體焓值則處于最低狀態(tài)（焓降最大），此時如果設備整體出現(xiàn)工作狀態(tài)變化，設備的壓力比和焓降量均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)；如果末級流量上漲過大，為保證頻率保持穩(wěn)定，焓降需要適當提升。實際操作方法為：首先按照體系實際流量最大閾值做出判斷，然后根據(jù)負擔情況提升調(diào)整功用；如果負荷轉(zhuǎn)變過大，一次調(diào)節(jié)已經(jīng)無法影響頻率，這時可以采取二次調(diào)頻的方式。一般，依據(jù)是否通過智能化將二次調(diào)頻的方法劃分為受控非智能化和自動智能化。隨著智能化的普及，廠家更青睞使用智能化調(diào)頻方法。工作人員在實際應用時也可以根據(jù)不同情況隨時轉(zhuǎn)換調(diào)頻手段，以保證設備運行的穩(wěn)定。

2.3 節(jié)流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的問題

節(jié)流調(diào)節(jié)指當外界負荷發(fā)生變化時，進入汽輪機的蒸汽通過同時開啟關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，利用節(jié)流改變汽輪機進氣量的過程[5]。一般，節(jié)流調(diào)節(jié)更適用于小容量的機組，對于負荷較大的機組不具備太高的使用價值。因為更大的機組會使分配到每個機組上的數(shù)值變小，相對的臨界壓力數(shù)值也會變小。一般會對工作級組進行控制。經(jīng)過專業(yè)人員檢測發(fā)現(xiàn)，工作級組在3～4級的范圍較為合適。這樣的機組設置能夠最大化地保證在同一工況下不同機組之間的流量保持一致。假如實際工況并不相同，也要保證不同級的流通面積不變。這樣能夠更加準確的掌握功率和零部件的受力變化情況。另外，如果想要檢測汽輪機是否正常流通，可以采取24 h動態(tài)監(jiān)測方法，或者根據(jù)不同級機組的實際壓力情況進行判斷。

2.4 鍋爐排煙損失問題

鍋爐是火電廠的主要工作裝置，其中排煙溫度是影響鍋爐正產(chǎn)運行的主要因素之一。一般，只要合理控制排煙溫度，就能保證鍋爐的運行效率。專家們經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，排煙溫度和實際排煙量存在緊密關(guān)聯(lián)，過大的排煙量會產(chǎn)生巨大的損失。經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，排煙溫度產(chǎn)生影響的主要因素有三種：燃料、風溫和風速。因此，為控制合理的排煙量和排煙溫度，要選擇雜質(zhì)少且灰分和水分適中的燃料，以提升燃燒效率。還要控制風溫和風速，保證燃料供氧適宜，提升燃燒質(zhì)量。

3 發(fā)電廠熱能動力工程主要性能的應用分析

3.1 節(jié)流調(diào)節(jié)的應用分析

節(jié)流調(diào)解中沒有調(diào)節(jié)級的說法，在第一級調(diào)節(jié)即可完成全周進汽。這種設計的優(yōu)點是，一旦工況發(fā)生變化，各級溫度的改變很小，幾乎可以忽略不計，同時表現(xiàn)出較好的抗負荷特性，使節(jié)流調(diào)節(jié)能夠應用于基本負荷的大機組和小容量機組。但是，工況彼此會產(chǎn)生一定的節(jié)流損失，使發(fā)電廠熱能動力工程在熱電廠的實際運行中表現(xiàn)出較差的經(jīng)濟適用性[6]。因此，減少節(jié)流損失顯得尤為必要。理論研究表明，可以使用弗留格爾公式（變工況前后機組均未達到臨界狀態(tài)時，機組流量和其前后壓力平方根成正比）進行計算，得出最適宜的壓力比，進而進行調(diào)節(jié)。實際調(diào)節(jié)中，先運用弗留格爾公式計算同流量下各級的壓差和比焓降，確定各零件的受力和工作功率，再檢查汽輪機是否正常流通。該過程也可以被看做在已知流量的前提下，對各級壓力公式符合度進行計算，最終得到節(jié)流面積變化，確定節(jié)流量。經(jīng)過多年的驗證可以認為，弗留格爾公式的出現(xiàn)不僅保證了有效的節(jié)流調(diào)節(jié)，而且為熱能與動力工程在熱電廠的應用提供了可能性。

3.2 調(diào)壓調(diào)節(jié)性能的應用分析

調(diào)壓調(diào)速指調(diào)節(jié)電動機端電壓使電動機在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。調(diào)壓調(diào)節(jié)優(yōu)點和缺點并行。它的優(yōu)點為電機運行在整個調(diào)速范圍內(nèi)都平穩(wěn)，具備較強的運行穩(wěn)定性和負荷適應性，并且具備最大的調(diào)速范圍，對部分機組的經(jīng)濟效益有提升效果。但是，在高負荷區(qū)域，調(diào)壓調(diào)節(jié)并不能實現(xiàn)具有經(jīng)濟效果的調(diào)節(jié)結(jié)果。同時，在最低轉(zhuǎn)速時，噪音變大，且這一現(xiàn)象隨著負載的增加表現(xiàn)出越發(fā)嚴重的趨勢。另外，當大機組蒸汽在動葉柵內(nèi)做功后，存在必然的機械能轉(zhuǎn)化，這種損耗會降低蒸汽余速、造成鼓風損失和斥氣損失等，必然會增加汽輪機組運行的成本，縮減熱能與動力工程在熱電廠的應用范圍[7]。但是，引起機械能損耗和其他氣體損耗的根本原因并不是人為操作失誤或系統(tǒng)故障，而是機組的運行機理。因此，該損耗無法通過理論或操作消除，需要工作人員不斷加強理論知識積累，努力探索調(diào)節(jié)調(diào)壓的新方法，研發(fā)出更為科學合理的產(chǎn)品來彌補能量損耗。此外，在電廠的實際生產(chǎn)中，工作人員也要深入挖掘熱能和動能損失背后的原因，吸取國外先進的經(jīng)驗和成果，或者配備不同方面的儀器，以滿足不同情況下的需要，進而提高電廠熱能和動力工程的使用效率。

3.3 濕氣損失控制的應用分析

濕氣造成的能源損耗主要是濕氣流動產(chǎn)生的熱損失。另外，水蒸汽凝結(jié)也會造成熱能損失。發(fā)電機組在運行過程中會產(chǎn)生熱能，隨著熱傳遞的進行，溫度較低的濕氣會將熱能傳遞到其他地方，進而造成熱能的損失。因此，加強濕氣的控制能在一定程度上降低能耗，保證熱能和動力工程在發(fā)電廠中的有效運行。

結(jié)合發(fā)電機工作實際，濕氣損失的原因為：在濕冷蒸汽受熱膨脹的過程中，會有一部分蒸汽發(fā)生凝結(jié)形成水珠，使蒸汽量減少；水珠的流速遠遠低于蒸汽流速，進而牽引蒸汽造成部分動能損耗，出現(xiàn)蒸汽過冷狀況。濕氣損失會使發(fā)電機組的動葉進汽邊緣產(chǎn)生沖蝕，降低葉片長度，減少葉面實際面積，縮短葉片使用年限，尤其在葉頂背弧處最為嚴重。為了降低濕氣對葉片的損傷，可以采用以下方法：首先應該除濕，可以選用汽水分離加熱器，保證低壓缸的效率和安全性；其次，可以選用帶有吸水縫的噴灌，降低設備濕度；最后，可以降低機械損失（例如：推力軸承與支持軸承的摩擦力、啟動調(diào)速器等的機械消耗），使用軸流式汽輪機創(chuàng)造高壓向低壓的指向力，降低能量消耗，提升運行速率。此外，可以改進葉片設計，提高葉片抗沖蝕性能。

3.4 工況變動的應用分析

工況是運行工作狀況。設備工況可以通過一系列有關(guān)的運行參數(shù)或工況參數(shù)來反映，如鍋爐的蒸發(fā)量、鍋爐效率和煙氣溫度燃料量等。當設備處在某種運行狀態(tài)時，各參數(shù)都不變，此時處于穩(wěn)定工況。如果設備運行條件改變，這些工況參數(shù)就要相應發(fā)生變化。當熱能動力工程正常運轉(zhuǎn)時，管理人員應該根據(jù)設備實際運行狀況進行適當變更。影響工況變化的原因有很多，除了一次調(diào)頻問題外，機組并網(wǎng)運行也是影響設備運行狀況的一大因素。

發(fā)電廠中，工作人員要根據(jù)實際情況進行具體判斷。選擇合適調(diào)配方式是工作人員提升自身技術(shù)的途徑之一[8]。如果機組處于并網(wǎng)運行中，外接電網(wǎng)就會根據(jù)機組的運行狀況不斷改變，而過于頻繁地更替也會影響機組的正常運行。工作人員要立足于對并網(wǎng)運行的正確認識，選擇合理的調(diào)配，避免因為調(diào)配方式的不同而使熱能與動力工程應用效用低下。然而，對于一次調(diào)頻問題，需要根據(jù)焓降變化進行恰當?shù)墓r變化，以適應熱能與動力工程在發(fā)電廠中的實際應用。

4 結(jié) 論

在我國建設資源節(jié)約型社會的今天，熱能動力工程在電廠運行中越來越受到重視。在一代又一代人的努力下，熱能動力工程的應用取得了很大進步，同時也存在很多問題。無論是重熱現(xiàn)象、節(jié)流調(diào)節(jié)還是濕氣損耗，任何環(huán)節(jié)的問題都會影響發(fā)電廠的穩(wěn)定運行。因此，發(fā)電廠人要不斷吸收同行工作者的經(jīng)驗，學習國外的先進技術(shù)，不斷充實自己，提高自己的技術(shù)水平，提升熱電廠的熱能使用率，為我國發(fā)電廠工程的正常運轉(zhuǎn)提供充足的理論保障和實踐經(jīng)驗。