火電廠(chǎng)熱能動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能改造研究

王竟懿

摘 要：火電廠(chǎng)采用熱能動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電，可以減少不必要的能量損耗，充分利用能源，提高生產(chǎn)效率。本文首先分析火電廠(chǎng)熱能動(dòng)力系統(tǒng)，然后從系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和節(jié)能改造兩方面提出了改進(jìn)思路，探討了聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、回收技術(shù)、補(bǔ)水技術(shù)在系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能改造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：火電廠(chǎng);熱能動(dòng)力系統(tǒng);節(jié)能改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TM62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）26-0142-03

Abstract： Thermal power plants use thermal power systems to generate electricity， which can reduce unnecessary energy loss， make full use of energy， and improve production efficiency. This paper first analyzed the thermal power system of thermal power plants， and then proposed improvement ideas from two aspects of system operation optimization and energy-saving transformation， and discussed the application of co-production technology， recovery technology， and water supplement technology in system optimization and energy-saving transformation.

Keywords： thermal power plant;thermal power system;energy-saving renovation

當(dāng)前，可再生資源不斷減少，火電廠(chǎng)生產(chǎn)面臨較大的資源壓力。與此同時(shí)，伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)、生活用電需求量不斷增加。面對(duì)這一局面，在利用熱能動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電的過(guò)程中，火電廠(chǎng)要引入先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和改造，提高能量轉(zhuǎn)化利用效率，減輕資源利用壓力，滿(mǎn)足節(jié)能生產(chǎn)需求。因此，要加強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能改造研究，以科學(xué)技術(shù)為支撐，推動(dòng)發(fā)電事業(yè)的健康發(fā)展。

1 火電廠(chǎng)熱能動(dòng)力系統(tǒng)

熱能動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電是指利用化石燃料等可燃物燃燒產(chǎn)生熱能，然后經(jīng)過(guò)發(fā)電動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為電能。從系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，最初為生物化學(xué)能，之后依次轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能和電能。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，受燃燒不充分因素影響，化石能源遭到大量浪費(fèi)，能量轉(zhuǎn)化程度較低。與此同時(shí)，燃燒將產(chǎn)生大量二氧化碳和二氧化硫，如果未經(jīng)有效處理就排放至空氣中，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重環(huán)境污染[1]。

在建設(shè)熱能動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，火電廠(chǎng)需要綜合考量各類(lèi)技術(shù)，參照國(guó)家、行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理選用和組合，完成系統(tǒng)性能綜合分析，在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的同時(shí)，盡可能提升能量轉(zhuǎn)化率。此外，技術(shù)應(yīng)用方面，要綜合考慮技術(shù)水平，在保證系統(tǒng)先進(jìn)性的同時(shí)，為日后維護(hù)提供便利，使系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)可觀(guān)經(jīng)濟(jì)效益。在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，除了保證設(shè)備投資不超預(yù)算，還要保證后期產(chǎn)生的損耗費(fèi)和維修費(fèi)低于經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，伴隨國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策推行，火電廠(chǎng)因能源過(guò)度損耗和污染治理承擔(dān)的成本逐漸增加。但目前建設(shè)的系統(tǒng)大多關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益，缺少對(duì)社會(huì)效益的足夠考量，最終影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和節(jié)能改造，提升系統(tǒng)工作質(zhì)量，為火電廠(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

2 火電廠(chǎng)熱能動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能思路

2.1 運(yùn)行優(yōu)化

現(xiàn)階段，冶金化工行業(yè)利潤(rùn)高，大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭流向該行業(yè)，造成火電廠(chǎng)能夠利用的煤炭品質(zhì)不高。劣質(zhì)煤炭難以保證鍋爐穩(wěn)定燃燒，使得資源利用率不高，熱效率僅為30%～40%。盡管?chē)?guó)家大力倡導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電，火力發(fā)電在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是我國(guó)的主要發(fā)電方式，因此為使現(xiàn)有資源得到最大限度利用，人們要優(yōu)化熱能動(dòng)力系統(tǒng)，提高能量轉(zhuǎn)化率。從熱能動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，多存在重?zé)岈F(xiàn)象，即多級(jí)汽輪機(jī)組運(yùn)行期間內(nèi)部各級(jí)間存在顯著熱能損失，使得電能使用率較低[2]。發(fā)生重?zé)岈F(xiàn)象后，電力系統(tǒng)難以維持穩(wěn)定，不僅影響發(fā)電效率，也將造成發(fā)電質(zhì)量下降。在優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要重視熱能品位和燃料化學(xué)能品位的關(guān)系，對(duì)動(dòng)力側(cè)和化工側(cè)進(jìn)行整合，建設(shè)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，運(yùn)用集成原理，促使能量得到充分利用。機(jī)組內(nèi)的各級(jí)能源要做到合理運(yùn)用，提高系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率。挖掘熱能動(dòng)力系統(tǒng)潛力，能夠改善系統(tǒng)資源利用效果，減輕運(yùn)營(yíng)壓力，創(chuàng)造更多效益。

2.2 節(jié)能改造

結(jié)合熱能動(dòng)力系統(tǒng)工作原理可知，利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組，蒸汽中依然有大量熱能被冷卻水帶走，同時(shí)鍋爐排出的煙氣也將帶走大量熱能。而在蒸汽膨脹過(guò)程中，將有明顯水滴出現(xiàn)，引發(fā)蒸汽損失。相較于水滴，蒸汽運(yùn)動(dòng)速度更快，使其不斷與水滴接觸，導(dǎo)致大量濕氣產(chǎn)生。而只要鍋爐運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生水滴，引發(fā)蒸汽損失。調(diào)整設(shè)備運(yùn)行頻率，可以減少濕氣損失，卻會(huì)導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法保持額定運(yùn)行狀態(tài)，同樣會(huì)引發(fā)能量損耗。為避免電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大損耗，火電廠(chǎng)會(huì)對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)。在機(jī)組容量較小時(shí)，節(jié)流調(diào)節(jié)可以使機(jī)組維持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，避免產(chǎn)生較大損耗。但是，若運(yùn)行負(fù)荷較大，節(jié)流調(diào)節(jié)將導(dǎo)致機(jī)組數(shù)減少，運(yùn)行級(jí)數(shù)增加，給火電廠(chǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

系統(tǒng)污染治理方面，為避免大量溫室氣體排放至空氣中引發(fā)環(huán)境污染，火電廠(chǎng)要引入煙氣治理技術(shù)，系統(tǒng)尾部安裝相關(guān)裝置。但是，采取“先污染，后治理”的方式，同樣會(huì)帶來(lái)較大能耗，污染處理效果不理想，不利于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。綜合這些問(wèn)題，要從多個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，在減少各種資源、能源損失的同時(shí)，加強(qiáng)污染治理，促使系統(tǒng)取得理想的節(jié)能改造效果。

3 火電廠(chǎng)熱能動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能改造技術(shù)措施

3.1 聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用

火電廠(chǎng)要引入聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化熱能動(dòng)力系統(tǒng)，推動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與污染控制的一體化發(fā)展，促使能量得到充分利用。具體來(lái)講，就是對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行利用，在發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。電能、熱能同時(shí)得到利用，所以可以形成高效能源利用模式。聯(lián)產(chǎn)技術(shù)能夠?qū)Σ煌肺坏臒崮苓M(jìn)行分級(jí)利用，即采用低品位熱能進(jìn)行集中供熱，采用高品位熱能進(jìn)行發(fā)電，提高能源利用率。

3.1.1 系統(tǒng)建設(shè)。采用物理化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)，能夠使煤炭資源得到清潔、高效利用。將煤氣化當(dāng)成中心，能夠?qū)?5%的煤轉(zhuǎn)化為可燃合成氣，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。具體來(lái)講，增設(shè)反應(yīng)器，將煤炭制作成化工產(chǎn)品，然后利用剩余尾氣進(jìn)行燃燒發(fā)電，將發(fā)電和化工生產(chǎn)耦合[3]，保證氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)發(fā)電成本。不同于對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)改造，聯(lián)產(chǎn)技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化，具有整體性和系統(tǒng)性。蒸汽動(dòng)力聯(lián)產(chǎn)需要保證燃?xì)廨啓C(jī)鍋爐機(jī)組和汽輪機(jī)高壓系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，構(gòu)成新型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行需要實(shí)現(xiàn)耦合共生，保證各種設(shè)備相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)廢氣資源化處理，促使系統(tǒng)獲得的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益相協(xié)調(diào)。在重新組合的基礎(chǔ)上，原本熱能動(dòng)力系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，原料要求隨之降低，能夠通過(guò)不同工藝互補(bǔ)提高系統(tǒng)總體運(yùn)行效率。

3.1.2 控制優(yōu)化。系統(tǒng)控制優(yōu)化方面，為實(shí)現(xiàn)能量階梯利用，要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行吸收和再利用，利用先進(jìn)分離技術(shù)完成清潔燃料的深度分離，用于化工合成生產(chǎn)，使合成氣擁有均衡化學(xué)成分，在燃料化學(xué)性質(zhì)、熱能和自由能間建立動(dòng)力關(guān)系，使能量轉(zhuǎn)化效率得到提高。在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)時(shí)，要加強(qiáng)重?zé)嵯禂?shù)控制，確保再熱管道完整。適當(dāng)縮減蒸汽機(jī)的熱段管道口徑，能夠減少管道壓力損失，降低凝汽器背壓，使系統(tǒng)熱量損耗得到有效控制[4]。各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行期間，要合理選擇運(yùn)行周期，交替使用單閥和順序閥來(lái)調(diào)整聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。日常應(yīng)做好系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，通過(guò)經(jīng)常性的檢查和調(diào)整使系統(tǒng)最終達(dá)到良好運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.3 供熱調(diào)節(jié)。在燃煤過(guò)程中，系統(tǒng)供熱時(shí)容易出現(xiàn)熱力平衡差，存在流量大、溫差小的問(wèn)題。為加強(qiáng)蒸汽過(guò)熱度控制，人們需要將供熱蒸汽熱量傳送至系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱度轉(zhuǎn)化。為使供熱系統(tǒng)達(dá)到平衡，減少熱量損失，還要對(duì)熱力管網(wǎng)進(jìn)行改造，在完成采暖地溝敷設(shè)的同時(shí)，在部分區(qū)域新建地溝進(jìn)行循環(huán)輸泵改造。通過(guò)安裝水泵變頻器，加強(qiáng)供熱系統(tǒng)計(jì)量，人們能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行變流量控制，結(jié)合設(shè)備負(fù)荷曲線(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，促使水溫得到有效控制。采暖供熱方面，設(shè)置恒溫閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使溫度維持穩(wěn)定。應(yīng)用熱能動(dòng)力系統(tǒng)供熱，運(yùn)行溫度變化也將引起能源損耗，要結(jié)合設(shè)備實(shí)際帶負(fù)載情況進(jìn)行控制閥調(diào)節(jié)，對(duì)控制單元輸出信號(hào)進(jìn)行控制。通過(guò)動(dòng)力操作，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力、流量等，使系統(tǒng)維持可靠運(yùn)行。結(jié)合火電廠(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，通常上半年將進(jìn)行單閥運(yùn)行，下半年采用順序閥進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整，使系統(tǒng)保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)能源利用率。

3.2 回收技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 余熱回收。系統(tǒng)節(jié)能改造方面，可以采用余熱回收技術(shù)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程展開(kāi)分析，人們可以發(fā)現(xiàn)余熱回收利用率較低，系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)多余熱將伴隨煙氣、排污水等物質(zhì)散失。從節(jié)能減排角度來(lái)看，要加強(qiáng)煙氣回收利用。目前，鍋爐發(fā)電排煙溫度通常能夠達(dá)到200 ℃，回收潛力較高，煙氣熱量回收利用能夠有效節(jié)省能源。實(shí)踐應(yīng)用期間，可以采用預(yù)熱和助燃兩種回收利用方式，前者直接利用煙氣對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，但容易受到場(chǎng)地限制。而采用煙氣對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱，能夠起到助燃效果，增加鍋爐熱量，提高燃燒效果。提升預(yù)熱器入口位置的空氣溫度，能夠使換熱面壁溫升高，避免出現(xiàn)結(jié)露腐蝕問(wèn)題。采用管式換熱器時(shí)，可以采用水平方式放置管子，使煙氣恒流沖刷換熱面，減少低溫腐蝕。針對(duì)尾部換熱器，壁溫應(yīng)比煙氣露點(diǎn)溫度稍高，避免露點(diǎn)腐蝕發(fā)生。實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能改造時(shí)，要在鍋爐尾部完成低壓省煤器的安裝，裝置靠近引水位置，促使煙氣余熱得到較好收集，投入熱力循環(huán)，有效減少能源消耗。對(duì)排污水余熱進(jìn)行回收利用時(shí)，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)定期排污特點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能改造。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)擴(kuò)容減壓后，廢水將直接排放，導(dǎo)致余熱浪費(fèi)。如進(jìn)行連續(xù)排污，僅能利用擴(kuò)容器實(shí)現(xiàn)少量二次蒸汽回收，同樣會(huì)造成余熱浪費(fèi)。為此，還要在鍋爐上完成余熱回收裝置安裝，對(duì)污水余熱進(jìn)行回收，使系統(tǒng)熱量得到充分利用。該裝置可以利用溫度低的水對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，將煙氣溫度降低至水蒸氣冷凝水平，對(duì)煙氣顯熱和冷凝潛熱進(jìn)行回收利用，提升鍋爐熱效率。

3.2.2 凝結(jié)水回收。在火電廠(chǎng)生產(chǎn)中，熱能動(dòng)力系統(tǒng)中大量能量和水資源用于產(chǎn)生蒸汽熱。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，要將水位維持在一定范圍內(nèi)。水位過(guò)高將導(dǎo)致飽和蒸汽帶過(guò)多水，蒸汽溫度將急劇下降。而在放熱后，蒸汽將形成凝結(jié)水，直接排放將導(dǎo)致資源浪費(fèi)。從總體來(lái)看，廢蒸汽冷凝水釋放的熱量占蒸汽總熱量的1/4左右。對(duì)高溫冷凝水進(jìn)行回收利用，不僅可以減少水資源浪費(fèi)，也能減少低燃料能源消耗。凝結(jié)水回收技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低壓蒸汽水的余熱回收，利用余熱實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能控制?；痣姀S(chǎng)可以采取壓力回水和背壓回水方式，前者需要安裝凝結(jié)網(wǎng)，利用加壓泵提供壓力，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水余熱收集，使鍋爐能量得到一定補(bǔ)償，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全[5]。但在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，該方式需要進(jìn)行閥門(mén)檢查和水泵檢查?；厥障到y(tǒng)遇到較大阻力時(shí)才使用增壓泵，若發(fā)現(xiàn)排水不暢，就開(kāi)啟增壓泵，加快系統(tǒng)循環(huán)速度，保證設(shè)備正常運(yùn)行。采用背壓回水方式時(shí)，如果加熱設(shè)備背壓較低，就可以直接利用疏水閥背壓回收凝結(jié)水，將閥門(mén)壓力當(dāng)成動(dòng)力傳輸水蒸氣和凝結(jié)水，提高蒸汽利用率。通過(guò)回收蒸汽凝結(jié)水，資源可以實(shí)現(xiàn)最大化利用，進(jìn)一步提升系統(tǒng)節(jié)能效果。

3.3 補(bǔ)水技術(shù)應(yīng)用

在蒸汽機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，要采取抽凝式補(bǔ)水方式不斷提供水資源，保證系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)冷凝器用于使汽輪機(jī)出口維持真空，提高汽輪機(jī)功率。而在冷凝器位置安裝補(bǔ)水霧化裝置，能夠使排汽余熱得到充分利用，在減少冷源損失的同時(shí)，提高機(jī)組熱能的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，可以通過(guò)化學(xué)補(bǔ)水方式提高設(shè)備運(yùn)行效果。具體來(lái)講，就是在除氧器或凝結(jié)器中補(bǔ)加化學(xué)水，使排氣廢熱得到回收利用，改善凝結(jié)器真空狀態(tài)，節(jié)約能源。該技術(shù)需要加強(qiáng)水溫控制。在補(bǔ)水不足時(shí)，利用余熱裝置提升水溫，使水快速進(jìn)入凝結(jié)器。采取噴霧式方式，利用低壓加熱器對(duì)補(bǔ)水進(jìn)行逐級(jí)加熱，能夠增強(qiáng)補(bǔ)水效果，使高位能蒸汽量得到有效控制，滿(mǎn)足系統(tǒng)節(jié)能改造要求。此外，蒸汽機(jī)組運(yùn)行期間將產(chǎn)生濕氣損失，還要配備除濕設(shè)施降低能源損耗。采用中間熱循環(huán)方法，在高效除濕的同時(shí)，能夠提高機(jī)組設(shè)施抗腐蝕能力。在噴灌時(shí)，要設(shè)置吸水縫，有效控制損失，繼而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

4 結(jié)論

在節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略得到逐步落實(shí)的背景下，火電廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)理念開(kāi)始發(fā)生改變。針對(duì)熱能動(dòng)力系統(tǒng)能量損耗大、污染排放量大的問(wèn)題，人們需要通過(guò)開(kāi)展能量階梯型利用等措施實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，并通過(guò)系統(tǒng)節(jié)能改造充分利用各種能源，減少污染排放量。實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)改造時(shí)，要合理運(yùn)用聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、回收技術(shù)、補(bǔ)水技術(shù)，達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化和改造要求，最終取得理想的節(jié)能效果。

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