段宗強(qiáng)

(淮南礦業(yè)集團(tuán)發(fā)電有限責(zé)任公司潘三電廠, 安徽 淮南 232087)

近年來,在中美貿(mào)易摩擦、COVID-19疫情的沖擊下,我國的經(jīng)濟(jì)形勢持續(xù)發(fā)生變化。這要求為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)動力的火力發(fā)電企業(yè),主動面對新的挑戰(zhàn)。本文從專業(yè)管理的角度出發(fā),深入挖掘能效、提高經(jīng)營效率,從技術(shù)管理中求發(fā)展,以期為火力發(fā)電企業(yè)的精益化管理探索新的思路。火力發(fā)電廠以各種形態(tài)的水的熱交換為主要動力來源,形成多個熱力子系統(tǒng)。如果能夠提升熱力系統(tǒng)的效率,即可進(jìn)一步提升全廠的熱力系統(tǒng)效率,降低全廠能耗水平,達(dá)到節(jié)能增效的目的。

本文以潘三電廠工業(yè)水系統(tǒng)的熱能分析為例,量化熱力系統(tǒng)需求,按照按需分配的原則,優(yōu)化其熱力系統(tǒng)的動力設(shè)備,達(dá)到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,并起到節(jié)能增效的效果。此分析方法具有普遍性,可以推廣到所有類似的應(yīng)用場所。所有復(fù)雜工況下的熱交換相關(guān)應(yīng)用均可借鑒該理論計算配合實踐數(shù)據(jù)支撐的論證方法。

該電廠初建時是根據(jù)經(jīng)典算法和理論參數(shù)范圍進(jìn)行全面設(shè)計的。在電廠實際運行中,需關(guān)注環(huán)境變化造成的復(fù)雜工況變化,及由此可能給運行造成的重大影響。環(huán)境變化主要體現(xiàn)在溫度和壓力方面[1],特別是在高溫環(huán)境中,外界因素的變化量超過10%后將成為難以忽略的影響因素[2-3]。

熱力系統(tǒng)的熱交換效率主要由熱交換器上表面層冷卻水流的表面溫度[4]、流量、溫度、流量密度4個因素決定。其中,表面溫度是由熱負(fù)荷設(shè)備本身及一次側(cè)工況決定的,暫不納入本次研究范圍。本文將從冷卻水的流量、溫度、密度3個方面進(jìn)行研究。

1 量化系統(tǒng)需求

1.1 工業(yè)水系統(tǒng)的熱負(fù)荷設(shè)計要求

根據(jù)原始設(shè)計方案,潘三電廠的工業(yè)水系統(tǒng)為以下熱負(fù)荷提供冷卻水,具體需求量為:12臺送引風(fēng)機(jī),設(shè)計規(guī)范用水量300 t/h;5臺空壓機(jī),設(shè)計規(guī)范用水量100 t/h;4臺循環(huán)水泵,設(shè)計規(guī)范用水量40 t/h;2臺15 m水汽取樣裝置,設(shè)計規(guī)范用水量20 t/h。工業(yè)水系統(tǒng)理論總用水量為460 t/h,冷卻水壓力要求在0.03～0.09 MPa,熱負(fù)荷均為直接接觸式。

1.2 工業(yè)水系統(tǒng)的熱負(fù)荷運行需求

潘三電廠地處淮河中下游,氣候四季分明,氣象局統(tǒng)計的四季氣溫數(shù)據(jù)如表1所示[4]。工業(yè)水系統(tǒng)為開式水系統(tǒng),入口壓力約為101.325 kPa,系統(tǒng)的入口溫度即環(huán)境溫度接近于冷卻水一次側(cè)溫度(強(qiáng)制循環(huán)造成的溫升低于1 K,可忽略不計)。工業(yè)水泵提供的強(qiáng)制循環(huán)壓力遠(yuǎn)大于101.325 kPa,因此系統(tǒng)入口壓力的波動對工況的影響有限[1]。但系統(tǒng)入口溫度的變化會造成冷卻水一次側(cè)溫度發(fā)生明顯變化,變化幅值為29 K(從平均最低3 ℃至平均最高32 ℃)。當(dāng)熱交換的一次側(cè)溫度較低時,同等熱交換量需要的一次流量也會降低,所以由系統(tǒng)熱交換量決定的冷卻水流量明顯受到季節(jié)的影響。

表1 淮南地區(qū)四季的日均氣溫 單位:℃

通過查閱運行記錄和DCS的實際運行參數(shù),全面掌握工業(yè)水系統(tǒng)對冷卻水流量和壓力的實際需求。因該廠DCS系統(tǒng)覆蓋時間較晚,且數(shù)據(jù)記錄保存時間為半年,因此本文僅截取2019年11月10日至2020年1月3日(覆蓋冬季數(shù)據(jù))的DCS數(shù)據(jù)趨勢記錄,如圖1所示。由圖1可以看出,工業(yè)水系統(tǒng)的運行工況相對穩(wěn)定。其中,曲線1為冷卻水流量,夏秋季在400 m3/h附近波動,進(jìn)入11月后的冬季在270～300 m3/h波動,該流量變化狀態(tài)與淮南市的氣溫記錄一致。曲線2為工業(yè)水系統(tǒng)的母管壓力,穩(wěn)定在0.3～0.4 MPa,這說明系統(tǒng)的管道阻力穩(wěn)定,工況可以維持在正常運行水平。曲線3為工業(yè)水泵電流,與冷卻水流量成正比例關(guān)系波動,當(dāng)冷卻水流量為400 m3/h時,電流為116 A;當(dāng)流量為300 m3/h時,電流約為80 A。

圖1 2019年11月10日至2020年1月3日的DCS數(shù)據(jù)記錄

2019年12月13日和2020年1月3日工業(yè)水系統(tǒng)切泵檢修,3#泵暫時停運并切換到1#泵運行,相應(yīng)的電流數(shù)據(jù)波動屬于非正常運行記錄,需排除。同時可以看到,切泵后的壓力和流量經(jīng)歷小幅波動后,進(jìn)入穩(wěn)定水平。另外,就地記錄的系統(tǒng)末端壓力在0.22 MPa附近小幅波動。

由運行數(shù)據(jù)得出,工業(yè)水系統(tǒng)存在兩個季節(jié)性工況區(qū)間,分別為:工況1,流量為400 m3/h,電流為116 A;工況2,流量為280～300 m3/h,電流為80 A。運行數(shù)據(jù)的變化與根據(jù)環(huán)境溫度分析出的熱負(fù)荷變化趨勢一致,冷卻水需求量的變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。

系統(tǒng)的原始設(shè)計忽略了環(huán)境溫度變化帶來的影響,設(shè)計數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)的偏差主要體現(xiàn)在環(huán)境變化引起的冷卻水溫度、溫差和密度的變化,并且該變化對工業(yè)水系統(tǒng)熱交換效果造成了影響。因此,本文將以實際運行數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),研究不同冷卻水條件下的系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1.3 理論計算驗證熱交換量

以直接接觸式熱交換器生產(chǎn)廠商提供的熱交換量作為計算依據(jù),工業(yè)水系統(tǒng)中熱負(fù)荷的熱交換能力的計算公式[4-5]為

Q=KFΔTm

式中:Q——熱交換量;

K——比容傳熱系數(shù);

F——冷端的有效傳熱面積;

ΔTm——對數(shù)平均溫差。

逆流時

ΔT1=T1-t2

ΔT2=T2-t1

式中:T1,T2——熱端進(jìn)口和出口溫度,℃;

t1,t2——冷端進(jìn)口和出口溫度,℃。

在目前的工業(yè)水系統(tǒng)環(huán)境中,兩個季節(jié)性工況區(qū)間內(nèi),冷端的有效傳熱面積保持不變;比容傳熱系數(shù)與介質(zhì)密度正相關(guān)。以對運行安全最關(guān)鍵的夏秋季負(fù)荷為基準(zhǔn),根據(jù)夏秋季和冬春季的熱負(fù)荷比例關(guān)系,推導(dǎo)出冬春季的負(fù)荷需求。

Q夏秋∶Q冬春=K夏秋ΔTm夏秋∶K冬春ΔTm冬春

取換熱器熱端進(jìn)口平均溫度為80 ℃,夏秋季熱端出口溫度為40 ℃,冬春季熱端出口溫度為25 ℃。夏秋季冷端出口溫度為35 ℃,冷端進(jìn)口溫度30 ℃;冬春季冷端出口溫度15 ℃,冷端進(jìn)口溫度10 ℃。計算得出,夏秋季ΔTm=(45-10)/ln(45/10)=23.27;冬春季ΔTm=(65-15)/ln(65/15)=34.1,兩者的比值為23.27/34.1=0.682 4。

比容傳熱系數(shù)K值與介質(zhì)密度正相關(guān)。在101.325 kPa下,35 ℃時,水的密度為0.994 g/cm3;15 ℃時,水的密度為0.999 32 g/cm3。在運行壓力環(huán)境下,假設(shè)水的密度在35 ℃和15 ℃時的比例關(guān)系與在101.325 kPa下的密度比值一致。由此推算,工業(yè)水系統(tǒng)在夏秋季的熱交換量需求與冬春季的需求比約為0.68。冷卻水流量需求與熱交換量需求呈正比例關(guān)系,取夏秋季冷卻水平均流量為400 m3/h,則推算出冬春季工業(yè)水系統(tǒng)對冷卻水流量的需求約為273 m3/h。這一理論計算數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)280～300 m3/h接近,說明了理論計算的有效性,同時驗證了運行數(shù)據(jù)的合理性。

2 改造方案

2.1 系統(tǒng)描述

潘三電廠工業(yè)水系統(tǒng)共有3臺工業(yè)水循環(huán)泵,系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 工業(yè)水系統(tǒng)原理示意

由圖2可以看出,系統(tǒng)從開式水箱中取水,通過工業(yè)水循環(huán)泵加壓后,匯集至母管并連接至各熱負(fù)荷單元,經(jīng)過熱交換后匯集至回水母管,回流至開式水箱。工業(yè)水管網(wǎng)系統(tǒng)中配有若干蝶閥、截止閥和調(diào)節(jié)閥,用于調(diào)整流量、配合運行方式等。水泵設(shè)計參數(shù)的額定流量為270 m3/h,原始設(shè)計采用兩用一備的運行方式,2008年改為單泵運行。

2.2 改造方案及運行方式

優(yōu)化改造方案將針對兩個季節(jié)性工況區(qū)間的不同條件,提出動力要求,并分解能耗需求。

1#泵和3#泵根據(jù)夏秋季高負(fù)荷區(qū)間的要求設(shè)計,最佳效率區(qū)間為380～400 m3/h;2#泵根據(jù)冬春季低負(fù)荷區(qū)間的要求設(shè)計,最佳效率區(qū)間為270～300 m3/h;系統(tǒng)末端壓力大于0.15 MPa,以確保系統(tǒng)的安全裕量。根據(jù)調(diào)節(jié)閥開度(80%～100%)和管道系統(tǒng)最高效率區(qū)間,確定管道性能曲線[6-7]。

系統(tǒng)運行方式設(shè)計如下:在夏秋季或流量需求大于330 m3/h時,啟動針對高負(fù)荷設(shè)計的1#泵或3#泵(互為備用);在極端高溫天氣,冷卻水流量巨大時,同時開啟1#泵和3#泵,通過雙泵運行提高系統(tǒng)的供水能力。進(jìn)入冬春季或流量需求小于330 m3/h時,啟動針對低負(fù)荷設(shè)計的2#泵。通過對動力設(shè)備的調(diào)整,并根據(jù)負(fù)荷變化改變運行方式,實現(xiàn)了工業(yè)水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)化運行[8]。

3 改造效果統(tǒng)計

按照前文中所述,潘三電廠的工業(yè)水系統(tǒng)進(jìn)行了改造和試運轉(zhuǎn)。與未改造前的運行數(shù)據(jù)相比,系統(tǒng)在夏秋季負(fù)荷水平下節(jié)能比例約為20%;在冬春季負(fù)荷水平下的節(jié)能比例超過30%。

工業(yè)水泵的部分實際運行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水泵的部分實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2020年1月1日,從未改造的1#泵和3#泵分別切換至改造后的2#泵。工業(yè)水末端壓力為0.2 MPa,滿足系統(tǒng)安全裕量的需求。2#泵單獨運轉(zhuǎn)帶來的流量數(shù)據(jù)滿足冬春季冷卻水流量的需求。從未改造設(shè)備切換到改造設(shè)備后,運行電流從108.31 A降低到79.80 A,或者從111.88 A降低到76.20 A,節(jié)能效果明顯。

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗證,說明通過量化熱能需求實現(xiàn)熱力系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化是可行的,而且節(jié)能效果非常明顯。建立在熱能需求分析基礎(chǔ)上的設(shè)備優(yōu)化,通過3臺工業(yè)水泵的組合運行,全年實現(xiàn)了更靈活、更高效的系統(tǒng)運行方式。

4 結(jié) 語

針對工業(yè)水系統(tǒng)熱量需求的量化分析,深度關(guān)注理論計算中可能忽略的復(fù)雜的現(xiàn)場實際變化因素,充分考慮了影響系統(tǒng)需求的溫度、溫差、密度等關(guān)鍵參數(shù)的變化狀況,得到熱交換量的量化數(shù)據(jù)。根據(jù)理論計算提供的依據(jù)和理論導(dǎo)向,結(jié)合運行實踐和運行經(jīng)驗驗證了理論計算的有效性,獲得了對工程設(shè)計和運行管理方式有效的實踐經(jīng)驗。

從電廠運營的角度看,從負(fù)荷的根源上改善系統(tǒng)的運行效率,對工業(yè)水系統(tǒng)的動力設(shè)備進(jìn)行按需改造,在運行管理過程中實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)化、數(shù)量化的精益管理理念,為進(jìn)一步提高電力企業(yè)的管理效率和管理水平提供了量化的參考。