中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司 李善斌

1 引言

目前，火電廠中的熱能與動(dòng)力工程優(yōu)化改進(jìn)方向主要分為利用再熱現(xiàn)象、減少濕氣損失、調(diào)配實(shí)際工況、減少調(diào)壓損失等?；痣姀S的發(fā)電裝置是能源消耗量較大區(qū)域，各火電廠在供給城市所需電力時(shí)，應(yīng)不斷對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，以減少能源消耗為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，貫徹落實(shí)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的基本原則。

2 火電廠動(dòng)力工程現(xiàn)狀分析

2.1 再熱現(xiàn)象

對(duì)火電廠動(dòng)力工程原理進(jìn)行分析，動(dòng)力裝置主要通過(guò)煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，供給發(fā)電機(jī)所需的電力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為人類賴以生存的電能。在動(dòng)力工程運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，部分能源在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)逐漸被消耗掉?？紤]到運(yùn)行過(guò)程中焓值始終處于比較低的狀態(tài)，需要大量的煤炭資源作為動(dòng)力供給。

目前，火電廠動(dòng)力工程運(yùn)行過(guò)程中普遍存在重?zé)岈F(xiàn)象，也被稱之為再熱現(xiàn)象。再熱現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是動(dòng)力工程在運(yùn)行過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化，如果在兩個(gè)動(dòng)力運(yùn)行環(huán)節(jié)中，壓力幾乎保持一致，但前焓值參數(shù)比較后焓值參數(shù)而言，其數(shù)值比較小，可能會(huì)發(fā)生再熱問(wèn)題[1]。再熱問(wèn)題的產(chǎn)生是火電廠需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，其會(huì)增加火電廠動(dòng)力工程運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，并降低能源使用效率。具體而言，再熱問(wèn)題的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是再熱問(wèn)題的產(chǎn)生會(huì)增加動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行線路故障概率。火電廠通過(guò)電能設(shè)備的利用實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的利用與保存，但由于電能的儲(chǔ)存會(huì)產(chǎn)生一定量的損耗，導(dǎo)致利用效率有所降低。此時(shí)，如果發(fā)生比較嚴(yán)重的再熱問(wèn)題，電能的穩(wěn)定性會(huì)逐漸喪失，使得原本的電力系統(tǒng)受到影響。二是火電廠對(duì)煤炭等資源進(jìn)行燃燒處理使其產(chǎn)生熱能過(guò)程中，需要將資源的熱能進(jìn)行搜集以及轉(zhuǎn)化，該過(guò)程中煤炭等資源的燃燒效率對(duì)動(dòng)力供給會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。在動(dòng)力工程運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常性出現(xiàn)煤炭資源燃燒不充分問(wèn)題，使得資源的利用率降低，電能的轉(zhuǎn)化率也比較低，動(dòng)力工程為了供給日常生活所需的電能，會(huì)采用負(fù)荷負(fù)載的方式，使得機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生一定程度的損壞。三是火電廠動(dòng)力工程運(yùn)行導(dǎo)致氣壓數(shù)值發(fā)生變化，在發(fā)電過(guò)程中，再熱問(wèn)題的產(chǎn)生會(huì)使得系統(tǒng)內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定性有所喪失，如不對(duì)其進(jìn)行控制，則會(huì)在發(fā)電過(guò)程中出現(xiàn)電能穩(wěn)定性降低、電能損失嚴(yán)重問(wèn)題，使得發(fā)電效果無(wú)法滿足實(shí)際要求。

2.2 濕氣損失

濕氣損失也是火電廠系統(tǒng)運(yùn)行中較為常見(jiàn)的問(wèn)題，蒸汽機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生熱量和蒸汽，在空間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹反應(yīng)，并在與空氣接觸后出現(xiàn)冷凝反應(yīng)，使得動(dòng)力工程產(chǎn)生的熱量無(wú)法有效使用，產(chǎn)生一定程度的熱量損失。如因濕氣的產(chǎn)生導(dǎo)致能量受損、效益降低，同時(shí)會(huì)影響到內(nèi)部蒸汽的質(zhì)量，使得系統(tǒng)的能源利用效率有所降低。

濕氣損失現(xiàn)象的問(wèn)題主要是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，檔口的蒸發(fā)器會(huì)受能量的影響導(dǎo)致其出現(xiàn)能源運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，如果蒸汽的運(yùn)動(dòng)比系統(tǒng)內(nèi)水滴的運(yùn)動(dòng)量大時(shí)，兩者會(huì)附著在一起，使得系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)有所增加，導(dǎo)致部分產(chǎn)生的能量被水滴吞噬。該問(wèn)題產(chǎn)生不僅僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行效率有所降低，能源消耗量增加，也會(huì)影響到動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的氣壓管道質(zhì)量。

2.3 節(jié)流調(diào)節(jié)

關(guān)于火電廠節(jié)流問(wèn)題的研究和分析是指火電廠在運(yùn)行過(guò)程中，如果遇到異常能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題，則采用節(jié)流調(diào)節(jié)可以維系整個(gè)動(dòng)力工程系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)能源的負(fù)載平衡。節(jié)流問(wèn)題是指火電廠的熱能轉(zhuǎn)化過(guò)程中，如果設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致能量的損耗效率有所增加，使得火電廠的經(jīng)濟(jì)效益、能源效益降低。

針對(duì)火電廠動(dòng)力工程中容量較小的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)行的調(diào)節(jié)，使得機(jī)械整體運(yùn)行狀態(tài)比較良好。如若在動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械負(fù)荷數(shù)值發(fā)生改變，軸承會(huì)因此而受到影響，運(yùn)行速度也會(huì)有所降低，使得實(shí)際功率與額定功率達(dá)不到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)質(zhì)量有所降低。因此，節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的作用有利有弊，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，規(guī)避問(wèn)題。

3 火電廠動(dòng)力工程優(yōu)化改進(jìn)措施

火電廠在對(duì)熱能以及動(dòng)力工程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化過(guò)程中，需要制定科學(xué)合理的方案，結(jié)合火電廠的實(shí)際能源消耗情況，對(duì)其進(jìn)行改造，通過(guò)熱系數(shù)的計(jì)算，找到對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行改進(jìn)，可以提高火電廠熱能動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具體措施如下。

3.1 蒸汽參數(shù)優(yōu)化

目前，針對(duì)動(dòng)力機(jī)組中因復(fù)雜的汽輪機(jī)組運(yùn)行而導(dǎo)致的熱能損失問(wèn)題，可以將損失的熱量進(jìn)行重新應(yīng)用，將其應(yīng)用到下一層次之中，可以利用殘余能量繼續(xù)供給動(dòng)力系統(tǒng)所需的能量。在機(jī)械運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)誤差選值進(jìn)行計(jì)算以及把握，并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的誤差值進(jìn)行疏導(dǎo)，減少對(duì)機(jī)械產(chǎn)生的影響是比較有效的方法。然而，在實(shí)際動(dòng)力系統(tǒng)操作過(guò)程中，能量損失是物理學(xué)中必要的結(jié)果，是機(jī)械運(yùn)行的客觀規(guī)律，其在系統(tǒng)之中的影響關(guān)系并未絕對(duì)性，減少能量消耗是比較常見(jiàn)的手段，但該問(wèn)題目前仍無(wú)法完全規(guī)避[2]。

例如，某火力發(fā)電廠采用提高蒸汽初參數(shù)的方式提高系統(tǒng)運(yùn)行的熱效率，降低再熱現(xiàn)象的能量損失。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的熱耗率大致在800kJ/kWh，根據(jù)蒸汽朗肯循環(huán)參數(shù)的分析，對(duì)影響熱效率的因素進(jìn)行判斷。冷源、熱源的溫度差是影響熱效率的主要問(wèn)題，通過(guò)提高蒸汽參數(shù)、降低排汽溫度的手段，可以提高系統(tǒng)的熱效率參數(shù)，排汽溫度的計(jì)算公式如下：

公式中的△t表示冷卻水溫升高系數(shù)，H表示最終的排汽溫度，θt是設(shè)備系統(tǒng)的傳熱端差，t1則表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)水溫度。

目前，汽輪機(jī)蒸汽的初參數(shù)為565℃，汽溫的提升需要投入大量的成本，而采用提高進(jìn)汽壓力，降低蒸汽終參數(shù)的改進(jìn)方式，可以提高效率的同時(shí)，減少能源消耗，該措施與之匹配的方法是再熱循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽初壓對(duì)朗肯循環(huán)熱效率會(huì)產(chǎn)生一定程度影響，出口干度在0.85左右，循環(huán)效率提升，具體循環(huán)熱效率如圖1所示。

圖1 蒸汽初溫對(duì)循環(huán)熱效率影響圖

圖1中，t1表示進(jìn)水溫度，P1表示初壓、P2表示終壓，S表示時(shí)間，T表示循環(huán)效率。由圖1可知，設(shè)備處于極限壓力狀態(tài)下，通過(guò)提高蒸汽初壓的方式，可以有效提高動(dòng)力系統(tǒng)的循環(huán)效率，再熱系數(shù)得以有效利用。如保持終壓、初壓恒定，則通過(guò)提高初溫度，可以提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。

除采取提高初壓參數(shù)的方式進(jìn)行優(yōu)化，也可以采用降低終參數(shù)的方式提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。通過(guò)對(duì)公式（1）的分析，結(jié)合圖1中的變化規(guī)律，排氣溫度應(yīng)高于冷卻水的進(jìn)水問(wèn)題，采用降低排氣壓力的方式提高循環(huán)效率，但會(huì)受冷卻水進(jìn)水問(wèn)題的影響。在循環(huán)熱系數(shù)利用系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，出水與進(jìn)水的合理溫升應(yīng)控制在10℃，傳熱端差為8℃。

3.2 減少濕氣損失改進(jìn)措施

減少濕氣損失是保障動(dòng)力系統(tǒng)供給電量穩(wěn)定的關(guān)鍵，空氣溫差會(huì)導(dǎo)致蒸汽凝結(jié)，使得設(shè)備受損，降低濕氣損失可以提高動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率。采用蒸汽循環(huán)的方式，必然會(huì)產(chǎn)生濕氣損失，通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要作用是減少濕氣損失，降低能源消耗。中間再熱循環(huán)系統(tǒng)對(duì)于降低濕氣損失而言有著積極的作用，相關(guān)人員可以通過(guò)引入中間再熱循環(huán)系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕氣損失的科學(xué)控制。

通常情況下，高壓缸內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過(guò)膨脹的溫度，其壓力大致為主汽壓力的20%左右，引出蒸汽將其回流至再熱器內(nèi)進(jìn)行繼續(xù)加熱、膨脹，可以起到降低排汽濕度的作用。由于進(jìn)汽過(guò)程中溫度會(huì)受到動(dòng)力系統(tǒng)材料的影響，金屬材料會(huì)對(duì)進(jìn)汽壓力產(chǎn)生一定的限制，但通過(guò)控制進(jìn)汽溫度的方式，并使用中間再熱系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)的熱效率5%以上甚至更高，中間加熱的方式可以進(jìn)一步優(yōu)化其效率，可以再次提高2%甚至更高，中間再熱系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化使用比較復(fù)雜。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中間再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2結(jié)構(gòu)建立中間再循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)濕度的影響因素進(jìn)行細(xì)致分析?？紤]到蒸汽中間再熱循環(huán)會(huì)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)效率產(chǎn)生一定程度的影響，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，分析其具體的應(yīng)用效果。蒸汽中間加熱方法的應(yīng)用，末級(jí)的蒸汽濕度有所降低，降低率達(dá)到5%以上，說(shuō)明該系統(tǒng)下的濕氣損失率有所降低。對(duì)該表象下的動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行效率進(jìn)行分析，中間再熱使得內(nèi)效率得以提升。

因此，在對(duì)動(dòng)力工程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的過(guò)程中，采用上述方法進(jìn)行效率提升的同時(shí)，也要對(duì)蒸汽中間的再熱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以熱效率提升為目標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。再熱后蒸汽功率下的焓值降低后增加，如果時(shí)刻保持功率不變，給水量和能耗量也會(huì)一定程度減少。但如果抽氣機(jī)存在過(guò)熱反應(yīng)，則抽汽量仍然會(huì)受到影響。即使使用再熱循環(huán)系統(tǒng)，采用削弱回?zé)嵋约凹訜岬姆绞竭M(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，其經(jīng)濟(jì)效果也會(huì)有所增加。

3.3 提高節(jié)流功能改進(jìn)措施

火電廠節(jié)流調(diào)節(jié)以科學(xué)化的調(diào)節(jié)方式減少節(jié)流損耗，計(jì)算各級(jí)焓值、差值等，對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行明確，以改善設(shè)備的實(shí)際需要。為減少動(dòng)力系統(tǒng)超負(fù)荷的情況出現(xiàn)，通過(guò)節(jié)流調(diào)壓的方式確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性，并使用貢獻(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改善。

以某火電廠為例，其在動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)用聯(lián)合動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)質(zhì)量的優(yōu)化，將高溫循環(huán)排汽作為低溫循環(huán)的熱源，同時(shí)使用燃?xì)狻⒄羝问竭M(jìn)行聯(lián)合裝置的構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的科學(xué)優(yōu)化。使用聯(lián)動(dòng)動(dòng)力裝置，熱力參數(shù)、單機(jī)容量均得到保障，動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的熱效率可以得到保障，排汽溫度在500℃，每秒的排氣量達(dá)到300kg以上，將排氣能量作為給水裝置，有效提高了系統(tǒng)的供電效率，減少了能源的消耗量。使用聯(lián)合動(dòng)力裝置，動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)流功能得以優(yōu)化，且在單機(jī)容量較高的情況下極少出現(xiàn)負(fù)荷負(fù)載的情況，減少了節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)備的損壞。

使用熱電聯(lián)供循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)節(jié)流調(diào)節(jié)也是當(dāng)下比較流行且有效的方法。熱電聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用將一部分蒸汽抽出，供給用戶所需的熱量，有效提高了蒸汽凝結(jié)熱的效率，其熱效率從原本的35%左右，理論上最高功率運(yùn)行下熱效率可以提升至90%左右。熱電聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)比較單純火力系統(tǒng)給發(fā)電而言能耗更低，節(jié)能收益更高。因此，火電廠在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造的過(guò)程中，通過(guò)熱力循環(huán)系統(tǒng)的引入以及應(yīng)用，可以提高再熱現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)的能源利用效率，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)以及聯(lián)合循環(huán)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)，使用新型的動(dòng)力循環(huán)形式，達(dá)到降低能源消耗，提高能源利用效率的兩大目標(biāo)，進(jìn)而提高火電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，火電廠目前正從傳統(tǒng)動(dòng)力能源消耗上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以提高性能、減少能耗為目標(biāo)的動(dòng)力工程優(yōu)化，解決目前火電廠存在的熱能轉(zhuǎn)化率供給較低問(wèn)題?；痣姀S的動(dòng)力工程優(yōu)化主要基于現(xiàn)有的動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行，通過(guò)設(shè)備管理、設(shè)備調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)流調(diào)節(jié)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力工程能源消耗方面以及運(yùn)行效率方面的改進(jìn)優(yōu)化?；痣姀S中的熱能與工程優(yōu)化仍處于研究階段，隨著能源技術(shù)、工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其效率、節(jié)能效果將會(huì)越來(lái)越好。