熱能與動(dòng)力工程在熱電廠中的運(yùn)用

王海錚

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221000）

熱電廠的熱能來(lái)源絕大部分是煤炭，在熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而由汽輪機(jī)組產(chǎn)出電能的過(guò)程中，能源轉(zhuǎn)換受到多種因素的干擾，在煤炭燃燒發(fā)熱、高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)電等環(huán)節(jié)，各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、性能、電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)以及環(huán)境因素率等，都會(huì)導(dǎo)致熱能的轉(zhuǎn)換失敗和散失。而利用熱能與動(dòng)力工程可以盡量將這部分熱能有效利用，使之成為城市日常生產(chǎn)生活的熱源。

1 熱能與動(dòng)力工程應(yīng)用概述

以煤炭為主要能源的熱電廠是保障電能供應(yīng)的核心企業(yè)，但近年來(lái)隨著人們對(duì)資源與環(huán)境狀態(tài)惡化的關(guān)注，傳統(tǒng)的熱電廠生產(chǎn)模式已經(jīng)難以滿(mǎn)足能源利用率與環(huán)境保護(hù)要求。因此圍繞提升電能轉(zhuǎn)換率和降低污染物排放這兩個(gè)目標(biāo)，對(duì)熱電廠的發(fā)電機(jī)組展開(kāi)了多方面的改造或升級(jí)，力圖在確保電能供應(yīng)質(zhì)量與可靠性的前提下，減少煤炭等資源的消耗和熱電廠的污染物排放。熱能與動(dòng)力工程正是在這一背景下被運(yùn)用到了熱電廠的生產(chǎn)中，其根本理念是優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的設(shè)備組合和運(yùn)行狀態(tài)，把原本無(wú)法轉(zhuǎn)化為電能的熱量收集輸送至市政熱力供應(yīng)管網(wǎng)，從單一的電能生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)供應(yīng)電能和熱能。但機(jī)組運(yùn)行模式的改變也帶來(lái)了新的技術(shù)性問(wèn)題，如何精確的控制供熱式機(jī)組的運(yùn)行并達(dá)到能量利用率的最大化，是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 運(yùn)用熱能與動(dòng)力工程時(shí)的能量損耗

2.1 濕汽損失及其成因

在發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，高壓蒸汽在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)由于溫度下降、機(jī)械阻力等因素?fù)p失掉部分熱量與動(dòng)能，而且會(huì)因此帶來(lái)汽輪機(jī)零配件的沖蝕損壞。首先高壓蒸汽在流動(dòng)過(guò)程中與機(jī)械設(shè)備的零配件之間相互作用，大部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，但其中的一部分能量會(huì)以熱能傳遞散失或因設(shè)備零配件之間的摩擦力而被損耗。其次當(dāng)蒸汽在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到溫度降低的情況時(shí)，會(huì)有部分蒸汽凝結(jié)為液態(tài)的水，不僅會(huì)散失部分熱能，還因?yàn)槔淠拇嬖诙璧K蒸汽流動(dòng)，給其帶來(lái)動(dòng)能損耗。

2.2 設(shè)備調(diào)壓帶來(lái)的能量損失

壓力調(diào)節(jié)是改變發(fā)電機(jī)組輸出功率、保障聯(lián)網(wǎng)供電情況下的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)，理想狀況下的壓力調(diào)節(jié)能夠讓整個(gè)機(jī)組適應(yīng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，并且有理想的能量轉(zhuǎn)換效率。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)組設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜的且對(duì)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間各異，因此目前為提升負(fù)荷適應(yīng)性而進(jìn)行的壓力調(diào)節(jié)不夠科學(xué)和精確，對(duì)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)組而言會(huì)造成額外的動(dòng)能、熱能損失。

2.3 機(jī)組節(jié)流調(diào)節(jié)帶來(lái)的熱能損失

流量是熱力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，在應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，流量調(diào)節(jié)是保障運(yùn)行效率的重要手段，但同時(shí)也與壓力調(diào)節(jié)存在同樣的問(wèn)題，即無(wú)法避免因運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)帶來(lái)的多方面額外能量損失[1]。這一方面和機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀況的復(fù)雜性有關(guān)，由于存在包括鍋爐、冷凝裝置以及汽輪機(jī)在內(nèi)的多個(gè)運(yùn)行原理復(fù)雜的設(shè)備，在實(shí)施流量調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)各個(gè)設(shè)備自身運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響非常復(fù)雜，因此總體而言無(wú)法保障通過(guò)流量調(diào)節(jié)達(dá)到優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率的目標(biāo)。

2.4 電力負(fù)荷波動(dòng)造成的能量轉(zhuǎn)換效率下降

熱電廠的發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下需要對(duì)電力負(fù)荷變化做出快速響應(yīng)，才能確保電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。而對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)也是基于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)完成的，因此無(wú)可避免的會(huì)影響能量轉(zhuǎn)換效率。首先基于供電網(wǎng)絡(luò)自身的自動(dòng)化控制功能，會(huì)根據(jù)配網(wǎng)負(fù)荷的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電頻率，將調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸至熱電廠的機(jī)組控制系統(tǒng)，完成自動(dòng)化的發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)。雖然這一調(diào)節(jié)模式響應(yīng)速度極快并有利于保障供電質(zhì)量，但可調(diào)范圍有限。因此對(duì)于熱電廠而言需要進(jìn)行二次調(diào)節(jié)才能達(dá)到要求，而二次調(diào)節(jié)方式的科學(xué)性對(duì)電能生產(chǎn)效率有很大影響。

3 優(yōu)化熱能利用的有效措施

3.1 利用自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)精確調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行

在熱電連產(chǎn)模式下優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換與利用，自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)的應(yīng)用是最有效的措施。首先在調(diào)壓與節(jié)流裝置控制過(guò)程中，基于相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組各部分設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)控制系統(tǒng)軟件對(duì)機(jī)組整體工況進(jìn)行科學(xué)的分析，從而對(duì)壓力或流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)[2]。其次能夠利用智能化控制技術(shù)優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)電力負(fù)荷、鍋爐燃燒狀況變化等做出快速響應(yīng)，有效減少熱能損失并保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 根據(jù)流體力學(xué)等原理優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式

在熱能與動(dòng)力工程的運(yùn)用過(guò)程中，機(jī)組設(shè)備的組合設(shè)計(jì)以及各項(xiàng)工藝參數(shù)的分析計(jì)算都是提升其運(yùn)行效率的基礎(chǔ)。首先應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)等設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化組合，根據(jù)實(shí)際的電能與熱能生產(chǎn)目標(biāo)，選擇適宜的設(shè)備類(lèi)型與具體型號(hào)。其次根據(jù)流體力學(xué)等相關(guān)原理精確計(jì)算和分析機(jī)組設(shè)備的工藝參數(shù)作為進(jìn)行流量等參數(shù)調(diào)節(jié)的依據(jù)。此外應(yīng)在機(jī)組設(shè)計(jì)改造過(guò)程中充分利用重?zé)嵩恚_保重?zé)嵯禂?shù)在合理范圍內(nèi)，使得機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中不可避免的熱量損失得到最大限度的有效利用。

4 結(jié)語(yǔ)

熱能與動(dòng)力工程是優(yōu)化熱電廠能量轉(zhuǎn)換的有效途徑，但在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中需要解決好相關(guān)問(wèn)題，利用自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量等調(diào)節(jié)裝置的精確控制，才能讓供熱式機(jī)組保持高效、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到提升能源利用率并減少有害物質(zhì)排放的目的。