火電廠熱能動力系統優化與節能改造研究

王竟懿

摘 要：火電廠采用熱能動力系統發電，可以減少不必要的能量損耗，充分利用能源，提高生產效率。本文首先分析火電廠熱能動力系統，然后從系統運行優化和節能改造兩方面提出了改進思路，探討了聯產技術、回收技術、補水技術在系統優化與節能改造中的應用。

關鍵詞：火電廠;熱能動力系統;節能改造

中圖分類號：TM62文獻標識碼：A文章編號：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

當前，可再生資源不斷減少，火電廠生產面臨較大的資源壓力。與此同時，伴隨社會經濟的快速發展，生產、生活用電需求量不斷增加。面對這一局面，在利用熱能動力系統發電的過程中，火電廠要引入先進技術進行系統優化和改造，提高能量轉化利用效率，減輕資源利用壓力，滿足節能生產需求。因此，要加強系統優化與節能改造研究，以科學技術為支撐，推動發電事業的健康發展。

1 火電廠熱能動力系統

熱能動力系統發電是指利用化石燃料等可燃物燃燒產生熱能，然后經過發電動力裝置轉換為電能。從系統能量轉化過程來看，最初為生物化學能，之后依次轉化為熱能、機械能和電能。在系統運行過程中，受燃燒不充分因素影響，化石能源遭到大量浪費，能量轉化程度較低。與此同時，燃燒將產生大量二氧化碳和二氧化硫，如果未經有效處理就排放至空氣中，會引發嚴重環境污染[1]。

在建設熱能動力系統時，火電廠需要綜合考量各類技術，參照國家、行業技術標準，對各種機械設備進行合理選用和組合，完成系統性能綜合分析，在保證系統可靠運行的同時，盡可能提升能量轉化率。此外，技術應用方面，要綜合考慮技術水平，在保證系統先進性的同時，為日后維護提供便利，使系統建設帶來可觀經濟效益。在系統建設過程中，除了保證設備投資不超預算，還要保證后期產生的損耗費和維修費低于經濟效益。近年來，伴隨國家節能環保政策推行，火電廠因能源過度損耗和污染治理承擔的成本逐漸增加。但目前建設的系統大多關注經濟效益，缺少對社會效益的足夠考量，最終影響系統運行的經濟性。因此，要對系統進行優化和節能改造，提升系統工作質量，為火電廠的可持續發展提供保障。

2 火電廠熱能動力系統優化與節能思路

2.1 運行優化

現階段，冶金化工行業利潤高，大量優質煤炭流向該行業，造成火電廠能夠利用的煤炭品質不高。劣質煤炭難以保證鍋爐穩定燃燒，使得資源利用率不高，熱效率僅為30%～40%。盡管國家大力倡導風力發電、水力發電，火力發電在未來較長時間內依然是我國的主要發電方式，因此為使現有資源得到最大限度利用，人們要優化熱能動力系統，提高能量轉化率。從熱能動力系統運行情況來看，多存在重熱現象，即多級汽輪機組運行期間內部各級間存在顯著熱能損失，使得電能使用率較低[2]。發生重熱現象后，電力系統難以維持穩定，不僅影響發電效率，也將造成發電質量下降。在優化系統運行時，要重視熱能品位和燃料化學能品位的關系，對動力側和化工側進行整合，建設聯產系統，運用集成原理，促使能量得到充分利用。機組內的各級能源要做到合理運用，提高系統能量轉化率。挖掘熱能動力系統潛力，能夠改善系統資源利用效果，減輕運營壓力，創造更多效益。

2.2 節能改造

結合熱能動力系統工作原理可知，利用鍋爐產生的蒸汽驅動汽輪發電機組，蒸汽中依然有大量熱能被冷卻水帶走，同時鍋爐排出的煙氣也將帶走大量熱能。而在蒸汽膨脹過程中，將有明顯水滴出現，引發蒸汽損失。相較于水滴，蒸汽運動速度更快，使其不斷與水滴接觸，導致大量濕氣產生。而只要鍋爐運行，就會產生水滴，引發蒸汽損失。調整設備運行頻率，可以減少濕氣損失，卻會導致機組無法保持額定運行狀態，同樣會引發能量損耗。為避免電力系統產生較大損耗，火電廠會對發電設備進行節流調節。在機組容量較小時，節流調節可以使機組維持相對穩定的運行狀態，避免產生較大損耗。但是，若運行負荷較大，節流調節將導致機組數減少，運行級數增加，給火電廠帶來經濟損失。

系統污染治理方面，為避免大量溫室氣體排放至空氣中引發環境污染，火電廠要引入煙氣治理技術，系統尾部安裝相關裝置。但是，采取“先污染，后治理”的方式，同樣會帶來較大能耗，污染處理效果不理想，不利于行業的可持續發展。綜合這些問題，要從多個方面對系統進行節能改造，在減少各種資源、能源損失的同時，加強污染治理，促使系統取得理想的節能改造效果。

3 火電廠熱能動力系統優化與節能改造技術措施

3.1 聯產技術應用

火電廠要引入聯產技術，優化熱能動力系統，推動系統能量轉換與污染控制的一體化發展，促使能量得到充分利用。具體來講，就是對汽輪發電機組運行過程中產生的熱量進行利用，在發電的同時進行供熱，實現熱電聯產。電能、熱能同時得到利用，所以可以形成高效能源利用模式。聯產技術能夠對不同品位的熱能進行分級利用，即采用低品位熱能進行集中供熱，采用高品位熱能進行發電，提高能源利用率。

3.1.1 系統建設。采用物理化學方法實現聯產，能夠使煤炭資源得到清潔、高效利用。將煤氣化當成中心，能夠將95%的煤轉化為可燃合成氣，實現聯合循環發電。具體來講，增設反應器，將煤炭制作成化工產品，然后利用剩余尾氣進行燃燒發電，將發電和化工生產耦合[3]，保證氣化系統穩定運行，降低系統發電成本。不同于對系統設備進行單獨改造，聯產技術需要實現系統聯合優化，具有整體性和系統性。蒸汽動力聯產需要保證燃氣輪機鍋爐機組和汽輪機高壓系統聯合運行，構成新型聯產系統。系統運行需要實現耦合共生，保證各種設備相互協調，實現廢氣資源化處理，促使系統獲得的經濟效益與環境效益相協調。在重新組合的基礎上，原本熱能動力系統得到簡化，原料要求隨之降低，能夠通過不同工藝互補提高系統總體運行效率。

3.1.2 控制優化。系統控制優化方面，為實現能量階梯利用，要對系統運行產生的二氧化碳進行吸收和再利用，利用先進分離技術完成清潔燃料的深度分離，用于化工合成生產，使合成氣擁有均衡化學成分，在燃料化學性質、熱能和自由能間建立動力關系，使能量轉化效率得到提高。在系統內部實現能量循環時，要加強重熱系數控制，確保再熱管道完整。適當縮減蒸汽機的熱段管道口徑，能夠減少管道壓力損失，降低凝汽器背壓，使系統熱量損耗得到有效控制[4]。各個子系統運行期間，要合理選擇運行周期，交替使用單閥和順序閥來調整聯產系統，提高系統整體運行效率。日常應做好系統運行數據記錄，根據設計標準和歷史數據進行對照，通過經常性的檢查和調整使系統最終達到良好運行狀態。

3.1.3 供熱調節。在燃煤過程中，系統供熱時容易出現熱力平衡差，存在流量大、溫差小的問題。為加強蒸汽過熱度控制，人們需要將供熱蒸汽熱量傳送至系統，實現熱度轉化。為使供熱系統達到平衡，減少熱量損失，還要對熱力管網進行改造，在完成采暖地溝敷設的同時，在部分區域新建地溝進行循環輸泵改造。通過安裝水泵變頻器，加強供熱系統計量，人們能夠對系統進行變流量控制，結合設備負荷曲線對溫度進行設定，促使水溫得到有效控制。采暖供熱方面，設置恒溫閥進行調節，使溫度維持穩定。應用熱能動力系統供熱，運行溫度變化也將引起能源損耗，要結合設備實際帶負載情況進行控制閥調節，對控制單元輸出信號進行控制。通過動力操作，調節介質的壓力、流量等，使系統維持可靠運行。結合火電廠建設經驗，通常上半年將進行單閥運行，下半年采用順序閥進行系統運行調整，使系統保持最佳運行狀態，提高系統能源利用率。

3.2 回收技術應用

3.2.1 余熱回收。系統節能改造方面，可以采用余熱回收技術。通過對系統發電過程展開分析，人們可以發現余熱回收利用率較低，系統產生的過多余熱將伴隨煙氣、排污水等物質散失。從節能減排角度來看，要加強煙氣回收利用。目前，鍋爐發電排煙溫度通常能夠達到200 ℃，回收潛力較高，煙氣熱量回收利用能夠有效節省能源。實踐應用期間，可以采用預熱和助燃兩種回收利用方式，前者直接利用煙氣對工件進行預熱，但容易受到場地限制。而采用煙氣對空氣進行預熱，能夠起到助燃效果，增加鍋爐熱量，提高燃燒效果。提升預熱器入口位置的空氣溫度，能夠使換熱面壁溫升高，避免出現結露腐蝕問題。采用管式換熱器時，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。針對尾部換熱器，壁溫應比煙氣露點溫度稍高，避免露點腐蝕發生。實際進行系統節能改造時，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，有效減少能源消耗。對排污水余熱進行回收利用時，應結合系統定期排污特點進行節能改造。系統經過擴容減壓后，廢水將直接排放，導致余熱浪費。如進行連續排污，僅能利用擴容器實現少量二次蒸汽回收，同樣會造成余熱浪費。為此，還要在鍋爐上完成余熱回收裝置安裝，對污水余熱進行回收，使系統熱量得到充分利用。該裝置可以利用溫度低的水對煙氣進行冷卻，將煙氣溫度降低至水蒸氣冷凝水平，對煙氣顯熱和冷凝潛熱進行回收利用，提升鍋爐熱效率。

3.2.2 凝結水回收。在火電廠生產中，熱能動力系統中大量能量和水資源用于產生蒸汽熱。在鍋爐運行過程中，要將水位維持在一定范圍內。水位過高將導致飽和蒸汽帶過多水，蒸汽溫度將急劇下降。而在放熱后，蒸汽將形成凝結水，直接排放將導致資源浪費。從總體來看，廢蒸汽冷凝水釋放的熱量占蒸汽總熱量的1/4左右。對高溫冷凝水進行回收利用，不僅可以減少水資源浪費，也能減少低燃料能源消耗。凝結水回收技術可以實現低壓蒸汽水的余熱回收，利用余熱實現系統節能控制。火電廠可以采取壓力回水和背壓回水方式，前者需要安裝凝結網，利用加壓泵提供壓力，實現凝結水余熱收集，使鍋爐能量得到一定補償，保證系統運行安全[5]。但在鍋爐運行過程中，該方式需要進行閥門檢查和水泵檢查。回收系統遇到較大阻力時才使用增壓泵，若發現排水不暢，就開啟增壓泵，加快系統循環速度，保證設備正常運行。采用背壓回水方式時，如果加熱設備背壓較低，就可以直接利用疏水閥背壓回收凝結水，將閥門壓力當成動力傳輸水蒸氣和凝結水，提高蒸汽利用率。通過回收蒸汽凝結水，資源可以實現最大化利用，進一步提升系統節能效果。

3.3 補水技術應用

在蒸汽機組運行的過程中，要采取抽凝式補水方式不斷提供水資源，保證系統設備正常運轉。系統冷凝器用于使汽輪機出口維持真空，提高汽輪機功率。而在冷凝器位置安裝補水霧化裝置，能夠使排汽余熱得到充分利用，在減少冷源損失的同時，提高機組熱能的經濟性。對系統進行節能改造，可以通過化學補水方式提高設備運行效果。具體來講，就是在除氧器或凝結器中補加化學水，使排氣廢熱得到回收利用，改善凝結器真空狀態，節約能源。該技術需要加強水溫控制。在補水不足時，利用余熱裝置提升水溫，使水快速進入凝結器。采取噴霧式方式，利用低壓加熱器對補水進行逐級加熱，能夠增強補水效果，使高位能蒸汽量得到有效控制，滿足系統節能改造要求。此外，蒸汽機組運行期間將產生濕氣損失，還要配備除濕設施降低能源損耗。采用中間熱循環方法，在高效除濕的同時，能夠提高機組設施抗腐蝕能力。在噴灌時，要設置吸水縫，有效控制損失，繼而提高系統運行效率。

4 結論

在節能環保戰略得到逐步落實的背景下，火電廠的運營理念開始發生改變。針對熱能動力系統能量損耗大、污染排放量大的問題，人們需要通過開展能量階梯型利用等措施實現系統運行優化，并通過系統節能改造充分利用各種能源，減少污染排放量。實際進行系統改造時，要合理運用聯產技術、回收技術、補水技術，達到系統優化和改造要求，最終取得理想的節能效果。

參考文獻：

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[4]宋健，譚慎遷，劉朝青.基于火電廠熱能動力聯產系統節能改革問題[J].科技資訊，2018（35）：41.

[5]井飛.熱能動力工程在火電廠中的應用[J].中小企業管理與科技，2019（7）：154-155.