基于“雙碳”目標下的綜合節能改造研究與探討

邵飛

中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院

0 引言

火力發電作為傳統的采用煤炭燃燒產生的化學能轉化電能的發電方式，在這一過程中需要耗費大量的化石能源。我國經濟的快速高質量發展使得電力的需求日益增長，使資源的供給與需求之間的矛盾不斷加深。2020年國家宣布中國將力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。在這一“雙碳”目標的大環境下，火電機組尤其是大中型火電機組開展深度節能降耗工作，實現火電機組整體優化是很有必要的。

要挖掘機組的節能潛力，提升機組整體經濟性，首先要對現役機組及設備進行能耗評價和診斷，然后制訂全面詳盡的綜合節能降耗方案，爾后采用各項已成熟的技術對主輔設備及熱力系統進行技術改造和運行優化，最終實現機組各項性能的整體優化和熱力性能參數的改善。

1 火電機組的能耗診斷研究

火電機組由于客觀因素的影響，機組運行中存在能耗過高的現象，致使發電機組并未達到預期效能[1]。所以需要對火電機組的能耗水平進行診斷、評估，找出影響能耗的主要因素，分析節能潛力，提岀技術改造方案。

本節著重講述汽輪機及熱力系統方面能耗診斷的分析研究。

機組能耗診斷的主要范圍為機組主要運行參數，汽輪機熱耗，汽輪機缸效率，汽輪機抽汽回熱系統、冷端系統、主要輔機電耗，主要設備與主、再熱蒸汽管道保溫狀況等。

影響汽輪機熱耗率的因素有：高、中、低壓缸效率，主蒸汽溫度和壓力，再熱蒸汽溫度，機組補水率，調節閥運行方式及開度，給水泵焓升，凝結水泵焓升，軸封漏汽量，加熱器給水端差，再熱蒸汽壓損，最終給水溫度，凝汽器壓力，再熱器減溫水量，鍋爐吹灰蒸汽量，小汽輪機進汽量，加熱器疏水端差，凝汽器端差，凝汽器過冷度，閥門內漏、設備散熱損失。

影響機組廠用電率的因素主要有電廠各用電輔機耗電率。表1為各典型機組的發電廠用電率表。

表1 典型機組的發電廠用電率表

基于調研研究各典型機組設計和運行情況，總結各主要因素對設計發電煤耗的影響量，如表2所示。

表2 主要因素對設計發電煤耗的影響量（單位：g/kWh）

2 火電機組的綜合節能改造技術

基于對火電機組的能耗診斷和評估以及當前主流改造技術，本文研究從汽輪機系統改造、冷端提效優化技術、熱力系統及輔助系統優化改造技術等方面開展綜合節能改造工作。

2.1 汽輪機系統改造

根據典型機組汽輪機設計熱力性能數據，采用等效焓降的方法可以計算出汽輪機各缸效率每降低1%對機組熱耗率的影響，結果如表3所示。

表3 各缸效率每降低1%對機組熱耗率的影響數據（單位：kJ/kWh）

通過調研分析，造成汽輪機本體通流效率低于設計值的原因主要有：

1）汽輪機廠家由于某些原因將汽輪機設計效率設計得偏高。

2）個別級通流間隙設計不合理。

3）汽輪機廠家設備加工和安裝質量與設計存在差距。由于安裝等原因，導致汽輪機通流間隙未能調整至設計范圍，造成實際通流徑向間隙大于設計值。

4）機組啟、停及運行中存在高、中壓缸溫差超標或啟停運行操作方式不當造成通流部分汽封磨損。

5）汽水品質差、通流部分結垢嚴重。

要解決汽輪機本體通流效率低這個問題，主要從兩個階段開展工作：一是設計制造階段；二是運行維護階段。

設計階段應采用全三維設計計算減少動葉和靜葉的沖角損失等以減少葉型損失；增加葉片相對高度、采用可控渦設計技術降低環形葉柵根部和頂部的二次流損失；釆用先進的汽封結構和形式，減少漏汽損失；合理增大動葉和靜葉之間的間隙，設計有效的去濕結構，減少濕汽損失；低壓缸通流部分葉根、葉頂邊界形狀設計為光順結構；優化排汽缸氣動性能，減少余速損失；對高、中壓合缸機組的過橋汽封進行優化設計，在安全運行的前提下減少汽封間隙以減少損失。

在運行維護階段應合理地調整汽封間隙；開展機組調門流量特性優化和滑壓運行優化，減少進汽閥門節流損失；減少工質泄漏；減緩機組老化。

2.2 冷端提效優化技術

機組冷端損失是電站損失中最大的一部分，因此優化冷端損失是非常重要的節能降耗方式[2]。

通過汽輪機制造廠家提供的真空變化對汽輪機熱耗率的修正曲線，發現N300-16.7/538/538型機組真空每升高1 kPa，機組熱耗率將增加約66 kJ/kWh；N600-24.2/566/566型機組真空每升高1 kPa，機組熱耗率將增加約61 kJ/kWh，如圖1所示。這說明真空偏高對機組經濟性影響是非常明顯的。

圖1 某N600-24.2/566/566型機組真空變化對汽輪機熱耗率的修正曲線

在機組運行中，造成機組真空偏髙的原因可能有：外部空氣漏進凝汽器中、凝汽器熱負荷過大、凝汽器冷卻管束積垢、循環水流量較低、循環水入口溫度升高等。

現階段使用最廣泛的冷端優化方法是尋找機組最佳運行真空。尋找最佳運行真空，是以機組功率、循環水入口溫度和循環水流量為變量，以機組微增出力與真空泵和循環水泵耗功增量之差為目標函數，該目標函數最大時所對應的真空即為最佳運行真空。通過對目標函數的計算可得到特定循環水入口溫度條件下機組的最佳真空和相應的循環水流量。然后，根據冷卻水流量，合理調整循環水泵的運行方式，提高機組運行的熱經濟性。

但是，該方法在使用過程中會出現問題。常規冷端優化方法是假定在循環水流量變化時，凝汽器入口循環水溫度不發生變化。這顯然是有局限性的。在機組實際運行中，當循環水量變化時，凝汽器入口水溫會隨冷卻塔出口水溫改變而改變。所以需要對冷端進行整體優化。

針對冷端提效優化，要有全局意識和整體意識，提出采用大冷端思想，對冷端系統進行整體診斷，全局優化。采用大冷端主要是從冷卻塔、凝汽器、真空泵、循環水泵統籌考慮。圖2所示為冷端綜合提效改造技術簡圖。

圖2 冷端綜合提效改造技術簡圖

針對冷卻塔設計不合理[3-4]、凝汽器清潔度不佳[5]、真空泵與維持真空需求不匹配、循環水泵運行有節能空間以及循環水泵調度方式不合理等問題，可以采用如下措施優化冷端系統。

1）采用風水匹配優化冷卻塔強化換熱技術

對于冷卻塔配水配風設計不合理的問題，可以借助數值模擬，建立三維冷卻塔模型及冷卻塔熱力特性計算模型，研究氣象條件、冷卻塔內流動及傳質傳熱等情況，研究分析不同的填料及配水方式對冷卻塔內流場、溫度場以及冷卻效果的影響。冷卻塔優化的目的是降低出塔水溫?？梢詮囊韵聨追矫孢M行改造：通過非均勻填料布置、淋水密度及填料區非等高布置等綜合優化，出塔水溫可降低；通過更換新型高效噴嘴，變化噴射顆粒直徑以加強傳熱，進一步降低出塔水溫；在塔底加裝刀鋒板整流，實現雨區中心補風。

2）凝汽器在線清洗及強化換熱技術

采用凝汽器在線清洗系統或者清洗機器人系統，實時在線清洗凝汽器管束，維持凝汽器高清潔度。

3）高效真空維持系統

常規真空泵是按照最大抽氣量設計的，故其耗電量較大，而機組在正常運行工況下，凝汽器漏入的空氣量遠小于真空泵的設計抽氣量。以某660 MW超超臨界機組為例，其允許漏氣量為132 kg/h，而實際運行中一般情況下的漏氣僅有25 kg/h，因此，常會出現“小車配大馬”的現象，浪費能源。

采用高效節能的抽真空裝置，可以替代常規水環式真空泵，在機組正常運行情況下維持火電廠凝汽器真空，以達到節能降耗的作用。目前使用效果較好的有蒸汽噴射器[6]和羅茨真空泵裝置。

4）循環水泵調度優化技術

常規優化方法是假定在循環水流量變化時，凝汽器入口循環水溫度不發生變化[7]。在機組實際運行中，當循環水量變化時，凝汽器入口水溫會隨冷卻塔出口水溫改變而改變。所以需要對冷端進行整體優化，使得凝汽器、循環水泵、冷卻塔互相耦合的關系能夠從冷端全局進行考慮。

2.3 熱力系統及輔助系統優化改造技術

熱力系統及輔助系統優化主要可從蒸汽參數優化、高/低壓加熱器運行優化、疏水系統優化等方面著手開展研究工作。

根據朗肯循環可知，提升蒸汽初參數，可以提高熱力循環效率。所以在設計參數已經確定的情況下，應盡量降低蒸汽參數與設計值的偏差，降低減溫水用量，提高鍋爐安全性和經濟性。蒸汽參數優化可以從壁溫測點的部位數量代表性、管道材料、管道系統的布置、爐內高溫管屏的定制校核等方面進行優化。

根據等效焓降法[8]，可以計算得出加熱器端差每升高10℃對機組熱耗率影響值。結果如表4所示。

根據表4結果，可以得出降低加熱器端差，尤其是上端差對機組運行優化有所幫助。造成端差大的原因主要可能有加熱器水位變化、抽汽管道壓降變化、通過加熱器的凝結水或給水流量變化、加熱器導向板泄漏、加熱器內存在不凝結氣體、加熱器管子積垢等。對于以上原因，可以采取優化加熱器水位、優化加熱器排氣、消除導向板泄漏、清洗加熱器管束等方法改善加熱器端差。

表4 加熱器端差每升高10℃對機組熱耗率影響值（單位：kJ/kWh）

電廠疏水系統是電廠能夠安全運行的必不可少的保護系統，疏水系統的內漏不僅浪費高溫高壓工質，而且增加了凝汽器的熱負荷，不利于機組經濟運行。所以針對疏水系統優化，基本原則是簡化系統，優化疏水管道布置，合理合并減少閥門。

3 結語

本文在“雙碳”目標背景下，在研究火電機組目前流行的改造技術的基礎上，結合對機組能耗診斷方面的研究，提出了火電機組整體優化的綜合節能改造技術，并從汽輪機本體、冷端系統、熱力系統等存在的問題出發，提出了相應的改造優化措施和方法，對未來的節能綜合改造提供一定的指導和幫助。