火電廠中熱能與動力工程優化改進分析

中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司 李善斌

1 引言

目前，火電廠中的熱能與動力工程優化改進方向主要分為利用再熱現象、減少濕氣損失、調配實際工況、減少調壓損失等。火電廠的發電裝置是能源消耗量較大區域，各火電廠在供給城市所需電力時，應不斷對現有的動力技術進行優化研究，以減少能源消耗為目標進行技術設計，貫徹落實國家可持續發展的基本原則。

2 火電廠動力工程現狀分析

2.1 再熱現象

對火電廠動力工程原理進行分析，動力裝置主要通過煤炭燃燒產生的熱能轉化為機械能，供給發電機所需的電力，將機械能轉化為人類賴以生存的電能。在動力工程運轉過程中，部分能源在轉化過程中會逐漸被消耗掉。考慮到運行過程中焓值始終處于比較低的狀態，需要大量的煤炭資源作為動力供給。

目前，火電廠動力工程運行過程中普遍存在重熱現象，也被稱之為再熱現象。再熱現象產生的主要原因是動力工程在運行過程中，需要經過多個環節進行能源轉化，如果在兩個動力運行環節中，壓力幾乎保持一致，但前焓值參數比較后焓值參數而言，其數值比較小，可能會發生再熱問題[1]。再熱問題的產生是火電廠需要重點考慮的問題，其會增加火電廠動力工程運行的風險，并降低能源使用效率。具體而言，再熱問題的危害主要表現在以下幾個方面。

一是再熱問題的產生會增加動力系統運行線路故障概率。火電廠通過電能設備的利用實現對能源的利用與保存，但由于電能的儲存會產生一定量的損耗，導致利用效率有所降低。此時，如果發生比較嚴重的再熱問題，電能的穩定性會逐漸喪失，使得原本的電力系統受到影響。二是火電廠對煤炭等資源進行燃燒處理使其產生熱能過程中，需要將資源的熱能進行搜集以及轉化，該過程中煤炭等資源的燃燒效率對動力供給會產生一定程度的影響。在動力工程運行過程中，經常性出現煤炭資源燃燒不充分問題，使得資源的利用率降低，電能的轉化率也比較低，動力工程為了供給日常生活所需的電能，會采用負荷負載的方式，使得機械設備產生一定程度的損壞。三是火電廠動力工程運行導致氣壓數值發生變化，在發電過程中，再熱問題的產生會使得系統內部氣壓的穩定性有所喪失，如不對其進行控制，則會在發電過程中出現電能穩定性降低、電能損失嚴重問題，使得發電效果無法滿足實際要求。

2.2 濕氣損失

濕氣損失也是火電廠系統運行中較為常見的問題，蒸汽機設備在運行過程中會同時產生熱量和蒸汽，在空間內會產生相應的膨脹反應，并在與空氣接觸后出現冷凝反應，使得動力工程產生的熱量無法有效使用，產生一定程度的熱量損失。如因濕氣的產生導致能量受損、效益降低，同時會影響到內部蒸汽的質量，使得系統的能源利用效率有所降低。

濕氣損失現象的問題主要是系統運行過程中，檔口的蒸發器會受能量的影響導致其出現能源運動現象，如果蒸汽的運動比系統內水滴的運動量大時，兩者會附著在一起，使得系統運行的負擔有所增加，導致部分產生的能量被水滴吞噬。該問題產生不僅僅會導致系統的運行效率有所降低，能源消耗量增加，也會影響到動力系統運行過程中的氣壓管道質量。

2.3 節流調節

關于火電廠節流問題的研究和分析是指火電廠在運行過程中，如果遇到異常能量轉化問題，則采用節流調節可以維系整個動力工程系統運行的穩定性，實現能源的負載平衡。節流問題是指火電廠的熱能轉化過程中，如果設備出現異常狀態，會導致能量的損耗效率有所增加，使得火電廠的經濟效益、能源效益降低。

針對火電廠動力工程中容量較小的設備，可以實現對機械運行的調節，使得機械整體運行狀態比較良好。如若在動力系統運行過程中，進行節流調節，會導致機械負荷數值發生改變，軸承會因此而受到影響，運行速度也會有所降低，使得實際功率與額定功率達不到應有的標準，使得系統質量有所降低。因此，節流調節對于動力系統的作用有利有弊，需要進一步對其進行改進優化，規避問題。

3 火電廠動力工程優化改進措施

火電廠在對熱能以及動力工程進行改進優化過程中，需要制定科學合理的方案，結合火電廠的實際能源消耗情況，對其進行改造，通過熱系數的計算，找到對應的方法進行改進，可以提高火電廠熱能動力系統的運行效率，具體措施如下。

3.1 蒸汽參數優化

目前，針對動力機組中因復雜的汽輪機組運行而導致的熱能損失問題，可以將損失的熱量進行重新應用，將其應用到下一層次之中，可以利用殘余能量繼續供給動力系統所需的能量。在機械運行的過程中對誤差選值進行計算以及把握，并對動力系統運行過程中的誤差值進行疏導，減少對機械產生的影響是比較有效的方法。然而，在實際動力系統操作過程中，能量損失是物理學中必要的結果，是機械運行的客觀規律，其在系統之中的影響關系并未絕對性，減少能量消耗是比較常見的手段，但該問題目前仍無法完全規避[2]。

例如，某火力發電廠采用提高蒸汽初參數的方式提高系統運行的熱效率，降低再熱現象的能量損失。汽輪機發電機組的熱耗率大致在800kJ/kWh，根據蒸汽朗肯循環參數的分析，對影響熱效率的因素進行判斷。冷源、熱源的溫度差是影響熱效率的主要問題，通過提高蒸汽參數、降低排汽溫度的手段，可以提高系統的熱效率參數，排汽溫度的計算公式如下：

公式中的△t表示冷卻水溫升高系數，H表示最終的排汽溫度，θt是設備系統的傳熱端差，t1則表示系統運行時的進水溫度。

目前，汽輪機蒸汽的初參數為565℃，汽溫的提升需要投入大量的成本，而采用提高進汽壓力，降低蒸汽終參數的改進方式，可以提高效率的同時，減少能源消耗，該措施與之匹配的方法是再熱循環系統。蒸汽初壓對朗肯循環熱效率會產生一定程度影響，出口干度在0.85左右，循環效率提升，具體循環熱效率如圖1所示。

圖1 蒸汽初溫對循環熱效率影響圖

圖1中，t1表示進水溫度，P1表示初壓、P2表示終壓，S表示時間，T表示循環效率。由圖1可知，設備處于極限壓力狀態下，通過提高蒸汽初壓的方式，可以有效提高動力系統的循環效率，再熱系數得以有效利用。如保持終壓、初壓恒定，則通過提高初溫度，可以提高系統的循環效率。

除采取提高初壓參數的方式進行優化，也可以采用降低終參數的方式提高系統的運行效率。通過對公式（1）的分析，結合圖1中的變化規律，排氣溫度應高于冷卻水的進水問題，采用降低排氣壓力的方式提高循環效率，但會受冷卻水進水問題的影響。在循環熱系數利用系統應用過程中，出水與進水的合理溫升應控制在10℃，傳熱端差為8℃。

3.2 減少濕氣損失改進措施

減少濕氣損失是保障動力系統供給電量穩定的關鍵，空氣溫差會導致蒸汽凝結，使得設備受損，降低濕氣損失可以提高動力系統的熱效率。采用蒸汽循環的方式，必然會產生濕氣損失，通過系統的優化設計，主要作用是減少濕氣損失，降低能源消耗。中間再熱循環系統對于降低濕氣損失而言有著積極的作用，相關人員可以通過引入中間再熱循環系統的方式，實現對濕氣損失的科學控制。

通常情況下，高壓缸內已經經過膨脹的溫度，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進行繼續加熱、膨脹，可以起到降低排汽濕度的作用。由于進汽過程中溫度會受到動力系統材料的影響，金屬材料會對進汽壓力產生一定的限制，但通過控制進汽溫度的方式，并使用中間再熱系統，可以有效提高系統的熱效率5%以上甚至更高，中間加熱的方式可以進一步優化其效率，可以再次提高2%甚至更高，中間再熱系統的改進優化使用比較復雜。具體結構如圖2所示。

圖2 中間再循環系統運行結構圖

根據圖2結構建立中間再循環系統，對濕度的影響因素進行細致分析。考慮到蒸汽中間再熱循環會對動力系統內效率產生一定程度的影響，對上述結構進行應用，分析其具體的應用效果。蒸汽中間加熱方法的應用，末級的蒸汽濕度有所降低，降低率達到5%以上，說明該系統下的濕氣損失率有所降低。對該表象下的動力系統的運行效率進行分析，中間再熱使得內效率得以提升。

因此，在對動力工程進行改進優化的過程中，采用上述方法進行效率提升的同時，也要對蒸汽中間的再熱參數進行優化調整，以熱效率提升為目標進行改進。再熱后蒸汽功率下的焓值降低后增加，如果時刻保持功率不變，給水量和能耗量也會一定程度減少。但如果抽氣機存在過熱反應，則抽汽量仍然會受到影響。即使使用再熱循環系統，采用削弱回熱以及加熱的方式進行改進優化，其經濟效果也會有所增加。

3.3 提高節流功能改進措施

火電廠節流調節以科學化的調節方式減少節流損耗，計算各級焓值、差值等，對流量進行實時監控，并對汽輪機設備的實際作業狀態進行明確，以改善設備的實際需要。為減少動力系統超負荷的情況出現，通過節流調壓的方式確保其運行的穩定性，并使用貢獻有的技術進行改善。

以某火電廠為例，其在動力系統運行中應用聯合動力裝置，實現對循環質量的優化，將高溫循環排汽作為低溫循環的熱源，同時使用燃氣、蒸汽形式進行聯合裝置的構建，以實現動力系統的科學優化。使用聯動動力裝置，熱力參數、單機容量均得到保障，動力系統運行的熱效率可以得到保障，排汽溫度在500℃，每秒的排氣量達到300kg以上，將排氣能量作為給水裝置，有效提高了系統的供電效率，減少了能源的消耗量。使用聯合動力裝置，動力系統的節流功能得以優化，且在單機容量較高的情況下極少出現負荷負載的情況，減少了節流調節對設備的損壞。

使用熱電聯供循環系統進行自動節流調節也是當下比較流行且有效的方法。熱電聯循環系統的應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熱的效率，其熱效率從原本的35%左右，理論上最高功率運行下熱效率可以提升至90%左右。熱電聯循環系統比較單純火力系統給發電而言能耗更低，節能收益更高。因此，火電廠在對系統進行優化改造的過程中，通過熱力循環系統的引入以及應用，可以提高再熱現象產生時的能源利用效率，通過熱電聯產以及聯合循環的方式，實現對動力系統的節流調節，使用新型的動力循環形式，達到降低能源消耗，提高能源利用效率的兩大目標，進而提高火電廠的經濟效益。

綜上所述，火電廠目前正從傳統動力能源消耗上進行改進優化，以提高性能、減少能耗為目標的動力工程優化，解決目前火電廠存在的熱能轉化率供給較低問題。火電廠的動力工程優化主要基于現有的動力設備進行，通過設備管理、設備調節、結構優化、節流調節等手段，實現對動力工程能源消耗方面以及運行效率方面的改進優化。火電廠中的熱能與工程優化仍處于研究階段，隨著能源技術、工業技術的不斷發展，其效率、節能效果將會越來越好。