基于熱效率優(yōu)化的火電廠節(jié)能技術(shù)與減碳措施的綜合應(yīng)用研究

尹政偉

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

煤和煤電是我國的能源安全基礎(chǔ)。目前，雖然國際的發(fā)展形勢變化多端，煤依然是我國的能源基礎(chǔ)，其地位和用處將長期保持不變。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，我國有1/2 以上的電力供應(yīng)來源于煤發(fā)電。但同時，我國的能耗水平要比世界平均水平高出1.5 倍，最高值達(dá)到347.6 t 標(biāo)煤/百萬美元。為了降低我國的能源消耗，需要把能源消耗量控制在50 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，使火電廠機(jī)組煤耗逐漸下降到300 g/（kW·h）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年，機(jī)組平均煤耗量為307 g/（kW·h），甚至有更為落后的機(jī)組能耗量要高于平均值。在新能源出力的沖擊下，機(jī)組將處于長時間低負(fù)荷的運(yùn)行狀況，進(jìn)而提高了煤耗量。

隨著中國能源改革和國家發(fā)電體制改革的推進(jìn)，節(jié)能降耗已成為提升企業(yè)核心競爭力的必經(jīng)之路。如何在全新的歷史背景下不斷優(yōu)化燃煤發(fā)電機(jī)組性能，提高燃煤發(fā)電機(jī)組效率技術(shù)水平，已成為目前中國火電機(jī)組技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

1 分析影響火電廠節(jié)能的因素

1.1 機(jī)組簡介

山西省京玉發(fā)電廠的2 號機(jī)組的汽輪機(jī)型號為NZK330-17.75/540/540，汽輪機(jī)額定功率為330 MW，最大功率為345 MW，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

1.2 影響因素

火電廠機(jī)組運(yùn)行受很多因素的影響，影響電廠煤耗量的主要原因有鍋爐熱效率、汽輪機(jī)熱耗率以及電廠的用電率等[1]。該火電廠不同因素對節(jié)能技術(shù)的影響如表2 所示。本文主要從鍋爐和汽輪機(jī)兩方面的因素進(jìn)行節(jié)能技術(shù)的分析[2]。

表2 不同因素對節(jié)能的影響

1.3 鍋爐熱效率

對于300 MW 燃煤機(jī)組來說，每升高10 ℃排煙溫度，就降低0.5%的鍋爐熱效率，進(jìn)而提高了火電廠煤耗量約為1.5 g/（kW·h）。造成排煙溫度高的因素包含受熱面設(shè)置不恰當(dāng)、工作模式不合理、爐內(nèi)燃燒狀況不良好、制粉體系加入的冷風(fēng)量比較大以及空預(yù)器蓄熱板積有灰塵等。排除煙氣中氧的含量（ “氧的含量” 為 “氧的體積分?jǐn)?shù)” ，下同）每升高1%[3]，鍋爐熱效率就會減少0.2%～0.3%，進(jìn)而增加了電廠機(jī)組供電煤耗量0.6～0.9 g/（kW·h）。含氧量對鍋爐效率的影響表現(xiàn)在鍋爐燃燒狀況，排煙熱量損失、風(fēng)機(jī)消耗的電率和氧量對熱效率的影響主要體現(xiàn)在鍋爐燃燒工況、排煙熱損失、風(fēng)機(jī)耗電率、減暖水、NOx產(chǎn)生量以及減碳等方面。另外，飛灰有害物也可以反應(yīng)出鍋爐的燃燒情況，直接影響鍋爐的熱效率。爐內(nèi)每增加1%的飛灰有害物，鍋爐熱效率就降低0.1%～0.5%，且直接影響了減碳效果[4]。空預(yù)器透風(fēng)量直接影響機(jī)組電耗量和真空預(yù)熱機(jī)換熱效率。一般來說，透風(fēng)量每下降約1%，則機(jī)組煤耗將降低0.9 g/（kW·h）。另外，灰渣等有害物主要影響灰渣的物理損失，從而直接影響燃煤鍋爐的加熱效率[5]。

1.4 汽輪機(jī)

1.4.1 自身性能

汽輪機(jī)的自身性能與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有很大的差別。一般情況下，汽輪機(jī)在正常運(yùn)行的狀態(tài)下，自身的熱耗率要比保證值高出150 kJ/（kW·h），電廠機(jī)組的煤耗量會增加5.5 g/（kW·h）左右。

1.4.2 冷端系統(tǒng)

冷端系統(tǒng)主要是將汽輪機(jī)排氣孔排出的氣體冷凝成水。同時，在排氣口處建立并保持一定的真空度。汽輪機(jī)的冷端系統(tǒng)由凝汽器、水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔、凝水系統(tǒng)、凝結(jié)水泵、抽空氣體系和真空泵等組成。以上能夠直接對機(jī)組產(chǎn)生影響的是凝汽器的壓力、水循環(huán)的量以及水泵所消耗的功率。凝水體系的作用是將凝汽器中的水快速抽走，并運(yùn)送到除氧器中。若不及時將水抽走，凝汽器中的水位升高，將增加凝水冷度，最終導(dǎo)致凝結(jié)水的氧含量上升。

2 火電廠機(jī)組節(jié)能技術(shù)與減碳措施

本文主要從2 號機(jī)組的汽輪機(jī)組和鍋爐兩方面進(jìn)行改造，以此來驗(yàn)證火電廠的節(jié)能技術(shù)與減碳措施。

2.1 鍋爐側(cè)節(jié)能措施

鍋爐節(jié)能技術(shù)措施是通過改造制粉體系、燃燒優(yōu)化和受熱面等方面進(jìn)行優(yōu)化的。詳細(xì)的節(jié)能措施流程圖如圖1 所示。

圖1 鍋爐節(jié)能措施

2.1.1 制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)主要是通過處理漏風(fēng)及降低冷風(fēng)的加入量進(jìn)行優(yōu)化。漏風(fēng)是通過磨煤機(jī)風(fēng)門、擋板和縮氣器等位置進(jìn)行漏風(fēng)的。通過對漏風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠使機(jī)組的排煙溫度下降2～3 ℃。為了降低該系統(tǒng)冷風(fēng)的加入量，優(yōu)化磨煤機(jī)的運(yùn)行方式，使磨煤機(jī)能夠在最大出力的狀態(tài)下進(jìn)行工作，然后通過負(fù)荷的變化及時啟、停磨煤機(jī)。

提高磨煤機(jī)出口溫度，對減少冷風(fēng)的摻入量具有重要作用。磨煤機(jī)出口氣溫上升后，入口氣體的混合溫度也隨之提高，因此，磨煤機(jī)使用進(jìn)口冷風(fēng)摻入的功能也就減少了，并利用氣流預(yù)熱機(jī)提高了風(fēng)力，降低排煙溫度，提升鍋爐經(jīng)濟(jì)效益性。通過理論研究并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，磨煤設(shè)備出口氣溫提高5 ℃，可減少5%～10%的冷風(fēng)加入量，排煙溫度降低3～5 ℃。但出口氣溫太高，則可能存在磨煤機(jī)的自行燃燒和自爆等重大安全隱患。調(diào)整一次平均溫度、減少一次吹風(fēng)量，都可以減少冷風(fēng)摻入量。通過利用制粉系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)試驗(yàn)方式，對一次風(fēng)量和風(fēng)煤比曲線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，能夠提高儀器的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2.1.2 燃燒優(yōu)化

鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中所使用煤的種類與設(shè)計(jì)煤的種類有很大的差別，進(jìn)而影響燃燒。通過對鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化，來確定合適的風(fēng)量、風(fēng)配比以及所給煤的顆粒大小，有利于電廠提高運(yùn)行效率。

2.1.3 受熱面改造

機(jī)組的受熱面上積有灰塵，將會降低受熱面的導(dǎo)熱程度，提高排煙溫度。空氣預(yù)熱器上積有灰塵，會減少導(dǎo)熱面積，進(jìn)而降低煙氣排熱量，造成排煙溫度提高。火電廠在實(shí)際運(yùn)行時都有排煙溫度較高的現(xiàn)象，一般情況下，是通過處理受熱面或者省煤器來進(jìn)行優(yōu)化的。

2.2 汽輪機(jī)輔機(jī)優(yōu)化

提升汽輪機(jī)組冷端系統(tǒng)功能投資少、見效快，火電廠就能達(dá)到節(jié)能降耗及減碳、提升熱經(jīng)濟(jì)的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。同時，還要對泵體系（如給水泵、凝水泵和循環(huán)水泵）的功能進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組

汽輪機(jī)發(fā)電功率：

式中：Pe為發(fā)電功率，kW；D0為新蒸汽流量，kg/h；ΔHt為理想比焓降，kJ/kg；ηri、ηm和ηg分別為機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率和內(nèi)效率。

循環(huán)水供熱負(fù)荷：

式中：Qc為機(jī)組循環(huán)水供熱負(fù)荷，MW；Dc為機(jī)組排汽量，kg/h；hc、hn分別為機(jī)組汽輪機(jī)排汽比焓、凝結(jié)水比焓，kJ/kg。

火電廠的燃料利用率：

式中：W為總發(fā)電量，（kW·h）/h；Qh為供熱量，kJ/h；Btp為煤耗量，kg/h；Qnet為標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

3 結(jié)果分析

機(jī)組投運(yùn)后各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，汽輪機(jī)改造后的技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 2 號機(jī)組汽輪機(jī)改造后的技術(shù)參數(shù)

由表3 可知，汽輪機(jī)組主要從優(yōu)化運(yùn)行能力、檢修維護(hù)等方面進(jìn)行節(jié)能改造。通過對空氣溫度進(jìn)行優(yōu)化控制和內(nèi)漏熱處理、對真空預(yù)器清灰處理以及對熱一次風(fēng)進(jìn)行加熱技術(shù)改造，節(jié)能降耗成效顯著。對汽輪機(jī)組進(jìn)行大修和汽封技改后，可減少2 g/（kW·h）的煤耗，增加直接經(jīng)濟(jì)效益為4 939.84 元。采用送風(fēng)機(jī)雙速改造，可節(jié)省廠用電量的0.04%。引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)聯(lián)合，可節(jié)省廠用電量的0.08%。

4 結(jié)論

通過對鍋爐及汽輪機(jī)進(jìn)行改造，火電廠的煤耗量下降2 g/（kW·h），電廠的用電量可節(jié)約0.12%。發(fā)電設(shè)備排出的熱量大幅度降低，從而避免對該區(qū)域內(nèi)的動植物造成生存危機(jī)，展現(xiàn)出積極的環(huán)境保護(hù)態(tài)度。此外，此項(xiàng)舉措也帶來了明顯的環(huán)保效果。經(jīng)過改造后，電力生產(chǎn)所需燃料煤炭的使用率有所降低，粉塵、SO2、NOx和CO2等有害物質(zhì)的排放量急劇縮減。根據(jù)年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2.4 萬t 的估計(jì)值計(jì)算，預(yù)計(jì)可以削減粉塵排污量達(dá)259.44 萬t，減少SO2排放量115.72 t、NOx排放量119.43 t 以及CO2排放量7.88 萬t，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。