影響熱電廠熱效率的因素及提高方法

大慶油田電力集團宏偉熱電廠 王明柱

熱電廠的總熱效率反映了在電熱生產過程中，所燃燒的總的燃料的能量與所產生的對外供電供熱的總能量的比例關系。一般火力發電廠的總熱效率在30%～40%左右[1]，而熱電廠的熱效率可達50%以上，所以國家大力提倡熱電聯產，來有效提高能源的利用率。

眾所周知，火電廠有許多設備和系統，如鍋爐及其燃燒系統，汽輪發電機及其回熱系統，凝汽器及供水系統，各種輔機及管道閥門等。其中60%～70%的能量都在這些系統中損失了,能量損失最大的地方就是汽輪機凝汽器中的冷卻水帶走的熱量—冷源損失。所以分析這些設備和系統對熱效率的影響很有必要，然后進行科學合理的技術改進，來提高全廠熱效率，達到節能降耗的目的。

1 熱電廠的總熱效率

熱電廠的總熱效率，或稱熱電廠的燃料利用系數反映了熱電廠能量輸出和輸入的比例關系，是評價火力發電廠經濟性好壞的綜合指標。

式中ηtp——熱電廠總熱效率，%；W——熱電廠年對外供電量，kWh／a；Qn——熱電廠年對外供熱量，t/a；ⅰn——熱電廠對外供熱工質焓，kj/kg；Br——熱電廠年耗燃料量，kg／a；Qr——燃料應用基低位發熱量，kJ/kg。

由于ηtp沒考慮兩種能量產品質的差別，用熱量單位按等價能量相加，所以它表示熱電廠所消耗燃料的有效利用程度[1～2]。從公式中可以看出，在所消耗燃料能量一定的情況下，對外供電、供熱的總能量越多，全廠熱效率越高。顯然，內部消耗能量越少、損失越少，對外供熱、供電能量就越多。

2 影響全廠熱效率的主要因素分析

從上面的全廠熱效率公式中可以看出，要想使熱效率提高，就要千方百計地減少內部能量的消耗和各種損失，因此，主要從下面幾方面分析。

2.1 汽輪機方面

汽輪機方面影響熱效率的主要因素有汽輪機的冷源損失、回熱系統投入率和凝汽器真空度等。

2.1.1 汽輪機的冷源損失

冷源損失是由于汽輪機排汽在凝汽器中向冷卻水凝結放熱而引起的，它是熱力學第二定律所決定的、是凝汽機組不可避免的一項能量損失[3～4]，也是影響熱效率最大的一項。

對于純凝汽式機組，其排汽熱量成為冷源損失，雖然機組發電量很大，但無對外供熱，冷源損失很大，熱效率較低；對背壓式汽輪機，其排汽熱量全部被利用，無冷源損失，其熱效率最高。

對抽汽凝汽式機組，因抽汽量是可調節的，可隨外界熱負荷的變化而變化，當抽汽量達到額定值時，排入凝汽器的蒸汽量較小，此時機組熱效率較高；當外界無熱負荷時，相當于純凝汽機組，此時機組熱效率甚至比同容量的凝汽機組還差[2]。

2.1.2 回熱系統投入率

回熱循環是利用汽輪機發過部分電后的抽汽來加熱給水和凝結水，回熱循環不但減少了汽輪機的排汽量，使冷源損失減小，而且利用抽汽對給水加熱的換熱溫差要比在鍋爐中利用煙氣加熱時的溫差小得多，因而減小了給水加熱過程的不可逆損失，提高了電廠的熱經濟性[5]。

2.1.3 凝汽器真空度

凝汽器是將汽輪機的排汽冷卻凝結成水，形成高度真空，使進入汽輪機蒸汽能膨脹到低于大氣壓力而多做功[3]。冷源損失與凝汽器真空度成反比，與排汽溫度成正比。凝汽器真空度越高，汽輪機排汽壓力越低，排汽溫度也越低，蒸汽在汽機內部有效焓降越大，冷源損失就越小。

2.2 鍋爐方面

鍋爐方面影響熱效率的因素主要有鍋爐的負荷、燃燒熱損失和排煙熱損失等。

2.2.1 鍋爐的經濟負荷

鍋爐的經濟負荷一般在鍋爐額定負荷的80%～90%范圍內[6]，如圖2鍋爐負荷與鍋爐效率關系曲線圖：

圖2 鍋爐負荷和鍋爐效率關系曲線圖

從鍋爐負荷和鍋爐效率關系曲線圖可以看出，在80%～90%的鍋爐負荷范圍內，鍋爐效率最高，這一負荷稱作經濟負荷。在經濟負荷以下時，負荷增加，效率也增高；超過經濟負荷，效率則隨負荷的增加而下降。

2.2.2 燃燒熱損失

燃燒損失和排煙損失是影響鍋爐效率的最大因素。

燃燒損失存在于飛灰可燃物和爐渣可燃物之中，通常飛灰可燃物每增加1%，影響鍋爐效率約0.4%，影響的程度還與煤質有關，煤的灰分每增加5%，對鍋爐效率影響增加約0.3%、熱值每降低1MJ/kg，對鍋爐效率影響增加約0.07%[6～7]。

2.2.3 排煙熱損失

排煙損失存在于排煙溫度和排煙過量空氣系數之中。排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%[3]，影響鍋爐效率0.5～0.6%；排煙過量空氣系數每增加0.1，對鍋爐效率的影響要增加約0.03～0.04%[6～7]。

2.3 輔機方面

2.3.1 泵、風機等用電設備的耗電率

全廠有大小電動機七百多臺，耗電量相當大，尤其是大功率用電設備，如給水泵、熱網循環水泵、鍋爐吸、送風機等。該廠有11臺功率為1600KW的給水泵、11臺710KW和6臺2000KW的熱網循環水泵，耗電量的多少直接影響到廠用電率，從而影響全廠的熱效率。

2.4 其他方面

2.4.1 各種工質的漏泄

工質漏泄會引起全廠熱效率降低。尤其是高溫高壓汽水管道上的疏水門的內、外漏。由于高溫高壓工質能級較高，一旦發生少量漏泄便會引起煤耗率上升，使熱效率降低。

2.4.2 燃料的影響

燃料在火電廠生產過程中約占發電總成本的70%左右。因此，燃料管理是電廠成本管理的關鍵。該廠所燃用的煤種為褐煤，揮發份較高，易自燃。如果管理不好，將造成熱值大量下降，從而影響全廠的總熱效率。

2.5 某熱電廠全廠熱效率歷史數據分析[9]

從某熱電廠生產數據月報表中查取近三年每年的9月份至次年5月份生產期間全廠熱效率繪圖如圖2，可以看出每年的冬季供熱期11月到次年2月全廠的熱效率最高，因為此階段供熱量最大，機組的抽汽量最大，且12月至2月#2機停機保供熱，此時無#2機冷源損失，而且此階段#3機組的真空度也最高，冷源損失最小，所以全廠熱效率最高，可達到70%左右。機組在非供熱期或抽汽量較少時，其冷源損失的能量遠高于發電量，而此時的全廠熱效率只有30%左右。

圖3 某熱電廠全廠熱效率曲線圖

3 提高全廠熱效率的方法

3.1 從降低冷源損失方面考慮

就是想辦法減低或消除冷源損失，以下是某熱電廠采取的和欲采取的方法。

3.1.1 對熱電聯產系統進行優化運行

該熱電廠裝有五臺鍋爐、三臺汽輪機，其中#1汽輪機為50MW背壓機，#2機為50MW抽凝機、#3機為100MW抽凝機，該電廠的主蒸汽系統、高低壓給水系統、供熱系統和工業供汽系統均采用母管制連接。通過優化運行，盡量降低冷源損失和內耗。

對于抽凝機組，其最佳方法是盡可能多抽汽和提高回熱系統的高、低加投入率，減少進入凝汽器的排汽量。進入供熱期根據熱負荷需求及時投入#1背壓機運行，然后再投入抽凝機運行，抽凝機投入后將抽汽帶至最大。

該廠節能小組通過對該廠熱電聯產系統主設備鍋爐、汽輪機及附屬設備等運行特性及不同負荷下的實際運行情況進行對比分析，對影響經濟運行的因素、該廠歷史運行數據進行分析，找出了該熱電聯產系統的最佳經濟運行工況點，并據此對不同熱負荷下最佳的經濟運行方式進行了優化設計，形成作業指導書，用于指導生產運行[5]，該經濟運行方案經過近三年的應用，效果良好。每年冬季大負荷期間全廠的熱效率平均提高了1%左右。年節約原煤兩萬多噸，降耗400多萬元。

3.1.2 保持汽輪機凝汽器最佳真空度，降低排汽溫度

提高凝汽器真空方法有：增加凝汽器循環冷卻水的流量、降低冷卻水溫度，增加真空系統的嚴密性，保持凝汽器冷卻水管內、外管壁的清潔，減小凝汽器換熱面的蒸汽負荷等。

3.1.3 將#2抽凝機改造為背壓機，消除冷源損失

由于連年供熱增容，目前該廠民用、工業用熱在冬季供熱高峰期已超出設計能力，為了保證民用采暖供熱，在每年冬季供熱高峰期#2抽凝機被迫停機不發電，新蒸汽通過減溫減壓器直接供給熱網首站，造成高品質熱能的巨大浪費；夏季由于該機組容量小、煤耗高，純凝運行不經濟，一般不運行。

若將#2機改造成背壓機，消除了其冷源損失，該熱電廠熱電聯產系統的能量分配將更趨合理，全廠綜合熱效率和經濟性將顯著提高。

經過計算，改為背壓機后，將供熱尖峰期由減溫減壓器接帶的部分熱負荷轉由機組接帶，將年新增發電量約5714萬 kwh，消除冷源損失290GJ/h，新增供熱面積134萬m2。每年可節約燃料31825噸，節水230400噸，節電2073600 kwh，年產生經濟效益4909.8萬元，全廠熱效率可提高5%。

3.1.4 利用熱泵技術回收冷源損失

該廠可以該廠#3機凝汽器循環冷卻水作為低溫熱源，利用熱泵技術將其從汽輪機排汽中吸收的熱量提取出來加熱熱網回水[10]，從而變成具有利用價值的高溫熱源，經過論證完全可行，這樣就將機組的冷源損失回收了回來。

經過計算，每年采暖期利用熱泵技術回收循環水全部余熱可回收的熱量達93.5MW，減少冷卻水的消耗量142.5×104 m3，提高全廠熱效率8%。每年可節省2.9萬噸標煤，將年節能降耗2436萬元。

3.2 從鍋爐熱損失方面考慮

應使鍋爐保持在經濟負荷區運行，同時保證進煤煤質和磨煤機出口合理煤粉細度，并采取合理調整一、二次風配比，調整爐膛氧量和負壓等手段來降低爐膛出口可燃物量和降低鍋爐排煙溫度在最低允許排煙溫度附近，從而提高熱效率，達到節能降耗。

3.3 從輔機方面考慮

從輔機方面考慮就是千方百計的減少內部消耗，如降低廠用電率。電動機的耗電量是和其轉速的三次方成正比，即：

因此，采用高壓變頻技術對電廠大功率用電設備的驅動電源進行技術改造,可以降低廠用電率。

該廠目前已在鍋爐引風機、熱網線路水泵、灰渣泵等設備上應用了變頻調速運行技術。尤其是對熱網線路水泵進行了一拖二變頻運行改造，并實現了熱網供回水高溫小流量靈活調節，大大降低了電耗，效果非常明顯。

另一種降低廠用電率的方法是將該廠大功率電機，如熱網線路水泵（2000KW）或給水泵采用透平機驅動，其排汽用于熱網供熱，既可以減少廠用電率，又可以減少冷源損失。

3.4 其它方面

一是加強設備巡檢，及時消缺，減少各種工質的漏泄；二是各爐主蒸汽管路加裝點火管路，回收點爐啟動時的排汽，將其引入減溫減壓站用于供熱；三是加強燃料管理，降低生產成本，把牢入廠煤的質量、數量和存儲關，做好煤的整型壓實工作，合理調整進廠煤量，科學儲煤，縮短存期，減少自燃損失。