火力發電廠熱力系統節能優化措施

李 騫

國電投南陽熱力有限責任公司，河南 南陽 473000

0 引言

火力發電廠的運行，除了要為人們提供可靠的電力能源，還需要在整個火力發電廠運行的過程中全面貫徹落實節能環保要求，因此，對于熱力系統的應用，需要科學合理運用現代化技術，以達到節約能源的目的[1]。對熱力系統進行節能優化，提高能源利用率，可以在降低能量損耗的同時，減少資源的浪費現象。通常情況下，火力發電廠運行過程中所需消耗的能源包括煤炭、天然氣、石油等，這些能源作為不可再生的自然資源，隨著使用量的逐漸增加，留存量將會越來越少，而且大量能源的應用還會造成環境污染問題。因此，在火力發電廠運行過程中，節約能源不僅能夠減少用于資源采購方面的資金投入，還能夠減少對自然資源的破壞，達到提升火力發電廠經濟效益的目的[2-3]。同時，相關節能技術的使用，能夠減少污染物的排放，盡可能降低環境污染問題。

1 火力發電廠熱力系統節能技術應用的必要性

相關資料表明，目前我國用于發電上的能源消耗每年高達1.2×108tce，將其換算成人民幣，即每年直接經濟損失720億人民幣，由此可見，全面貫徹落實節能理念，在很大程度上能夠提升經濟效益。目前，火力發電廠的平均輸電線損耗、供電煤耗以及裝機耗水率分別高出世界先進水平2%、2%和40%。從我國火力發電廠的運行現狀可知，相比于世界先進水平，我國的能耗指標還存在著較大的差距，因能源浪費嚴重，進而加劇了經濟損失[4]。

經分析，造成上述問題的主要原因如下：（1）能源沒有被充分利用。發電能源利用率普遍較低。電力資源的獲取主要是借助煤炭等自然資源轉化而來，在此基礎上，再將電力資源傳到不同的家庭以及不同區域中，在傳輸過程中會嚴重損耗能源。（2）難以均衡配置電力。電力企業在進行火力發電時，使用的煤炭量遠遠超出了國際標準的每千瓦供電用煤量，因此，嚴重影響了火力發電廠的資源配置，不利于企業的長遠發展。（3）相關參數與設備運行難以正常匹配。汽輪機在正常運行的前提下，如果未能科學合理調整設備參數，會造成火力發電廠負荷參數無法滿足實際運行需求的現象，進而降低主汽壓力，導致大量能源被浪費。

2 熱力系統節能優化理論

隨著火力發電廠節能技術的發展，計算機技術和信息技術在火力發電廠的運行和管理中發揮的作用越來越大。熱力系統節能分析方法與計算機技術的結合已經成為熱力系統節能分析方法發展的重要方向[5-6]。

2.1 熱力系統的分割和離散化

為了便于對熱力系統進行描述，以便使用計算機處理，將熱力系統劃分為多個部分，確保每個部分與編號一一對應。若熱力系統有n級非調節抽汽，則熱力系統主循環各位置可用n+5個編號來描述，如圖1所示。

圖1 熱力系統的分割和離散化描述

各加熱器編號依次為0～n，凝汽器為n+1，中低壓缸為n+2，再熱器為n+3，高壓缸為n+4。由此，輔助循環進出主熱力系統的位置可用數字來描述。若再熱器冷段的抽汽為第m級，則稱再熱器安裝在m級。若給水泵焓升排擠的抽汽為第p級，則稱給水泵安裝在p級。

2.2 熱力系統的類層次

為了便于用計算機進行熱力系統節能分析，實現電廠熱力系統節能分析的自動化，采用面向對象技術構造熱力系統分析軟件。用類描述電廠熱力系統具有普遍性的特征，用類對象的數據來描述不同機組在細節上的特點。采用面向對象技術構造的軟件，可以提高軟件的使用效率，并使軟件易于維護和升級。所構造的熱力系統的類層次如圖2所示。

圖2 熱力系統的類層次

3 熱力系統節能硬件和軟件優化設計

3.1 硬件優化設計

從硬件層面對熱力火力發電廠的熱力系統進行優化，在硬件控制板結構下，完成一次控制復位時的驅動電路會形成一個工作停頓，因此，采用電源模塊的輸出端，設計一個功率驅動電路，轉化熱動系統形成的動能。所設計的驅動電路如圖3所示。

圖3 驅動電路

在驅動電路下，控制接口7負責COMM1接口的斷開與連接，當接口7處于高電平時，將R65管導通，此時接口COMM1接通電源。二極管與電容降低線路上的電壓值，此時驅動電路上的引腳2與引腳3間的電壓差值約為3 V，電壓差值控制噴射閥關斷，驅動電路中的電流不產生回流。在驅動電結構下，接口9連接一個能耗采集電路，采集電路主支路上放置一個R2電阻，負責阻斷過大的電流值。在電阻主干路上劃分為兩個支路，支路1負責接收熱動系統的輸入信號，并將其處理為0～5 V的電壓信號，傳輸至硬件控制板中。支路2負責傳輸熱動系統消耗的開關信號，硬件控制板監測熱動系統內部消耗的油量大小，并通過調理電路產生3 V的開關響應，以電壓突變的形式傳輸至控制芯片中。綜合上述設計處理，最終完成對火力發電廠熱動系統硬件的設計。

3.2 軟件優化設計

從控制熱動系統燃燒過程入手，以熱動系統一次燃燒過程為試驗過程，使用一個含有修正系數的方程表示熱動系統的燃燒速度，在該燃燒速度的控制下，熱動系統內部燃燒過程可表示為

式中：e為常數；x為熱動系統的燃燒百分比；φ為瞬時曲軸轉角；φ1為燃燒起始角。

為了減少熱動系統的運行消耗，控制熱動系統氣門開啟的時間斷面為0.5 m，采用符合熱動系統內部配件轉速最低需求的加速度大小，在加速度升程表的控制下，設定凸輪的型線。以凸輪線性與水平面的夾角為氣門的開閉角度，引入一個氣門升程函數，控制氣門的開閉角度，函數可表示為

式中：c0、cp為待定系數；x為冪指數。

在兩種待定系數的控制下，設定熱動系統凸輪的工作階段，當待定系數c0和cp均大于零時，熱動系統凸輪轉角處于半包角的狀態；當c0和cp均小于零時，熱動系統凸輪轉角處于全包角的狀態。在兩種凸輪包角狀態的控制下，配合不同的開閉角度，控制熱動系統內部燃燒過程。

4 火力發電廠熱動系統節能技術優化措施

4.1 化學補充水系統的應用

火力發電廠熱動系統節能作用的發揮，需要借助先進的系統，如應用抽凝汽式機組，其主要原理是在熱力系統中注入化學補充水，即借助抽凝汽式機組將補充水注入除氧器；借助抽凝汽式機組將補充水注入凝汽器中。通過將化學補充水成功注入凝汽器中，能夠充分發揮化學補充水的除氧作用。然而，化學補充水的注入，還有可能面臨汽輪機的排氣溫度大于化學補充水的實際溫度的問題，此時，需要在凝汽器的喉部合理安裝配套裝置，通過發揮排汽廢熱作用，達到降低能耗的目的。同時，當補充水經過低壓加熱器時，借助低位能抽氣方法可以逐步實現對人力系統的加熱操作，即可降低高位能蒸汽量，提高熱力裝置的經濟效益。火力發電廠化學補充水系統具有降低機組標準煤炭能源消耗量的作用[7-8]。

4.2 供熱蒸汽過熱度的利用

火力發電廠日常電力生產會伴隨大量的供氣量出現，而且通常情況下，供氣量的熱度較高，普遍超過100 ℃。為了降低火力發電廠日常電力生產過程中的熱量，需要運用噴水降溫方法，將過熱蒸汽降成微過熱蒸汽，以供廣大熱用戶使用。但是，噴水降溫方法的使用，會將高品位的熱能轉化成為低品位的能量，將可能產生熱能源損耗問題。供熱蒸汽過熱度發揮作用的關鍵是借助汽水換熱器，將供熱蒸汽的熱度熱量持續加入熱力循環系統中，在此過程中，會通過排擠加熱器進行抽汽作業，確保其繼續在汽輪機中運作，從而最大限度地實現對過度熱量的轉換以及合理利用。

4.3 回收利用鍋爐排煙余熱

火力發電的工作原理是通過煤炭資源燃燒產生熱能，再將熱能轉化為電能，因此，火力發電廠的生產作業主要是通過火力實現的。火力發電廠的設備在運轉時，由于技術的限制使得煤炭無法充分燃燒而產生大量的煙，導致排煙系統的溫度持續升高，在這種情況下，排煙系統的平均溫度將達到150～160 ℃，而我國對排煙熱量的利用率普遍不高，導致無法合理利用鍋爐排煙熱量，造成相應的損失。基于這種情況，火力發電廠需要合理地對鍋爐排煙余熱進行有效利用，從而降低鍋爐排煙熱量的損失，達到熱力系統能源合理利用的目的。例如，在火力發電廠進行發電作業時，工作人員可以通過技術手段將鍋爐排煙的熱量與熱力系統進行有效結合，讓鍋爐排煙產生的熱量經過熱力系統有效轉化為電能，從而有效利用鍋爐的排煙余熱，降低資源的損耗。

低壓省煤器的工作原理是通過壓力將水凝結，在凝結完成后將其導入低壓省煤器，以吸收排煙系統在作業時產生的大量熱量。當前我國主要采用串聯的方式將低壓省煤器與熱力系統進行連接，鍋爐運行時，在溫度上升以后通過低壓系統將凝結水注入系統，使排煙系統的溫度降低，該方法的優點在于能夠將流經低壓加熱器的水量保持在最大值。為了使低壓省煤器處于最佳的工作狀態，工作人員需要及時檢查低壓省煤器與熱力系統的連接是否正常，從而使其發揮最大的作用，起到節約資源的目的。

火力發電廠的熱力系統能否與低壓省煤器在最佳的連接情況下運行主要取決于以下三個方面：（1）需確保低壓省煤器的干凈清潔，避免出現雜物沉積和部件腐蝕情況的情況；（2）保證鍋爐排煙系統的冷卻裝置正常運行；（3）保證熱力裝置能夠在發電作業中發揮最大工作效率，為發電企業創造更高的經濟效益，利用低壓省煤器裝置對火力發電廠產生的余熱能量進行有效轉換，盡可能降低鍋爐排煙裝置的溫度。

4.4 回收利用除氧器排汽及鍋爐排污水余熱

由于火力發電廠在進行發電作業時會使用除氧器設備，而除氧器設備在運行時會產生大量的蒸汽，如果不予以合理利用，將導致一部分熱量的損失。除氧器設備在工作時所產生的蒸汽存在溫度高、壓力大的特點，火力發電廠如果能夠將其合理利用，就能降低火力發電企業的能源損耗，提高生產效率。在這種情況下，在火力發電的除氧器設備上增加一個余熱冷卻設備，通過化學補充水對除氧器上產生的熱量進行吸收利用，可以達到節能減排的目的。

5 結束語

為了在火力發電過程中，以盡可能少的能源消耗獲取最大的電能資源，并且實現保護環境的要求，必須有效落實火力發電廠熱力系統的節能優化工作。

（1）根據市場實際需求，科學調整火力發電廠的調度模式，將節能環保理念融入發電作業的各個環節。

（2）火力發電作業的實施，必須嚴格按照技術要求運用鍋爐排污系統節能技術，對污染物進行回收、處理、再利用的循環處理，在此過程中需要用到連續排污擴容裝備。

（3）為了充分利用蒸汽熱量，需要根據實際情況全面落實蒸汽節能系統的改造工作，嚴格遵循節能減排理念，對火力發電廠的蒸汽進行降溫處理。