火電廠鍋爐運行中節(jié)能對策分析

國家能源集團鄂溫克電廠 楊曉東

作為典型的資源密集型產(chǎn)業(yè)，火力發(fā)電以煤炭資源這一不可再生資源為主要原料。鍋爐運行是火電廠生產(chǎn)過程中的主要環(huán)節(jié)，以節(jié)能的方式來實現(xiàn)對于火電機組運行中鍋爐應(yīng)用效果的優(yōu)化，對于提升鍋爐的實際運行效率，減少資源浪費，加強環(huán)境保護都具有重要的作用。對火電廠鍋爐運行中的節(jié)能對策進行分析，對于探索火電廠在新時期背景下，深入貫徹落實可持續(xù)發(fā)展的理念具有積極的意義。

1 火電廠鍋爐高能耗的影響因素

1.1 燃料問題

燃料問題是導(dǎo)致鍋爐運行產(chǎn)生高能耗的主要原因之一。火電廠以火力發(fā)電的形式為主，工業(yè)鍋爐主要應(yīng)用煤炭來實現(xiàn)燃燒發(fā)電的目的，在鍋爐型號和大小等指標(biāo)一定的前提下，煤炭含量多少，是否存在較多雜質(zhì)會直接影響燃燒效果。結(jié)合當(dāng)前火電廠鍋爐運行的實際情況來看，原煤仍是當(dāng)前火電廠用于燃燒發(fā)電的主要燃料。而由于原煤采購的來源不一，品質(zhì)與燃燒程度等方面的指標(biāo)也會存在明顯的差異，這樣就會導(dǎo)致實際的燃燒效果參差不齊[1]。

且在部分煤炭品質(zhì)較低的情況，較差的燃燒狀態(tài)使得鍋爐在實際燃燒過程中產(chǎn)生的熱輸出量也比較低，在煤炭未能完全燃燒的情況下，才能夠鍋爐中排出的廢渣很容易對環(huán)境造成污染。基于此，在探索國電長鍋爐運行的節(jié)能措施時，需要重點考慮對于鍋爐運行中應(yīng)用燃料的質(zhì)量，以加強燃料管理的方式來提高燃煤在鍋爐運行中的利用率。

1.2 鍋爐運行問題

鍋爐自身的運行問題也是導(dǎo)致鍋爐產(chǎn)生高能耗的主要原因。當(dāng)前能夠應(yīng)用于火電廠的鍋爐仍以工業(yè)鍋爐為主，具有明顯的運行負(fù)荷率較低、運行效率水平不高等問題。這些問題的存在不僅會影響鍋爐的熱能傳輸效率，同時也容易縮短鍋爐運行中相關(guān)設(shè)備的使用壽命[2]。在燃煤質(zhì)量本身參差不齊的情況下，鍋爐自身的運行問題會進一步加劇鍋爐熄火和發(fā)生故障的現(xiàn)象，在產(chǎn)生較高能源消耗問題的同時，也會給火電廠正常的生產(chǎn)作業(yè)埋下安全隱患。

2 火電廠鍋爐應(yīng)用的節(jié)能對策

基于當(dāng)前容易導(dǎo)致火電廠鍋爐高能耗的主要原因，對于燃料方面的問題需要通過完善和加強火電廠相關(guān)管理制度的角度來實現(xiàn)，而對于鍋爐自身的運行問題，要想降低鍋爐運行的能耗，主要可從改造鍋爐運行中涉及各類設(shè)施設(shè)備的角度，對鍋爐運行的整個過程進行優(yōu)化調(diào)整[3]。基于此，本文主要針對鍋爐自身運行問題導(dǎo)致的高能耗情況，從改造設(shè)備的角度來實現(xiàn)對于鍋爐運行的節(jié)能管理和控制要求，具體包括以下幾個方面的內(nèi)容。

2.1 改造磨煤機動態(tài)分離器

磨煤機動態(tài)分離器是火電廠鍋爐運行中涉及到的主要設(shè)備之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，以及環(huán)境保護要求日益提高的背景下，鍋爐運行中應(yīng)用的傳統(tǒng)靜止式離心分離器已經(jīng)難以滿足相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的要求。基于節(jié)能的目標(biāo)，從鍋爐運行中影響煤粉運轉(zhuǎn)的因素入手，以優(yōu)化磨煤機分離器的方式，將原本的靜態(tài)分離器調(diào)整為動態(tài)分離器，讓該設(shè)備能夠更好地實現(xiàn)提高煤粉細(xì)度的目的[4]。

2.1.1 改造后的磨煤機動態(tài)分離器的運行原理

對磨煤機動態(tài)分離器的改造，首先需要明確磨煤機動態(tài)分離器的運行原理。在火電廠鍋爐的運行過程中，動態(tài)分離器主要發(fā)揮分離煤粉的作用，能夠依據(jù)調(diào)整靜止擋板的方式，對不同顆粒大小的煤粉基于重力和速度的作用進行控制。在這一過程中，旋轉(zhuǎn)葉片的傾斜程度也會影響到煤粉細(xì)度[5]。

結(jié)合圖1可發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的靜止式離心分離器結(jié)構(gòu)中，煤粉在氣流的作用下，從磨粉機進入分離器之后，分離器中的葉片會朝著與煤粉氣流流入相反的方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在這一情況下，氣流能夠推動細(xì)煤粉改變旋轉(zhuǎn)運動的軌跡，讓細(xì)煤粉跟隨分離器中葉片的方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)；對于氣流未能推動的粗煤粉，則會在分離器中仍以直線的方式持續(xù)運動，在粗煤粉與葉片碰撞之后會被分離出來。

圖1 動態(tài)分離器的工作原理

對于離心器的改造，則以鍋爐運行的動態(tài)效果為主要原理，通過增設(shè)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子分離機構(gòu)的方式，在煤粉氣流進入到分離器之后，直接通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子進行預(yù)分離處理，經(jīng)過預(yù)分離后得到的風(fēng)粉混合物，才會進入分離區(qū)進行正式分離。在旋轉(zhuǎn)葉片的帶動下，風(fēng)粉混合物在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的加速度，會受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較大的情況下，風(fēng)粉混合物產(chǎn)生的加速度也較大。

受到這一關(guān)系的影響，如果在磨粉機運行中，磨粉機內(nèi)部的煤粉顆粒在旋轉(zhuǎn)運動下產(chǎn)生的離心力超過了氣流引力，就能夠?qū)⒚悍垲w粒分離出來。在這一過程中，煤粉顆粒的直徑越小，在分離過程中受到的離心力也就越大。因而火力發(fā)電中所需的煤粉細(xì)度越小，相應(yīng)地在煤粉進入分離器之后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不會受到干擾因素影響，因而數(shù)值較高。被分離出來的煤粉仍會跟隨氣流進行旋轉(zhuǎn)運動，在持續(xù)受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動繞動力影響之后，細(xì)煤粉進入到分離器的出口中，讓回粉中的合格細(xì)粉能夠更多被分離出來，從而達到提高煤粉細(xì)度和節(jié)能的目的。

2.1.2 加強磨煤機動態(tài)分離器控制的措施

為實現(xiàn)改造后的磨粉機動態(tài)離心器良好的節(jié)能效果，在動態(tài)分離器的運行中，需要充分發(fā)揮變頻器的作用來對旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制。在分離器運行中，變頻電機主要可通過一個減速器減速之后，帶動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。這一情況下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍在0～740r/min，能夠以無級調(diào)節(jié)的方式來達到控制動態(tài)分離器的目的。在這一過程中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制信號，主要來源于給煤機的給煤量大小，通常情況下，給煤量的信號為4～20mA的電流信號，以這一信號為基礎(chǔ)的變頻器的輸出頻率，經(jīng)檢測在0～50Hz的范圍之內(nèi)。基于這一原理，可在分離器運行中讓給煤機始終與其保持同步的速度變化趨勢。

結(jié)合改造磨煤機動態(tài)分離器的運行原理，在煤粉細(xì)度降低的情況下，鍋爐運行產(chǎn)生的飛灰中的含碳量也會降低，相應(yīng)的發(fā)電煤耗也會下降，可有效節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的用量，從而提高火電廠的經(jīng)濟效益。例如，在出力52t/h的情況下，某類型的磨粉機墨粉細(xì)度為42.9%，應(yīng)用改造后的動態(tài)離心器，磨煤機的煤粉細(xì)度為17.8%，減少了25.1%。在此基礎(chǔ)上，將動態(tài)分離器的變頻器頻率控制在15Hz，磨煤機能夠保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。在煤粉細(xì)度降低的情況下，飛灰含碳量也降低了25%左右，發(fā)電煤耗降低了2.5g/kWh，基于這一前提，每年節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤可以達到近萬噸。

2.2 改造引風(fēng)機變頻器

泵和風(fēng)機是鍋爐運行中耗電量最大的設(shè)備，該設(shè)備需要長時間運行，會對整個機組的運行安全產(chǎn)生較大的影響。以變頻控制的方式來實現(xiàn)對于鍋爐運行中風(fēng)機的控制，能夠在實現(xiàn)對于電機轉(zhuǎn)速有效控制的同時，減少風(fēng)機運行過程中對資源能源的浪費。

2.2.1 變頻降速原理

對于火電廠鍋爐運行中的引風(fēng)機變頻器改造，擁有幾種不同的方法。首先，可通過變頻降速的方式，以控制風(fēng)機能耗為主要目的，主要可對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制。風(fēng)機運行的轉(zhuǎn)速主要會受到風(fēng)量大小、風(fēng)壓大小等方面因素的影響。現(xiàn)階段，基于鍋爐運行的經(jīng)驗，已經(jīng)能夠明確這些物理指標(biāo)對鍋爐運行效果的影響以及相互之間的關(guān)系。以這一關(guān)系作為對風(fēng)機能耗進行控制的指導(dǎo)依據(jù)。具體而言，風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)量與風(fēng)壓之間的關(guān)系，主要通過以下公式顯示出來：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=（n1/n2）2

p1/p2=（n1/n2）3

在以上文公式中，Q1為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n1時的風(fēng)壓，H1為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n1時的風(fēng)量，P1為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n1時的功率，Q2為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n2時的風(fēng)壓，H2為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n2時的風(fēng)量，P2為風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n2時的功率。

結(jié)合這一關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低到原來的一半時，消耗的功能也會降低到原功率的1/8。因而對于引風(fēng)機變頻器的改造，可采取適當(dāng)?shù)拇胧ㄟ^對環(huán)境條件的控制以及工作行為的規(guī)范，盡可能避免出現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速突然變化的情況，減少多余動力輸出。

2.2.2 改變功率因素原理

其次，對于火電廠鍋爐運行中的引風(fēng)機變頻器改造，還可通過改變功率因素的方式來實現(xiàn)。在交流電路中，電壓與電流之間存在相位差φ，功率因數(shù)是在相位差這一概念的基礎(chǔ)上，以相位差余弦函數(shù)的形式存在的。基于這一原理，可得到電機運行過程中的視在功率、有功功率、無功功率與功率因數(shù)之間的關(guān)系式：

Q=S×sinφ

P=S×cosφ

在以上公式中，cosΦ為功率因數(shù)，S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率。

基于這一計算公式可以發(fā)現(xiàn)，在電機視在功率一定的情況下，功率因數(shù)與有功功率之間呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。考慮到風(fēng)機運行過程中，有功功率大小會通過風(fēng)機輸出直接影響到風(fēng)機整體的性能效果，而無功功率多在建立風(fēng)機內(nèi)部磁場的過程中產(chǎn)生。對于引風(fēng)機變頻器的改造，應(yīng)充分考慮兩種變量對風(fēng)機整體運行情況的影響，盡可能減小無功功率。

基于此，在改造引風(fēng)機變頻器的過程中，可通過增加變頻器控制和手動旁路柜的方式，對風(fēng)機設(shè)備運行中的電流運行信號變化情況進行控制。如圖2所示，將三個高壓隔離開關(guān)之間以機械互鎖邏輯的方式，確保二三高壓隔離開關(guān)不能同時閉合。這樣在需要變頻運行的情況下。就可控制一二開關(guān)同時閉合，讓三開關(guān)斷開連接，而在需要工頻運行的情況下，則可以讓一二開關(guān)同時斷開，控制三開關(guān)閉合。

圖2 引風(fēng)機變頻控制開關(guān)

結(jié)合圖2中引風(fēng)機變頻控制開關(guān)的運行原理，在三開關(guān)斷開，一二開關(guān)閉合的情況下，DCS系統(tǒng)的邏輯認(rèn)為風(fēng)機處于變頻方式的狀態(tài)，而在一二開關(guān)斷開，三開關(guān)閉合的情況下，DCS系統(tǒng)邏輯認(rèn)為分析屬于工頻方式的狀態(tài)。在引風(fēng)機實際運行的過程中，這一控制原理能夠直接呈現(xiàn)于風(fēng)機系統(tǒng)畫面，并提供各個開關(guān)狀態(tài)的顯示情況。

對引風(fēng)機變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行改造之后，可將省略的引風(fēng)機入口檔板應(yīng)用到調(diào)節(jié)鍋爐運行的爐膛壓力上。但在實際的運行中，由于入口擋板與變頻器的運行存在沖突的部分，為避免變頻器發(fā)生故障，需要保證引風(fēng)機入口擋板為備用的形式，需要定期對入口擋板進行活動試驗，以便能夠在變頻器正常運行的情況下實現(xiàn)對于入口擋板的應(yīng)用。相關(guān)人員在試驗的過程中需要重點檢查爐膛壓力的變頻自動方式。在完成試驗后，入口擋板應(yīng)仍處于全開的位置。

2.2.3 調(diào)整爐膛壓力

而考慮到在引風(fēng)機變頻器改造的過程中，爐膛壓力會對引風(fēng)機的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。為實現(xiàn)火電廠鍋爐運行節(jié)能的目的，在改造引風(fēng)接變頻器的過程中，還需要對爐膛壓力進行調(diào)整。要調(diào)整爐膛壓力，一方面需要讓相關(guān)人員通過實時監(jiān)控和管理的方式，及時手動切換調(diào)整入口擋板控制調(diào)節(jié)器，另一方面也可基于引風(fēng)機變頻運行方式的不同，結(jié)合引風(fēng)機變頻運行方式以及鍋爐運行情況、鍋爐負(fù)荷大小等信息，在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)靜葉開度到85%之后，采用變頻轉(zhuǎn)速PID的方式來自動調(diào)節(jié)。

如果鍋爐系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)單臺變頻器事故跳閘的情況，需要基于故障情況及時對系統(tǒng)中部分設(shè)備的運行狀態(tài)或模式進行切換，及時響應(yīng)系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的故障問題，充分發(fā)揮爐膛負(fù)壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用，通過自動調(diào)整PID控制參數(shù)的方式提高單臺引風(fēng)機響應(yīng)速度。這樣不僅能夠保證機爐在變負(fù)荷運行情況下的應(yīng)用效果，也能夠為鍋爐運行節(jié)能措施的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

需要注意的是，在調(diào)整爐膛壓力的過程中，需要在爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部安裝一定的裝置，防止鍋爐發(fā)生內(nèi)爆，影響火力發(fā)電整體的運行效果。以保障火電廠鍋爐的運行安全為主要目的，可以利用與送風(fēng)機指令成比例的前饋信號，以指令回路的方式，讓乾坤信號能夠直接參與到對引風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的過程中。在這一系統(tǒng)運行階段，如果鍋爐發(fā)生主燃料跳閘的事故，在指令回路投入運行的情況下，能夠產(chǎn)生一個可以調(diào)節(jié)的比率信號。

這一信號能夠?qū)崿F(xiàn)對于引風(fēng)機轉(zhuǎn)速的有效控制。在經(jīng)過一段時間的控制之后，比率信號會自動降低到零，相應(yīng)的引風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號會逐步恢復(fù)。基于這一原理可以有效提高爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的運行安全，也能夠保證鍋爐整體的運行安全。從火電廠生產(chǎn)作業(yè)的實際要求來看，在改造鍋爐相應(yīng)設(shè)備達到節(jié)能目的的同時，也需要能夠保證鍋爐運行的安全，才能夠更好的發(fā)揮鍋爐在火電廠生產(chǎn)作業(yè)中的作用。

通過對引風(fēng)機變頻器進行改造的方式，可讓風(fēng)機運行過程中的節(jié)流損失大大降低。改造后的變頻器也能夠解決以往由于沒有擋板調(diào)節(jié)導(dǎo)致的死區(qū)問題。經(jīng)過改造后的引風(fēng)機變頻器能夠有效提升火力發(fā)電機組整體的調(diào)節(jié)特性，在減少資源浪費的同時，也能夠降低實際的發(fā)電成本，從而有效提升火電廠的經(jīng)濟效益。

2.3 加強空氣預(yù)熱器的變頻控制

空氣預(yù)熱器是鍋爐運行實現(xiàn)燃料燃燒處理的重要設(shè)備。以加強變頻控制的方式來對空氣預(yù)熱氣進行改造，主要基于交流電機的運行及其運行中涉及到的電機轉(zhuǎn)速、定子供電頻率等指標(biāo)的變化關(guān)系原理，相關(guān)公式如下：

N=60f/p

在該式中，n代表交流電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；f代表交流電機定子的供電頻率；p代表交流電機的極對數(shù)。基于這一公式，可得知如果交流電機定子的供電頻率發(fā)生改變，相應(yīng)的交流電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會發(fā)生變化。

具體而言，對于空氣預(yù)熱器變頻控制的改造，需要在充分參考火電廠鍋爐運行實際情況的前提下，通過模擬實際運行環(huán)境的方式，將定子供電的頻率作為主要的控制變量進行調(diào)整測試。考慮到交流電機在鍋爐運行過程中產(chǎn)生的功率因數(shù)較大，運行效率也比較高，應(yīng)用該方法能夠有效達到節(jié)能的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對火電廠鍋爐運行中部分設(shè)施設(shè)備的改造，能夠有效達到鍋爐運行的節(jié)能目的，推動火力發(fā)電工作朝著更加節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。考慮到當(dāng)前影響火電廠鍋爐高能耗的主要因素，從改造鍋爐運行中涉及設(shè)施設(shè)備角度入手，是能夠提升鍋爐運行節(jié)能效果的有效措施。在火電廠后續(xù)的運行發(fā)展中，也需要提高對于技術(shù)裝備優(yōu)化和運行流程、管理制度之間的關(guān)系，促進節(jié)能技術(shù)與火電廠生產(chǎn)作業(yè)之間的有效融合。