燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組節(jié)能降耗分析

吳寅琛

摘 要：實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗發(fā)展是燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)當(dāng)下的新要求。本文從燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)的工作原理出發(fā)，基于熱力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)分析，分別研究其在凝泵變頻、水泵驅(qū)動模式、停機(jī)真空運(yùn)行方面節(jié)能降耗的工作原理、方法及效益，為有蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)節(jié)能降耗需求的企業(yè)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī);熱力學(xué);凝泵變速

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0034-02

0引言

環(huán)境污染日益嚴(yán)重，加快新型清潔能源開發(fā)成為各行各業(yè)普遍共識。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)因其具有效率高、污染小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，成為各大城市發(fā)電供熱的首要選擇，進(jìn)一步研究其在運(yùn)行過程中的節(jié)能降耗方式，更充分地應(yīng)用到日常作業(yè)中，可在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時減少環(huán)境污染。

1燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)原理及熱力學(xué)分析

1.1燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)原理

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)是指以燃?xì)庾鳛楦邷毓べ|(zhì)、以蒸汽作為低溫工質(zhì)，以燃?xì)廨啓C(jī)中的排氣作為蒸汽輪機(jī)的加熱源所構(gòu)成的聯(lián)合循環(huán)裝置。在此循環(huán)中，燃?xì)廨啓C(jī)中的熱功率在溫度相對較低的溫度段進(jìn)行，此階段被稱為低位循環(huán)或下位循環(huán)。實(shí)施循環(huán)的方法就是在輪機(jī)后方加一臺余熱鍋爐，燃?xì)鈾C(jī)中的高溫?zé)熿F在預(yù)熱鍋中加熱成蒸汽，輸送到蒸汽透平中，以提高整體的利用效率。一般情況下，聯(lián)合機(jī)熱功率可比普通循環(huán)機(jī)熱功率高50%，供電效率遠(yuǎn)高于以煤炭作為燃燒源的傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)，其以天然氣或液體燃料作為原料，環(huán)保性能極好，且投資周期短，用水量較少，運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)全自動化，隨時都可啟停，可用率最高可達(dá)95%。

1.2燃?xì)庹羝麩崃W(xué)分析

圖1為聯(lián)合循環(huán)機(jī)的能量圖，以此來進(jìn)行熱力分析。此處可選取燃料量1kg/h來進(jìn)行計算。其中燃?xì)廨啓C(jī)的平衡公式為Q1+Qar，net，prl=p0gt+Qc1+Qc2+Qa2;余鍋熱量的平衡公式為Qc1+Qw1+Qstr=Qst1+Qst2+Qst3+QA2;蒸汽輪機(jī)能量的平衡公式為p0st+Qstr+Qw1+QA3=Qst1+Qst2+Qst3;熱力分析可分為上位燃?xì)廨啓C(jī)熱力分析及下位氣輪機(jī)熱力分析。上位燃?xì)廨啓C(jī)分析包括單軸燃?xì)廨啓C(jī)熱力分析、最佳壓比分析;下位燃?xì)廨啓C(jī)分析包括余熱鍋爐熱力分析、及蒸汽輪機(jī)熱力分析。以此得出蒸汽機(jī)效率公式為：Nst=P0st/（Qst1+Qst2-Qw1）+（Qst2-Qstr）×NmgtNGgt。

2節(jié)能降耗方式分析

據(jù)研究可知，蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)運(yùn)行中分別在凝泵速度恒定、傳統(tǒng)水泵驅(qū)動方式、停機(jī)后依然處在真空狀態(tài)三方面消耗過多能量，因此研究其節(jié)能降耗的方式從改變這三方面著手。

2.1凝泵變頻調(diào)速

2.1.1調(diào)速技術(shù)工作原理

電機(jī)公式為n×60×f/p=（1-s）×n2-n1，由此可知，只要改變電源的頻率就可以改變轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步率，其中頻率下降會導(dǎo)致磁通增加，形成磁路的飽和，而勵磁電流的增加，會使功率因數(shù)下降，鐵線圈過熱，這是不符合規(guī)定的，因此要同時降頻和降壓，此部分就要求電壓與頻率協(xié)調(diào)控制。完成變頻調(diào)速的裝置被稱為變頻器，變頻器是由濾波器，驅(qū)動電路及控制器等組成。變頻器工作時，會先將三相交流電源進(jìn)行濾波后，形成基本固定的直流電壓附加在逆變器當(dāng)中，運(yùn)用逆變器功率進(jìn)行控制，使其輸出端能獲得一定的脈沖波形，通過改變脈沖波形的寬度來控制電壓的數(shù)值;通過改變周期來控制輸出的頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在逆變器上對輸出電壓和頻率的雙重控制，以滿足協(xié)調(diào)要求。

2.1.2變速系統(tǒng)構(gòu)建

變速系統(tǒng)構(gòu)建主要分為5部分。第1部分為變頻調(diào)控，變頻調(diào)控主要分為兩方面，一為硬件方面，此方面的主要任務(wù)是增加結(jié)構(gòu)變頻器模塊化及其附加裝置控制電纜和動力敷設(shè)，這方面的工作需要電氣專業(yè)人員來完成;另一方面就是對系統(tǒng)工藝進(jìn)行控制，這方面工作需要根據(jù)系統(tǒng)工藝要求進(jìn)行相關(guān)的邏輯設(shè)計、不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)變頻控制的自動化。第2部分為變速裝置的完成，此部分主要分為兩點(diǎn)，第一點(diǎn)為變速模塊的建立，變速裝置模塊中的高壓部分及配套的一體化模塊都由專業(yè)公司進(jìn)行供貨，戶外可直接安裝，在安裝之后只需要連接高壓電纜、控制信號電纜即可，對電纜的距離沒有要求，且在不經(jīng)任何改動的情況下就可以直接使用;第二點(diǎn)為街上DCS接口，變速器的所有開關(guān)均是無源接點(diǎn)，與DCS連接的具體容量為5A，變速器輸送至DCS的信號有4mA～20mA的凝結(jié)水泵電流和凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速;變速器接收到來自DCS的有4mA～20mA的轉(zhuǎn)速給定信號[1]。第3部分為給電氣設(shè)備進(jìn)行連鎖處理，根據(jù)變頻裝置的需要，保證變速器出現(xiàn)故障時跳開6kV的開關(guān)電源，以避免后續(xù)故障的產(chǎn)生，且為了防止變速和旁路同時進(jìn)行，可以用刀閘信號設(shè)置變速器閉鎖回路，其中要對進(jìn)線、出線、電源斷路器設(shè)置閉鎖條件。第4部分為對操作界面的控制，水泵在運(yùn)行中，會產(chǎn)生氣化現(xiàn)象和汽蝕現(xiàn)象，因此可將泵的最低轉(zhuǎn)速設(shè)置成≧900rpm，水壓力≧1.2MPa，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為986rpm，由此，可以初步設(shè)定水泵在變速器下最低轉(zhuǎn)速為1000rpm，手操器上設(shè)置對應(yīng)最低限值為67.4%。第5部分為變速器運(yùn)行過程中的調(diào)節(jié)，此部分分為節(jié)流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)兩點(diǎn)，其中節(jié)流調(diào)節(jié)消耗功率公式為N=yWAhJ/1000A×kW;變流調(diào)節(jié)功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系方程為W1/W2=n1/n2，以此來進(jìn)行計算調(diào)節(jié)[2]。

2.2改變水泵驅(qū)動方式

2.2.1改造方案及數(shù)學(xué)模型

以實(shí)行改造方案前的一臺電動驅(qū)動機(jī)為例，其高壓用液力耦合裝置進(jìn)行調(diào)速處理，而中壓則采用定速方式，高、中壓均為余熱鍋爐中的低壓氣泡，而低壓氣泡來自于凝結(jié)水泵的給水。當(dāng)高壓和中壓的給水分別進(jìn)入到高壓氣泡和中壓氣泡后，將和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行換熱，換熱后產(chǎn)生主蒸汽。改動方案是將其中一臺高壓水泵驅(qū)動方式改造成凝結(jié)小汽輪式輪機(jī)驅(qū)動，其中抽氣來自于中壓的排氣缸，排氣進(jìn)入到主機(jī)的凝結(jié)器中。在汽輪機(jī)啟動時可以使用另一臺傳統(tǒng)電驅(qū)動給水泵高壓處上水，在達(dá)到額定負(fù)荷30%以上后換另一臺機(jī)器給水泵上水，以此檢測節(jié)能效果。

計算模型分為熱功率計算、輸入功率計算、汽輪機(jī)用氣量及熱效率計算4部分。熱功率是指在機(jī)器運(yùn)行中發(fā)電量產(chǎn)生的熱量與供給燃料消耗熱量的百分比，計算公式為rj=3600prj/GfQf×100;當(dāng)總功率恒定時，汽輪機(jī)與電動機(jī)兩種驅(qū)動方式的輸出功率相同，而輸入功率在計算上有所不同，其計算公式為pin=9.8×106q（pout-pin）/（3600y）[3];由質(zhì)量守恒定律可知，氣泵多消耗的汽量用于汽輪機(jī)的抽汽量，則汽輪機(jī)用汽量計算公式為qxj=9.8×1o3q（pout-pin）/（hp-hd）y;汽輪機(jī)熱效率計算公式為Q=（qe-qxj）（hp-hs）+qxj（hp-hd）+3.6Wq/3.6Wi。

2.2.2改造后節(jié)能效果分析

通過對水泵的驅(qū)動模式進(jìn)行改造，并對改造后實(shí)驗(yàn)多次的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出改造后的循環(huán)機(jī)具有以下3點(diǎn)節(jié)能效益。（1）在耗能方面，有計算可得出氣泵的節(jié)省功率效果要遠(yuǎn)高于電泵節(jié)省效果，可在更為節(jié)能的情況下實(shí)現(xiàn)組內(nèi)效率的提高;（2）在全廠熱能方面，由于改造后的一小部分抽氣作用于水泵，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，效果要遠(yuǎn)高于改造前只用于供熱的狀態(tài)，在提高效率的同時能夠分別對水泵和抽氣減少使用時間，提升壽命;（3）在運(yùn)行過程方面，供熱期間進(jìn)行改造使用，可節(jié)省研發(fā)成本約21萬元，可在投入生產(chǎn)后10年內(nèi)收回成本，在節(jié)能的同時創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2.3停機(jī)后破壞真空運(yùn)行

2.3.1方案及相關(guān)模型

停機(jī)后破壞真空運(yùn)行方案分為當(dāng)日關(guān)機(jī)真空操作、次日開啟機(jī)器真空操作兩部分。當(dāng)日停機(jī)真空操作分為4步：（1）在正常停機(jī)情況下，機(jī)組跳閘后就停止真空泵，停機(jī)期間需要的輔汽可以采用汽輪機(jī)側(cè)邊高中壓的殘壓;（2）當(dāng)真空轉(zhuǎn)速達(dá)到0以后，就代表著軸封、軸抽風(fēng)機(jī)的停止，在停止抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行后可以停止凝結(jié)水泵的運(yùn)行;（3）在停止軸封后，氣機(jī)管道中的殘留蒸汽會通過高壓側(cè)閘和再熱爐側(cè)閘進(jìn)行泄壓，以保證停機(jī)后的機(jī)體管道中不發(fā)生蒸汽凝結(jié)情況[4];（4）采取中壓過熱時用蒸汽供給組輔汽的方式，此方式需在停機(jī)后中壓汽包上水，上水量≧250mm。

2.3.2停機(jī)節(jié)能效用分析

破壞真空停機(jī)的節(jié)能效用主要分為3方面：（1）能減少用電量，提高節(jié)能效率。例如某廠全年173d都連續(xù)開啟機(jī)器，假設(shè)每天都有7h的真空狀態(tài)，破壞真空狀態(tài)可讓真空泵、結(jié)水泵都得到休息，大大地提高了節(jié)能效果;（2）保護(hù)相關(guān)設(shè)備不被損壞。汽輪機(jī)機(jī)組在停機(jī)后還保持真空狀態(tài)，就需要不斷的供熱及其它設(shè)備也維持真空狀態(tài)，外源汽的溫度會有所降低，較低的溫度會讓高壓金屬溫度迅速下降，導(dǎo)致供應(yīng)力過于集中而損傷設(shè)備，破壞真空狀態(tài)能有效地延長設(shè)備使用年限，在節(jié)能環(huán)保的同時降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益;（3）破壞真空狀態(tài)能夠節(jié)約天然氣和蒸汽的使用量。當(dāng)停機(jī)破壞真空后就不再需要提供軸封，可以有效的節(jié)省軸封的輔汽使用量，進(jìn)而節(jié)約設(shè)備啟動時的天然氣燃料用量，還可以進(jìn)一步的減少啟動爐的啟動次數(shù)，延長設(shè)備的使用時間。

3結(jié)論

綜上所述，提高燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)的節(jié)能降耗能力可以從改變凝泵變頻方式、水泵驅(qū)動方式及停機(jī)后破壞真空運(yùn)行三方面來實(shí)現(xiàn)。具體需要操作人員熟練掌握熱力學(xué)原理及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)的運(yùn)行方式，了解三種方式構(gòu)建模型，才能實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染，創(chuàng)造新收益。

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