基于“雙碳”目標(biāo)下的綜合節(jié)能改造研究與探討

邵飛

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院

0 引言

火力發(fā)電作為傳統(tǒng)的采用煤炭燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能的發(fā)電方式，在這一過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的化石能源。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速高質(zhì)量發(fā)展使得電力的需求日益增長(zhǎng)，使資源的供給與需求之間的矛盾不斷加深。2020年國(guó)家宣布中國(guó)將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在這一“雙碳”目標(biāo)的大環(huán)境下，火電機(jī)組尤其是大中型火電機(jī)組開展深度節(jié)能降耗工作，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組整體優(yōu)化是很有必要的。

要挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力，提升機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性，首先要對(duì)現(xiàn)役機(jī)組及設(shè)備進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)和診斷，然后制訂全面詳盡的綜合節(jié)能降耗方案，爾后采用各項(xiàng)已成熟的技術(shù)對(duì)主輔設(shè)備及熱力系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造和運(yùn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組各項(xiàng)性能的整體優(yōu)化和熱力性能參數(shù)的改善。

1 火電機(jī)組的能耗診斷研究

火電機(jī)組由于客觀因素的影響，機(jī)組運(yùn)行中存在能耗過(guò)高的現(xiàn)象，致使發(fā)電機(jī)組并未達(dá)到預(yù)期效能[1]。所以需要對(duì)火電機(jī)組的能耗水平進(jìn)行診斷、評(píng)估，找出影響能耗的主要因素，分析節(jié)能潛力，提岀技術(shù)改造方案。

本節(jié)著重講述汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)方面能耗診斷的分析研究。

機(jī)組能耗診斷的主要范圍為機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)，汽輪機(jī)熱耗，汽輪機(jī)缸效率，汽輪機(jī)抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)、冷端系統(tǒng)、主要輔機(jī)電耗，主要設(shè)備與主、再熱蒸汽管道保溫狀況等。

影響汽輪機(jī)熱耗率的因素有：高、中、低壓缸效率，主蒸汽溫度和壓力，再熱蒸汽溫度，機(jī)組補(bǔ)水率，調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式及開度，給水泵焓升，凝結(jié)水泵焓升，軸封漏汽量，加熱器給水端差，再熱蒸汽壓損，最終給水溫度，凝汽器壓力，再熱器減溫水量，鍋爐吹灰蒸汽量，小汽輪機(jī)進(jìn)汽量，加熱器疏水端差，凝汽器端差，凝汽器過(guò)冷度，閥門內(nèi)漏、設(shè)備散熱損失。

影響機(jī)組廠用電率的因素主要有電廠各用電輔機(jī)耗電率。表1為各典型機(jī)組的發(fā)電廠用電率表。

表1 典型機(jī)組的發(fā)電廠用電率表

基于調(diào)研研究各典型機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，總結(jié)各主要因素對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)電煤耗的影響量，如表2所示。

表2 主要因素對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)電煤耗的影響量（單位：g/kWh）

2 火電機(jī)組的綜合節(jié)能改造技術(shù)

基于對(duì)火電機(jī)組的能耗診斷和評(píng)估以及當(dāng)前主流改造技術(shù)，本文研究從汽輪機(jī)系統(tǒng)改造、冷端提效優(yōu)化技術(shù)、熱力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)等方面開展綜合節(jié)能改造工作。

2.1 汽輪機(jī)系統(tǒng)改造

根據(jù)典型機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)熱力性能數(shù)據(jù)，采用等效焓降的方法可以計(jì)算出汽輪機(jī)各缸效率每降低1%對(duì)機(jī)組熱耗率的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 各缸效率每降低1%對(duì)機(jī)組熱耗率的影響數(shù)據(jù)（單位：kJ/kWh）

通過(guò)調(diào)研分析，造成汽輪機(jī)本體通流效率低于設(shè)計(jì)值的原因主要有：

1）汽輪機(jī)廠家由于某些原因?qū)⑵啓C(jī)設(shè)計(jì)效率設(shè)計(jì)得偏高。

2）個(gè)別級(jí)通流間隙設(shè)計(jì)不合理。

3）汽輪機(jī)廠家設(shè)備加工和安裝質(zhì)量與設(shè)計(jì)存在差距。由于安裝等原因，導(dǎo)致汽輪機(jī)通流間隙未能調(diào)整至設(shè)計(jì)范圍，造成實(shí)際通流徑向間隙大于設(shè)計(jì)值。

4）機(jī)組啟、停及運(yùn)行中存在高、中壓缸溫差超標(biāo)或啟停運(yùn)行操作方式不當(dāng)造成通流部分汽封磨損。

5）汽水品質(zhì)差、通流部分結(jié)垢嚴(yán)重。

要解決汽輪機(jī)本體通流效率低這個(gè)問(wèn)題，主要從兩個(gè)階段開展工作：一是設(shè)計(jì)制造階段；二是運(yùn)行維護(hù)階段。

設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用全三維設(shè)計(jì)計(jì)算減少動(dòng)葉和靜葉的沖角損失等以減少葉型損失；增加葉片相對(duì)高度、采用可控渦設(shè)計(jì)技術(shù)降低環(huán)形葉柵根部和頂部的二次流損失；釆用先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)和形式，減少漏汽損失；合理增大動(dòng)葉和靜葉之間的間隙，設(shè)計(jì)有效的去濕結(jié)構(gòu)，減少濕汽損失；低壓缸通流部分葉根、葉頂邊界形狀設(shè)計(jì)為光順結(jié)構(gòu)；優(yōu)化排汽缸氣動(dòng)性能，減少余速損失；對(duì)高、中壓合缸機(jī)組的過(guò)橋汽封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在安全運(yùn)行的前提下減少汽封間隙以減少損失。

在運(yùn)行維護(hù)階段應(yīng)合理地調(diào)整汽封間隙；開展機(jī)組調(diào)門流量特性優(yōu)化和滑壓運(yùn)行優(yōu)化，減少進(jìn)汽閥門節(jié)流損失；減少工質(zhì)泄漏；減緩機(jī)組老化。

2.2 冷端提效優(yōu)化技術(shù)

機(jī)組冷端損失是電站損失中最大的一部分，因此優(yōu)化冷端損失是非常重要的節(jié)能降耗方式[2]。

通過(guò)汽輪機(jī)制造廠家提供的真空變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗率的修正曲線，發(fā)現(xiàn)N300-16.7/538/538型機(jī)組真空每升高1 kPa，機(jī)組熱耗率將增加約66 kJ/kWh；N600-24.2/566/566型機(jī)組真空每升高1 kPa，機(jī)組熱耗率將增加約61 kJ/kWh，如圖1所示。這說(shuō)明真空偏高對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響是非常明顯的。

圖1 某N600-24.2/566/566型機(jī)組真空變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗率的修正曲線

在機(jī)組運(yùn)行中，造成機(jī)組真空偏髙的原因可能有：外部空氣漏進(jìn)凝汽器中、凝汽器熱負(fù)荷過(guò)大、凝汽器冷卻管束積垢、循環(huán)水流量較低、循環(huán)水入口溫度升高等。

現(xiàn)階段使用最廣泛的冷端優(yōu)化方法是尋找機(jī)組最佳運(yùn)行真空。尋找最佳運(yùn)行真空，是以機(jī)組功率、循環(huán)水入口溫度和循環(huán)水流量為變量，以機(jī)組微增出力與真空泵和循環(huán)水泵耗功增量之差為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的真空即為最佳運(yùn)行真空。通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算可得到特定循環(huán)水入口溫度條件下機(jī)組的最佳真空和相應(yīng)的循環(huán)水流量。然后，根據(jù)冷卻水流量，合理調(diào)整循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，提高機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。

但是，該方法在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。常規(guī)冷端優(yōu)化方法是假定在循環(huán)水流量變化時(shí)，凝汽器入口循環(huán)水溫度不發(fā)生變化。這顯然是有局限性的。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)循環(huán)水量變化時(shí)，凝汽器入口水溫會(huì)隨冷卻塔出口水溫改變而改變。所以需要對(duì)冷端進(jìn)行整體優(yōu)化。

針對(duì)冷端提效優(yōu)化，要有全局意識(shí)和整體意識(shí)，提出采用大冷端思想，對(duì)冷端系統(tǒng)進(jìn)行整體診斷，全局優(yōu)化。采用大冷端主要是從冷卻塔、凝汽器、真空泵、循環(huán)水泵統(tǒng)籌考慮。圖2所示為冷端綜合提效改造技術(shù)簡(jiǎn)圖。

圖2 冷端綜合提效改造技術(shù)簡(jiǎn)圖

針對(duì)冷卻塔設(shè)計(jì)不合理[3-4]、凝汽器清潔度不佳[5]、真空泵與維持真空需求不匹配、循環(huán)水泵運(yùn)行有節(jié)能空間以及循環(huán)水泵調(diào)度方式不合理等問(wèn)題，可以采用如下措施優(yōu)化冷端系統(tǒng)。

1）采用風(fēng)水匹配優(yōu)化冷卻塔強(qiáng)化換熱技術(shù)

對(duì)于冷卻塔配水配風(fēng)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題，可以借助數(shù)值模擬，建立三維冷卻塔模型及冷卻塔熱力特性計(jì)算模型，研究氣象條件、冷卻塔內(nèi)流動(dòng)及傳質(zhì)傳熱等情況，研究分析不同的填料及配水方式對(duì)冷卻塔內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及冷卻效果的影響。冷卻塔優(yōu)化的目的是降低出塔水溫。可以從以下幾方面進(jìn)行改造：通過(guò)非均勻填料布置、淋水密度及填料區(qū)非等高布置等綜合優(yōu)化，出塔水溫可降低；通過(guò)更換新型高效噴嘴，變化噴射顆粒直徑以加強(qiáng)傳熱，進(jìn)一步降低出塔水溫；在塔底加裝刀鋒板整流，實(shí)現(xiàn)雨區(qū)中心補(bǔ)風(fēng)。

2）凝汽器在線清洗及強(qiáng)化換熱技術(shù)

采用凝汽器在線清洗系統(tǒng)或者清洗機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線清洗凝汽器管束，維持凝汽器高清潔度。

3）高效真空維持系統(tǒng)

常規(guī)真空泵是按照最大抽氣量設(shè)計(jì)的，故其耗電量較大，而機(jī)組在正常運(yùn)行工況下，凝汽器漏入的空氣量遠(yuǎn)小于真空泵的設(shè)計(jì)抽氣量。以某660 MW超超臨界機(jī)組為例，其允許漏氣量為132 kg/h，而實(shí)際運(yùn)行中一般情況下的漏氣僅有25 kg/h，因此，常會(huì)出現(xiàn)“小車配大馬”的現(xiàn)象，浪費(fèi)能源。

采用高效節(jié)能的抽真空裝置，可以替代常規(guī)水環(huán)式真空泵，在機(jī)組正常運(yùn)行情況下維持火電廠凝汽器真空，以達(dá)到節(jié)能降耗的作用。目前使用效果較好的有蒸汽噴射器[6]和羅茨真空泵裝置。

4）循環(huán)水泵調(diào)度優(yōu)化技術(shù)

常規(guī)優(yōu)化方法是假定在循環(huán)水流量變化時(shí)，凝汽器入口循環(huán)水溫度不發(fā)生變化[7]。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)循環(huán)水量變化時(shí)，凝汽器入口水溫會(huì)隨冷卻塔出口水溫改變而改變。所以需要對(duì)冷端進(jìn)行整體優(yōu)化，使得凝汽器、循環(huán)水泵、冷卻塔互相耦合的關(guān)系能夠從冷端全局進(jìn)行考慮。

2.3 熱力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)

熱力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)優(yōu)化主要可從蒸汽參數(shù)優(yōu)化、高/低壓加熱器運(yùn)行優(yōu)化、疏水系統(tǒng)優(yōu)化等方面著手開展研究工作。

根據(jù)朗肯循環(huán)可知，提升蒸汽初參數(shù)，可以提高熱力循環(huán)效率。所以在設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，應(yīng)盡量降低蒸汽參數(shù)與設(shè)計(jì)值的偏差，降低減溫水用量，提高鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性。蒸汽參數(shù)優(yōu)化可以從壁溫測(cè)點(diǎn)的部位數(shù)量代表性、管道材料、管道系統(tǒng)的布置、爐內(nèi)高溫管屏的定制校核等方面進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)等效焓降法[8]，可以計(jì)算得出加熱器端差每升高10℃對(duì)機(jī)組熱耗率影響值。結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4結(jié)果，可以得出降低加熱器端差，尤其是上端差對(duì)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化有所幫助。造成端差大的原因主要可能有加熱器水位變化、抽汽管道壓降變化、通過(guò)加熱器的凝結(jié)水或給水流量變化、加熱器導(dǎo)向板泄漏、加熱器內(nèi)存在不凝結(jié)氣體、加熱器管子積垢等。對(duì)于以上原因，可以采取優(yōu)化加熱器水位、優(yōu)化加熱器排氣、消除導(dǎo)向板泄漏、清洗加熱器管束等方法改善加熱器端差。

表4 加熱器端差每升高10℃對(duì)機(jī)組熱耗率影響值（單位：kJ/kWh）

電廠疏水系統(tǒng)是電廠能夠安全運(yùn)行的必不可少的保護(hù)系統(tǒng)，疏水系統(tǒng)的內(nèi)漏不僅浪費(fèi)高溫高壓工質(zhì)，而且增加了凝汽器的熱負(fù)荷，不利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以針對(duì)疏水系統(tǒng)優(yōu)化，基本原則是簡(jiǎn)化系統(tǒng)，優(yōu)化疏水管道布置，合理合并減少閥門。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在“雙碳”目標(biāo)背景下，在研究火電機(jī)組目前流行的改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)機(jī)組能耗診斷方面的研究，提出了火電機(jī)組整體優(yōu)化的綜合節(jié)能改造技術(shù)，并從汽輪機(jī)本體、冷端系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等存在的問(wèn)題出發(fā)，提出了相應(yīng)的改造優(yōu)化措施和方法，對(duì)未來(lái)的節(jié)能綜合改造提供一定的指導(dǎo)和幫助。