火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能分析

陳義忠，陳 乾

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電杭錦發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017400）

1 研究背景

當(dāng)前，在火力發(fā)電廠的節(jié)能減排建設(shè)中，合理地利用了發(fā)電過(guò)程中鍋爐出口處的蒸汽。將蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)再引入，借助蒸汽做功發(fā)電后排出，由冷凝器進(jìn)行冷凝處理，通過(guò)熱力除氧器，再次進(jìn)入鍋爐當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)其循環(huán)利用的效果。由于鍋爐出口的蒸汽壓力和溫度高于熱力除氧器所需的壓力和溫度，如果缺少由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的給水泵，鍋爐出口的蒸汽達(dá)不到進(jìn)入熱力除氧器的標(biāo)準(zhǔn)，容易造成蒸汽中能量的損耗。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能優(yōu)化，主要是將鍋爐出口蒸汽引入汽輪機(jī)，蒸汽通過(guò)熱力除氧器避免其能量損失，實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電蒸汽的梯能利用。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能運(yùn)用，能夠讓火電廠充分利用鍋爐的連續(xù)供熱，從而達(dá)到節(jié)能和降低能耗的目的，同時(shí)根據(jù)外部環(huán)境的變化來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度。因此，現(xiàn)階段針對(duì)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的性能優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，對(duì)其節(jié)能實(shí)效進(jìn)行深入研究，有助于減少火力發(fā)電廠熱能轉(zhuǎn)換到電能過(guò)程中的能量損耗，提升發(fā)電廠的能源利用效益[1]。

2 研究現(xiàn)狀

在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能研究中，大部分企業(yè)對(duì)于性能進(jìn)行了優(yōu)化，形成了一整套的冷卻調(diào)速控制系統(tǒng)。但是，我國(guó)的相關(guān)研究與發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)電廠的一體化集成技術(shù)之間尚存在一些差距，因此需要加強(qiáng)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能相關(guān)層面的創(chuàng)新，并且，一體化集成能夠優(yōu)化設(shè)備的操作與安裝工序，其具備安裝便捷、體積小、性能強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，為了提升火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，就必須全面提升電廠設(shè)備的運(yùn)行效率，通過(guò)加強(qiáng)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能相關(guān)研究，解決實(shí)際經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的能源利用問(wèn)題，為我國(guó)火力發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展提供保障。

3 火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵

3.1 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵應(yīng)用背景

火力發(fā)電廠以往使用電動(dòng)機(jī)給水泵進(jìn)行作業(yè)，而在科技改革的趨勢(shì)下，汽輪機(jī)替代電機(jī)，不僅可以減少能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗，提高整體的能源利用效率，而且汽輪機(jī)能夠優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了更高程度的動(dòng)態(tài)管控，提升了驅(qū)動(dòng)控制精度和效率。在火力發(fā)電廠的節(jié)能減排政策下，加強(qiáng)節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，不僅可以優(yōu)化生產(chǎn)供應(yīng)需求，也能夠提升火力發(fā)電廠的實(shí)際效益。因此在汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能優(yōu)化上，對(duì)現(xiàn)階段的驅(qū)動(dòng)給水泵提出了高要求。

3.2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵性能優(yōu)勢(shì)

火電廠機(jī)組容量近年來(lái)一直在上升，導(dǎo)致整體供水和汽輪機(jī)內(nèi)壓力的增加。如果采用以往的逆向電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵，其供水不穩(wěn)定，且安全系數(shù)下降，無(wú)法滿足現(xiàn)有的供水和壓力需求。同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵將鍋爐燃燒熱量轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其運(yùn)行模式只是速度模式，依靠傳統(tǒng)的閥門控制調(diào)節(jié)水壓和流量大小，但其存在節(jié)流損失缺陷，一旦機(jī)組功率壓力整體上升，電機(jī)控制設(shè)備負(fù)荷將大大增加，導(dǎo)致進(jìn)一步增加了電廠的生產(chǎn)成本。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵通過(guò)蒸汽進(jìn)水口直接控制蒸汽泵的壓力，最大限度地降低能量損失，提高生產(chǎn)效率。

3.3 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)更新優(yōu)勢(shì)

火力發(fā)電廠汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行功率限制較小，可滿足給水泵機(jī)組的運(yùn)行功率要求。當(dāng)火電廠鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，可自動(dòng)調(diào)整和控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，以減少對(duì)水閥造成的損失。并且給水泵和汽輪機(jī)直接連接在一起，減少了長(zhǎng)管道的能量損失。而能量轉(zhuǎn)換過(guò)程采用最直接的過(guò)程，可以有效地提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率和能源效率。給水泵的抽水是通過(guò)核心汽輪機(jī)機(jī)組的工作進(jìn)行的，可以有效地減少火力發(fā)電廠冷卻階段能量的損失，提高整個(gè)機(jī)組的熱能經(jīng)濟(jì)性和能源利用率。由于汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)具備高靈活性，即當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備的整體運(yùn)行功率限制很小，設(shè)備能更好地滿足運(yùn)行中的大功率機(jī)組給水泵的正常運(yùn)行需要。

4 火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能策略

4.1 火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能改造要點(diǎn)

在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能優(yōu)化上，需要根據(jù)其特性進(jìn)行節(jié)能改造。在汽輪機(jī)抽取給水泵注入水的時(shí)候，汽機(jī)設(shè)備的功率可以自動(dòng)控制和調(diào)整，以確保給水泵的驅(qū)動(dòng)在額定功率范圍內(nèi)。在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，泵內(nèi)水進(jìn)入鍋爐，然后加熱鍋爐，水蒸發(fā)成水蒸汽。同時(shí)，汽輪機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行功率，速度控制系統(tǒng)控制泵流量的輸入速度，不僅保證鍋爐水的加熱，而且最大限度地利用熱能。

4.2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能優(yōu)化上，需要重視不同的驅(qū)動(dòng)方法。針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)方式下，實(shí)際的能源消耗分析，電力驅(qū)動(dòng)下，給水泵的實(shí)際功能是將熱能通過(guò)進(jìn)—步的加工處理，轉(zhuǎn)化為電能，然后再將電能通過(guò)特定的方法轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電動(dòng)給水泵是利用工頻電機(jī)進(jìn)行工作，如果利用變頻方式的話，給水泵也可以很好地完成這一轉(zhuǎn)化目標(biāo)，其中頻率的變化可以在滿足用戶用量需求的同時(shí)，降低能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失。而利用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵時(shí)，主要是蒸汽能源的轉(zhuǎn)化，只需要將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，減少了轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而可以更好地控制水泵的壓力。從實(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)行原理中也可以看出，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的能源控制與能源轉(zhuǎn)化是最直接的能源控制方式。

4.3 具體節(jié)能改造方法

在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能優(yōu)化上，需要針對(duì)實(shí)際的需求來(lái)制定符合標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能改造方法。利用專業(yè)的機(jī)械知識(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，開發(fā)相應(yīng)的改造標(biāo)準(zhǔn)。從經(jīng)濟(jì)效益和具體分析，雖然由于整個(gè)機(jī)組運(yùn)行方式的改變，需要更換其他機(jī)械設(shè)備，這將產(chǎn)生巨大的投資成本，但改造后結(jié)合具體的運(yùn)行情況，整個(gè)火電廠的經(jīng)濟(jì)效益將得到提高。對(duì)整個(gè)機(jī)組改造后，汽輪機(jī)通過(guò)調(diào)速驅(qū)動(dòng)給水泵，大大提高了給水泵的運(yùn)行效率。文中以230 MW 機(jī)組給水泵為例，通過(guò)對(duì)變頻改造前后的電流、負(fù)荷以及給水壓力進(jìn)行試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 汽輪機(jī)給水泵負(fù)荷變化數(shù)據(jù)

此外，在該驅(qū)動(dòng)模式下，水泵提供的水量大于鍋爐的實(shí)際用水量，這大大提高了鍋爐的工作效率。在電機(jī)被汽輪機(jī)取代后，火力發(fā)電廠每年將大大減少工作用電，從而節(jié)省了大量的電費(fèi)，提高了工廠的經(jīng)濟(jì)效益。其中，火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的變頻節(jié)能改造效果明顯。以往異步電機(jī)電流大，容易產(chǎn)生工作過(guò)電壓，損壞電機(jī)絕緣。使用變頻器后，電機(jī)啟動(dòng)，可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，減少工作噪音，減少磨損，電氣系統(tǒng)得到了有效的保護(hù)，并延長(zhǎng)了給水系統(tǒng)的使用壽命，并且給水泵的變頻技術(shù)成本低、運(yùn)行快速、穩(wěn)定，是節(jié)能減排的良好途徑，值得推廣。

4.4 汽輪機(jī)整體節(jié)能優(yōu)化

在火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能上，需要重視整體節(jié)能性能的優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行節(jié)能的最優(yōu)化。汽輪機(jī)能耗涉及到汽輪機(jī)本身、噴嘴室和外缸易變形，如低壓缸出口水腐蝕現(xiàn)象也很嚴(yán)重，閥壓力損失、熱系統(tǒng)泄漏現(xiàn)象，汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行調(diào)整上沒(méi)有選擇有效的優(yōu)化運(yùn)行方式，將導(dǎo)致冷凝器與冷卻水模塊增加能耗，從而增加了火電廠的成本。

其中，在汽輪機(jī)凝汽器的優(yōu)化上，冷凝器需要保持清潔。冷凝器的銅管容易結(jié)垢，冷凝器結(jié)垢會(huì)嚴(yán)重影響冷凝器的傳熱效率，從而影響渦輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)。冷凝器內(nèi)結(jié)垢的形成將大大降低冷凝器的真空效應(yīng)，由于結(jié)垢的導(dǎo)熱系數(shù)較差，因此大大降低了冷凝器的傳熱效率。適當(dāng)提高給水溫度，因?yàn)楫?dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，會(huì)增加煤的消耗，不僅降低了鍋爐的生產(chǎn)效率，而且產(chǎn)生大量的煙霧，對(duì)空氣環(huán)境造成一定的污染。在此基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)?shù)靥岣呓o水的溫度來(lái)解決這一問(wèn)題，并定期清潔管道，以減少污垢部位的熱差和溫差應(yīng)力。

同樣，為了有效地提高冷凝器的熱效率，可以采取有效的措施來(lái)降低冷凝器的熱負(fù)荷。同時(shí)，可以在冷凝器喉部增加一種裝置，一種方法是在冷凝器喉嘴處增加一組霧化噴嘴，借助接觸式傳熱作用，可以有效吸收一定量的冷凝器冷凝熱，這使得一些補(bǔ)充脫鹽水在冷凝器中產(chǎn)生混合冷凝，從表面可以有效減少表面型冷凝器的熱負(fù)荷，然后使冷凝器處于良好的真空狀態(tài)；另一種方法是在冷凝器上部與排氣缸喉部之間的空間中增加一個(gè)表面加熱器，并將該加熱器的入口連接到工業(yè)水系統(tǒng)，輸出到化學(xué)供水系統(tǒng)，然后實(shí)現(xiàn)原水的加熱操作，以此實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能改造方案的優(yōu)化。

5 實(shí)例分析

5.1 節(jié)能實(shí)施情況

在對(duì)火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能研究上，需要結(jié)合相關(guān)的實(shí)例進(jìn)行分析。在現(xiàn)有的研究上，火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵主要利用供汽主管來(lái)提供穩(wěn)定的蒸汽，在實(shí)際的改造上，需要結(jié)合節(jié)能改造技術(shù)來(lái)進(jìn)行，從而保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。文中主要以某火力發(fā)電廠的4臺(tái)30 t/h 的循環(huán)流化床鍋爐提供用水，通過(guò)5臺(tái)230 kW 的電動(dòng)能源驅(qū)動(dòng)給水泵進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)使用的汽輪機(jī)組進(jìn)行節(jié)能分析。通過(guò)選取2臺(tái)6000 kW 的背壓機(jī)組和2臺(tái)3500 kW 的背壓供熱機(jī)組來(lái)滿足實(shí)際的熱能需求。通過(guò)上述方法進(jìn)行汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵改造上，相對(duì)于以往節(jié)能實(shí)效能夠達(dá)到20%。但是這組電動(dòng)給水泵是由工頻電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)的，因此不能改變給水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

5.2 相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化

由于工業(yè)汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)波動(dòng)的影響，變速調(diào)節(jié)可以節(jié)省給水泵的功率，負(fù)荷越低，節(jié)能效果越大。由于汽輪機(jī)的效率高于電動(dòng)機(jī)，需要關(guān)閉出口閥來(lái)調(diào)整流量，導(dǎo)致水泵的節(jié)流損失。額定工況下，汽機(jī)和給水泵效率為70%，汽機(jī)泵組總效率降低僅為5%，變速運(yùn)行時(shí)汽機(jī)泵組效率降低較小。當(dāng)加熱負(fù)荷降低時(shí)，很難保證管道內(nèi)供水壓力的穩(wěn)定。企業(yè)應(yīng)進(jìn)行設(shè)備的節(jié)能改造，盡可能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，達(dá)到降低綜合電廠電力效率的目的。

5.3 設(shè)備的改造方案

企業(yè)設(shè)備的節(jié)能改造，綜合因素。制定合理的經(jīng)濟(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，第一方案使用2個(gè)200 kW 的電動(dòng)給水泵和一個(gè)200kW 的進(jìn)口變頻器進(jìn)行節(jié)能組合，通過(guò)控制頻率調(diào)整鍋爐供水和速度，進(jìn)一步降低電廠用電消耗。這一方案的改造預(yù)算投資成本為32萬(wàn)元左右。第二種方案是用3個(gè)220 kW 的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵來(lái)替換以往的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)給水泵。由于機(jī)組整體運(yùn)行方式的差異，其余所有機(jī)組設(shè)備都需要進(jìn)行更新和改造。此外，再加上在改造過(guò)程中對(duì)設(shè)備的安裝成本，該方案的預(yù)算投資成本為25萬(wàn)元左右。第三種方案是簡(jiǎn)化機(jī)組的運(yùn)行方式的節(jié)能模式，雖然能夠?qū)C合投資成本進(jìn)行節(jié)省，但是在整體性能上，仍然需要2臺(tái)400 kW 的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵進(jìn)行組合，該預(yù)算投資成本為20萬(wàn)上下。因此在火力發(fā)電企業(yè)的設(shè)備優(yōu)化上，需要根據(jù)實(shí)際的預(yù)算與需求來(lái)制定相應(yīng)的節(jié)能改造方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在火力發(fā)電廠利用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的應(yīng)用，不僅符合企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)也響應(yīng)著國(guó)家的節(jié)能減排。通過(guò)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的節(jié)能改造，其實(shí)踐節(jié)能效果明顯，在保障整體機(jī)組節(jié)能性能的基礎(chǔ)上，也能夠滿足用戶的需求，實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的提高，為我國(guó)火力發(fā)電事業(yè)的健康發(fā)展提供保障。