火電廠集控運(yùn)行節(jié)能降耗技術(shù)研究

國(guó)家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司 王政昊

火電廠是我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)的“主力軍”，對(duì)人民生活和工業(yè)生產(chǎn)起著重要的作用。在我國(guó)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，火力發(fā)電仍會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)家要繼續(xù)發(fā)揮火電能源保障的基石作用。但長(zhǎng)久以來(lái)，火力發(fā)電廠能耗高、污染大的問(wèn)題給企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了不良影響。要主動(dòng)變革，更要注重漸變發(fā)展，近年來(lái)隨著社會(huì)各界對(duì)“綠色、節(jié)能、環(huán)?！钡年P(guān)注度逐步提升，政府針對(duì)節(jié)能降耗在各行業(yè)的運(yùn)用也相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策，國(guó)家也將火電廠列為節(jié)能減排的重要監(jiān)管對(duì)象，因此火力發(fā)電行業(yè)必須加大科技創(chuàng)新力度，應(yīng)將集控運(yùn)行節(jié)能降耗技術(shù)列為重要研究?jī)?nèi)容，提升綠色管理水平，加快提高火電廠的運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)能耗，減少對(duì)環(huán)境的污染，保證節(jié)能減排各項(xiàng)工作順利落地，增強(qiáng)行業(yè)綠色競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 火電廠集控運(yùn)行系統(tǒng)概述

集控運(yùn)行技術(shù)簡(jiǎn)稱“DCS”，是依托計(jì)算機(jī)技術(shù)將通信技術(shù)、控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行有效融合，促進(jìn)火電廠在整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的集成化、數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的管理，通過(guò)統(tǒng)一的控制管理實(shí)現(xiàn)火電廠集控運(yùn)行。管理技術(shù)和操控技術(shù)是集控運(yùn)行系統(tǒng)的核心技術(shù)，其中管理技術(shù)包括生產(chǎn)設(shè)備性能監(jiān)測(cè)、保護(hù)、預(yù)防和控制生產(chǎn)事故；操控技術(shù)將依托工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)火電廠自動(dòng)化水平進(jìn)行全面提升。

在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，火電廠集控運(yùn)行系統(tǒng)逐漸更新為擁有多系統(tǒng)接口的新型控制系統(tǒng)，有效連接了各控制器，并且系統(tǒng)的智能化水平也在不斷提升，為火電廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。同時(shí)，從長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，火電廠集控運(yùn)行系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題依然存在，因此，火電廠還要不斷優(yōu)化系統(tǒng)配置，從根本上解決問(wèn)題，降低能耗，盡快達(dá)到綠色生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，全面提升集控運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[2]。

2 火電廠集控運(yùn)行系統(tǒng)節(jié)能降耗的現(xiàn)實(shí)作用

一是可持續(xù)發(fā)展。新時(shí)期，火力發(fā)電廠的可持續(xù)發(fā)展同樣與環(huán)境保護(hù)密不可分，相比于西方國(guó)家，我國(guó)火電廠集控運(yùn)行節(jié)能技術(shù)還有較大進(jìn)步空間。一直以來(lái)，綠色生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展是火電廠的核心經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，也與我國(guó)電力行業(yè)戰(zhàn)略方向目標(biāo)相一致，在火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程中引入環(huán)保理念，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)措施，可實(shí)現(xiàn)火電廠長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)，并有效平衡資源使用與自然之間的關(guān)系，為社會(huì)創(chuàng)造更多價(jià)值。

二是減少資本。隨著我國(guó)能源儲(chǔ)備量的不斷下降，火電廠的生產(chǎn)成本持續(xù)上升，為了更好地平衡好技術(shù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益兩者之間的關(guān)系，火電廠要加快落實(shí)綠色生產(chǎn)要求，踐行集控運(yùn)行系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，通過(guò)科學(xué)、合理的技術(shù)措施來(lái)提高火電廠能源利用率，提高發(fā)電質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

3 火電廠集控運(yùn)行節(jié)能降耗技術(shù)分析

3.1 真空系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

隨著機(jī)組調(diào)峰力度的加大，機(jī)組負(fù)荷變化范圍也隨之加大，因此迫切需要對(duì)真空泵等輔機(jī)設(shè)備出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)減少能源的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。調(diào)查研究表明，機(jī)組真空系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，凝汽器真空每提高1kPa，機(jī)組發(fā)電量就會(huì)提高1%[3]。目前，一些汽輪機(jī)組真空系統(tǒng)大多都在200Pa/min以下，具有較大的節(jié)能空間，并且常規(guī)的水環(huán)式真空泵水力損失較大，浪費(fèi)了大量的廠用電，因此更換高效率的抽真空設(shè)備對(duì)火電廠集控運(yùn)行節(jié)能具有重要意義。在正常運(yùn)行情況下，火電廠凝汽器維持真空的時(shí)間大約占80%以上，可從該環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，提高抽真空設(shè)備作功效率和凝汽器的真空度，進(jìn)而提升機(jī)組運(yùn)行效率，降低能耗。

3.1.1 節(jié)能方案設(shè)計(jì)

可選用ZJL1200羅茨-水環(huán)式真空泵組取代水環(huán)泵，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造，通常羅茨泵與前級(jí)泵抽速比為4:1～10:1，另外為了提升羅茨泵的最大排氣壓力，還要加裝冷凝器，有效降低排氣口處的氣體溫度，進(jìn)而減少羅茨泵轉(zhuǎn)子在壓縮氣體時(shí)產(chǎn)生的熱量，效率可以提高70%左右。

3.1.2 節(jié)能效果分析

改造前后真空系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可以看出，改造前后排氣溫度相差不大，因此沒(méi)好相差不明顯，但改造后機(jī)組真空改善效果明顯，表面改造后作用能力得到了提升。

表1 節(jié)能改造前后真空系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比分析

以機(jī)組負(fù)荷300MW 進(jìn)行計(jì)算，改造前水環(huán)泵每臺(tái)需要消耗51.8m3/h 閉式冷卻水，改造后新節(jié)能真空泵組僅消耗17.5m3/h，有效節(jié)約了用水量，另外改造后每臺(tái)機(jī)組每年節(jié)省電量在450450kWh 左右，相當(dāng)于減少CO2排放373t，按照15年使用期限計(jì)算，共可降低CO2排放量5595t，社會(huì)效益顯著。

3.2 變頻調(diào)速技術(shù)

鍋爐系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的高能耗設(shè)備，特別是與鍋爐配套的輔機(jī)設(shè)備如引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷作出改變時(shí)，輔機(jī)輸出風(fēng)量也要不斷調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能耗的降低。目前，鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造主要選用調(diào)速技術(shù)，既可以減少能源消耗還能有效控制風(fēng)量。

3.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)基本原理

當(dāng)改變電源頻率f1時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速n1與頻率f1之間存在下列關(guān)系（1）：

由式（1）可知，當(dāng)頻率方式發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)速也隨之改變，因此改變電源頻率和平滑調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速范圍大、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，在火電機(jī)組集控運(yùn)行中得到普遍應(yīng)用。以風(fēng)機(jī)為例，通過(guò)利用變頻技術(shù)，風(fēng)機(jī)的出口壓力減小，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，可保持風(fēng)機(jī)管路特性在節(jié)流最小工況下運(yùn)行，這樣可大大減少節(jié)流損失，減少能耗。

3.2.2 變頻器應(yīng)用實(shí)例分析

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)取得了重要進(jìn)步，例如SCR 變頻器、IGBT、IGCT、SGCT 等變頻器中的一些器件都實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，新技術(shù)、新工藝的涌現(xiàn)也促進(jìn)了一些高端的多個(gè)功能的變頻器的出現(xiàn)。以300MW 機(jī)組為例，對(duì)一次、二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制設(shè)計(jì)，采用變頻控制調(diào)節(jié)后，一次、二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗較擋板節(jié)流調(diào)節(jié)有明顯降低，節(jié)能效率可達(dá)50%以上。實(shí)現(xiàn)了一二次風(fēng)機(jī)變頻控制的變頻器啟動(dòng)、停運(yùn)、變頻切工頻、工頻切變頻，保障發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，還有效降低了機(jī)組發(fā)電能耗。

3.2.3 變頻改造中的注意事項(xiàng)

以火電廠集控運(yùn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻改造為例，在改造中需要注意的問(wèn)題有以下三點(diǎn)：一是低頻搶風(fēng)問(wèn)題。停運(yùn)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并入系統(tǒng)時(shí)偶爾發(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象，在低頻下，只要控制引風(fēng)機(jī)的流量，使其大于極限流量，就會(huì)有效避免低頻搶風(fēng)問(wèn)題。二是低轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)軸系共振問(wèn)題。變頻運(yùn)行改變了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致在低頻時(shí)部分區(qū)段軸系振動(dòng)偏高，發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)可能存在扭曲共振的現(xiàn)象導(dǎo)致在低頻時(shí)部分區(qū)段軸系振動(dòng)偏高，可采用引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)過(guò)程中盡快躲過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)。三是電機(jī)低頻發(fā)熱問(wèn)題。變頻調(diào)速控制后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱有可能成了突出問(wèn)題，為解決此問(wèn)題，對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)量[4]。

3.3 煙氣余熱利用技術(shù)

火力發(fā)電廠鍋爐能源消耗較高，鍋爐排煙溫度高會(huì)造成大量的熱能浪費(fèi)和損失，鍋爐尾部煙氣的排煙損失最為嚴(yán)重，約占整個(gè)鍋爐熱損失的70%以上，因此降低排煙溫度，減少排煙熱損失，是降低火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行能耗的重要技術(shù)措施之一，因此要利用煙氣余熱利用技術(shù)對(duì)鍋爐加以改造，達(dá)到節(jié)能的效果。常用的鍋爐尾部煙氣余熱技術(shù)方案有以下幾點(diǎn)。

一是低溫省煤器。在鍋爐尾部的飲水位置安裝低低溫煤器，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)余熱的收集，另一方面還節(jié)約了煤炭資源，提升了鍋爐運(yùn)行效率。低溫省煤器的設(shè)計(jì)與安裝應(yīng)結(jié)合鍋爐機(jī)組實(shí)際情況考慮，并合理選擇安裝位置，低溫省煤器還應(yīng)選擇高性能抗腐蝕性材料，來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，保證節(jié)能效果。

二是熱管換熱器。熱管換熱器屬于一種高效的傳熱元件，其技術(shù)使用安全性高，有效避免了低溫腐蝕的問(wèn)題，最重要的是可以將分散的熱流加以集中，或?qū)⒓械臒崃鬟M(jìn)行分散，顯著降低能耗。

三是相變換熱器。相變換熱器是對(duì)熱管換熱器進(jìn)行相變所得，該設(shè)備具備較高的一體化程度。相變換熱器余熱回收的適應(yīng)性較強(qiáng)，能明顯控制和降低排煙的溫度，減少能源資源的消耗，能夠有效處理不凝結(jié)氣體等問(wèn)題，對(duì)提升鍋爐運(yùn)行質(zhì)量和效率具有重要作用。

3.4 智能控制技術(shù)

集控運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，立足于最新的信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提升系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平。在火電廠集控運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控可降低人員工作量，還能夠提高工作精度和效率。

一是信號(hào)處理首先要保證的是全面、及時(shí)，這就要求控制系統(tǒng)中不但要配置大量的I/O 測(cè)點(diǎn)，信號(hào)接收、整合、發(fā)送也都應(yīng)實(shí)時(shí)、可靠，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。

二是利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)分析和云端計(jì)算處理等各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)等級(jí)的結(jié)合和職能劃分，保證了信息交流與共享，通過(guò)現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)設(shè)備和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分類和處理，再進(jìn)一步根據(jù)設(shè)備性能定制化的打造順控邏輯。集控系統(tǒng)中創(chuàng)建的智能化邏輯，能夠?qū)β?lián)鎖設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行自動(dòng)化的條件分析和流程判定，執(zhí)行設(shè)備的啟停、開(kāi)關(guān)的投切、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等操作，最終只需簡(jiǎn)單的指令輸入即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的智能化控制和調(diào)整。

三是以信息化技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工判斷、干預(yù)和操作，提升了工作效率，也兼顧了運(yùn)行的安全，在確保電廠設(shè)備安全穩(wěn)定啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)的前提下，智能化地降低人為失誤造成的風(fēng)險(xiǎn)。另外，通過(guò)大量的云端數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)系統(tǒng)中的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化管理和標(biāo)準(zhǔn)化控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集控運(yùn)行節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3.5 降低廠用電率

在火電廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，除了應(yīng)用必備的發(fā)電機(jī)組外還會(huì)使用到大量的輔助設(shè)備，這些輔助設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)消耗掉大量電能，因此集控運(yùn)行節(jié)能管理也應(yīng)將輔機(jī)系統(tǒng)列為重要節(jié)能對(duì)象，對(duì)于降低輔機(jī)廠用電率可從以下幾方面。

一是設(shè)備優(yōu)化。鍋爐給水泵配置和凝結(jié)水泵的優(yōu)化，通常300MW 級(jí)機(jī)組汽泵組臺(tái)數(shù)可采用2×50%，即兩臺(tái)半容量的主給水泵并列運(yùn)行，也可以采用1×100%的主給水泵，變頻調(diào)速的凝結(jié)水泵，降低廠用電和煤耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

二是改善主機(jī)和輔機(jī)運(yùn)行方式。啟停機(jī)期間輔機(jī)的運(yùn)行優(yōu)化措施，要采取有效手段來(lái)縮短啟停時(shí)間，降低機(jī)組能耗，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)及暖機(jī)期間停運(yùn)一臺(tái)真空泵運(yùn)行，適當(dāng)提高汽輪機(jī)的背壓，進(jìn)而有效提升汽輪機(jī)和暖機(jī)進(jìn)汽量和排汽溫度。

三是優(yōu)化廠區(qū)照明。遵循節(jié)能原則加強(qiáng)對(duì)火電廠照明情況管控，應(yīng)用綠色照明系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，可采用智能感光控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)照度的合理控制，達(dá)到良好節(jié)能效果[5]。

綜上所述，火電廠在社會(huì)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，節(jié)能降耗是當(dāng)下電力企業(yè)面臨的首要任務(wù)。在火電廠集控運(yùn)行節(jié)能降耗技術(shù)研究中，要立足我國(guó)火電廠實(shí)際情況制定相應(yīng)的節(jié)能減排策略，以技術(shù)優(yōu)化來(lái)真正推動(dòng)火電廠的節(jié)能降耗發(fā)展，從根本上解決火電廠集控系統(tǒng)能耗高的問(wèn)題。