基于量化热能需求的热力系统精益化管理方案

2020-07-01段宗强

上海电力大学学报 2020年3期

段宗强

(淮南矿业集团发电有限责任公司潘三电厂, 安徽淮南 232087)

近年来,在中美贸易摩擦、COVID-19疫情的冲击下,我国的经济形势持续发生变化。这要求为经济发展提供基础动力的火力发电企业,主动面对新的挑战。本文从专业管理的角度出发,深入挖掘能效、提高经营效率,从技术管理中求发展,以期为火力发电企业的精益化管理探索新的思路。火力发电厂以各种形态的水的热交换为主要动力来源,形成多个热力子系统。如果能够提升热力系统的效率,即可进一步提升全厂的热力系统效率,降低全厂能耗水平,达到节能增效的目的。

本文以潘三电厂工业水系统的热能分析为例,量化热力系统需求,按照按需分配的原则,优化其热力系统的动力设备,达到系统的安全稳定运行,并起到节能增效的效果。此分析方法具有普遍性,可以推广到所有类似的应用场所。所有复杂工况下的热交换相关应用均可借鉴该理论计算配合实践数据支撑的论证方法。

该电厂初建时是根据经典算法和理论参数范围进行全面设计的。在电厂实际运行中,需关注环境变化造成的复杂工况变化,及由此可能给运行造成的重大影响。环境变化主要体现在温度和压力方面[1],特别是在高温环境中,外界因素的变化量超过10%后将成为难以忽略的影响因素[2-3]。

热力系统的热交换效率主要由热交换器上表面层冷却水流的表面温度[4]、流量、温度、流量密度4个因素决定。其中,表面温度是由热负荷设备本身及一次侧工况决定的,暂不纳入本次研究范围。本文将从冷却水的流量、温度、密度3个方面进行研究。

1 量化系统需求

1.1 工业水系统的热负荷设计要求

根据原始设计方案,潘三电厂的工业水系统为以下热负荷提供冷却水,具体需求量为:12台送引风机,设计规范用水量300 t/h;5台空压机,设计规范用水量100 t/h;4台循环水泵,设计规范用水量40 t/h;2台15 m水汽取样装置,设计规范用水量20 t/h。工业水系统理论总用水量为460 t/h,冷却水压力要求在0.03～0.09 MPa,热负荷均为直接接触式。

1.2 工业水系统的热负荷运行需求

潘三电厂地处淮河中下游,气候四季分明,气象局统计的四季气温数据如表1所示[4]。工业水系统为开式水系统,入口压力约为101.325 kPa,系统的入口温度即环境温度接近于冷却水一次侧温度(强制循环造成的温升低于1 K,可忽略不计)。工业水泵提供的强制循环压力远大于101.325 kPa,因此系统入口压力的波动对工况的影响有限[1]。但系统入口温度的变化会造成冷却水一次侧温度发生明显变化,变化幅值为29 K(从平均最低3 ℃至平均最高32 ℃)。当热交换的一次侧温度较低时,同等热交换量需要的一次流量也会降低,所以由系统热交换量决定的冷却水流量明显受到季节的影响。

表1 淮南地区四季的日均气温单位:℃

通过查阅运行记录和DCS的实际运行参数,全面掌握工业水系统对冷却水流量和压力的实际需求。因该厂DCS系统覆盖时间较晚,且数据记录保存时间为半年,因此本文仅截取2019年11月10日至2020年1月3日(覆盖冬季数据)的DCS数据趋势记录,如图1所示。由图1可以看出,工业水系统的运行工况相对稳定。其中,曲线1为冷却水流量,夏秋季在400 m3/h附近波动,进入11月后的冬季在270～300 m3/h波动,该流量变化状态与淮南市的气温记录一致。曲线2为工业水系统的母管压力,稳定在0.3～0.4 MPa,这说明系统的管道阻力稳定,工况可以维持在正常运行水平。曲线3为工业水泵电流,与冷却水流量成正比例关系波动,当冷却水流量为400 m3/h时,电流为116 A;当流量为300 m3/h时,电流约为80 A。

图1 2019年11月10日至2020年1月3日的DCS数据记录

2019年12月13日和2020年1月3日工业水系统切泵检修,3#泵暂时停运并切换到1#泵运行,相应的电流数据波动属于非正常运行记录,需排除。同时可以看到,切泵后的压力和流量经历小幅波动后,进入稳定水平。另外,就地记录的系统末端压力在0.22 MPa附近小幅波动。

由运行数据得出,工业水系统存在两个季节性工况区间,分别为:工况1,流量为400 m3/h,电流为116 A;工况2,流量为280～300 m3/h,电流为80 A。运行数据的变化与根据环境温度分析出的热负荷变化趋势一致,冷却水需求量的变化呈现出明显的季节性。

系统的原始设计忽略了环境温度变化带来的影响,设计数据与实际运行数据的偏差主要体现在环境变化引起的冷却水温度、温差和密度的变化,并且该变化对工业水系统热交换效果造成了影响。因此,本文将以实际运行数据为基准,研究不同冷却水条件下的系统优化方案。

1.3 理论计算验证热交换量

以直接接触式热交换器生产厂商提供的热交换量作为计算依据,工业水系统中热负荷的热交换能力的计算公式[4-5]为

Q=KFΔTm

式中:Q——热交换量;

K——比容传热系数;

F——冷端的有效传热面积;

ΔTm——对数平均温差。

逆流时

ΔT1=T1-t2

ΔT2=T2-t1

式中:T1,T2——热端进口和出口温度,℃;

t1,t2——冷端进口和出口温度,℃。

在目前的工业水系统环境中,两个季节性工况区间内,冷端的有效传热面积保持不变;比容传热系数与介质密度正相关。以对运行安全最关键的夏秋季负荷为基准,根据夏秋季和冬春季的热负荷比例关系,推导出冬春季的负荷需求。

Q夏秋∶Q冬春=K夏秋ΔTm夏秋∶K冬春ΔTm冬春

取换热器热端进口平均温度为80 ℃,夏秋季热端出口温度为40 ℃,冬春季热端出口温度为25 ℃。夏秋季冷端出口温度为35 ℃,冷端进口温度30 ℃;冬春季冷端出口温度15 ℃,冷端进口温度10 ℃。计算得出,夏秋季ΔTm=(45-10)/ln(45/10)=23.27;冬春季ΔTm=(65-15)/ln(65/15)=34.1,两者的比值为23.27/34.1=0.682 4。

比容传热系数K值与介质密度正相关。在101.325 kPa下,35 ℃时,水的密度为0.994 g/cm3;15 ℃时,水的密度为0.999 32 g/cm3。在运行压力环境下,假设水的密度在35 ℃和15 ℃时的比例关系与在101.325 kPa下的密度比值一致。由此推算,工业水系统在夏秋季的热交换量需求与冬春季的需求比约为0.68。冷却水流量需求与热交换量需求呈正比例关系,取夏秋季冷却水平均流量为400 m3/h,则推算出冬春季工业水系统对冷却水流量的需求约为273 m3/h。这一理论计算数据与运行数据280～300 m3/h接近,说明了理论计算的有效性,同时验证了运行数据的合理性。

2 改造方案

2.1 系统描述

潘三电厂工业水系统共有3台工业水循环泵,系统原理如图2所示。

图2 工业水系统原理示意

由图2可以看出,系统从开式水箱中取水,通过工业水循环泵加压后,汇集至母管并连接至各热负荷单元,经过热交换后汇集至回水母管,回流至开式水箱。工业水管网系统中配有若干蝶阀、截止阀和调节阀,用于调整流量、配合运行方式等。水泵设计参数的额定流量为270 m3/h,原始设计采用两用一备的运行方式,2008年改为单泵运行。

2.2 改造方案及运行方式

优化改造方案将针对两个季节性工况区间的不同条件,提出动力要求,并分解能耗需求。

1#泵和3#泵根据夏秋季高负荷区间的要求设计,最佳效率区间为380～400 m3/h;2#泵根据冬春季低负荷区间的要求设计,最佳效率区间为270～300 m3/h;系统末端压力大于0.15 MPa,以确保系统的安全裕量。根据调节阀开度(80%～100%)和管道系统最高效率区间,确定管道性能曲线[6-7]。

系统运行方式设计如下:在夏秋季或流量需求大于330 m3/h时,启动针对高负荷设计的1#泵或3#泵(互为备用);在极端高温天气,冷却水流量巨大时,同时开启1#泵和3#泵,通过双泵运行提高系统的供水能力。进入冬春季或流量需求小于330 m3/h时,启动针对低负荷设计的2#泵。通过对动力设备的调整,并根据负荷变化改变运行方式,实现了工业水系统的经济化运行[8]。

3 改造效果统计

按照前文中所述,潘三电厂的工业水系统进行了改造和试运转。与未改造前的运行数据相比,系统在夏秋季负荷水平下节能比例约为20%;在冬春季负荷水平下的节能比例超过30%。

工业水泵的部分实际运行数据如表2所示。

表2 水泵的部分实际运行数据统计

2020年1月1日,从未改造的1#泵和3#泵分别切换至改造后的2#泵。工业水末端压力为0.2 MPa,满足系统安全裕量的需求。2#泵单独运转带来的流量数据满足冬春季冷却水流量的需求。从未改造设备切换到改造设备后,运行电流从108.31 A降低到79.80 A,或者从111.88 A降低到76.20 A,节能效果明显。

通过现场数据的验证,说明通过量化热能需求实现热力系统的节能优化是可行的,而且节能效果非常明显。建立在热能需求分析基础上的设备优化,通过3台工业水泵的组合运行,全年实现了更灵活、更高效的系统运行方式。