火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能分析

2022-02-22陈义忠

今日自动化 2022年11期

陈义忠，陈乾

（内蒙古能源发电杭锦发电有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017400）

1 研究背景

当前，在火力发电厂的节能减排建设中，合理地利用了发电过程中锅炉出口处的蒸汽。将蒸汽通过汽轮机驱动再引入，借助蒸汽做功发电后排出，由冷凝器进行冷凝处理，通过热力除氧器，再次进入锅炉当中，实现其循环利用的效果。由于锅炉出口的蒸汽压力和温度高于热力除氧器所需的压力和温度，如果缺少由汽轮机驱动的给水泵，锅炉出口的蒸汽达不到进入热力除氧器的标准，容易造成蒸汽中能量的损耗。汽轮机驱动给水泵的节能优化，主要是将锅炉出口蒸汽引入汽轮机，蒸汽通过热力除氧器避免其能量损失，实现火力发电蒸汽的梯能利用。汽轮机驱动给水泵的节能运用，能够让火电厂充分利用锅炉的连续供热，从而达到节能和降低能耗的目的，同时根据外部环境的变化来控制系统的运行速度。因此，现阶段针对汽轮机驱动给水泵的性能优势特点，对其节能实效进行深入研究，有助于减少火力发电厂热能转换到电能过程中的能量损耗，提升发电厂的能源利用效益[1]。

2 研究现状

在火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能研究中，大部分企业对于性能进行了优化，形成了一整套的冷却调速控制系统。但是，我国的相关研究与发达国家发电厂的一体化集成技术之间尚存在一些差距，因此需要加强汽轮机驱动给水泵节能相关层面的创新，并且，一体化集成能够优化设备的操作与安装工序，其具备安装便捷、体积小、性能强等特点。因此，为了提升火力发电厂的经济效益，就必须全面提升电厂设备的运行效率，通过加强汽轮机驱动给水泵节能相关研究，解决实际经营过程中的能源利用问题，为我国火力发电领域的发展提供保障。

3 火力发电厂汽轮机驱动给水泵

3.1 汽轮机驱动给水泵应用背景

火力发电厂以往使用电动机给水泵进行作业，而在科技改革的趋势下，汽轮机替代电机，不仅可以减少能源转换环节的损耗，提高整体的能源利用效率，而且汽轮机能够优化驱动控制，实现了更高程度的动态管控，提升了驱动控制精度和效率。在火力发电厂的节能减排政策下，加强节能减排相关技术的运用，不仅可以优化生产供应需求，也能够提升火力发电厂的实际效益。因此在汽轮机驱动给水泵的节能优化上，对现阶段的驱动给水泵提出了高要求。

3.2 汽轮机驱动给水泵性能优势

火电厂机组容量近年来一直在上升，导致整体供水和汽轮机内压力的增加。如果采用以往的逆向电机驱动给水泵，其供水不稳定，且安全系数下降，无法满足现有的供水和压力需求。同时，电机驱动给水泵将锅炉燃烧热量转化为电能，再转化为机械能。其运行模式只是速度模式，依靠传统的阀门控制调节水压和流量大小，但其存在节流损失缺陷，一旦机组功率压力整体上升，电机控制设备负荷将大大增加，导致进一步增加了电厂的生产成本。汽轮机驱动给水泵通过蒸汽进水口直接控制蒸汽泵的压力，最大限度地降低能量损失，提高生产效率。

3.3 汽轮机驱动更新优势

火力发电厂汽轮机的驱动方式运行功率限制较小，可满足给水泵机组的运行功率要求。当火电厂锅炉在低负荷下运行时，可自动调整和控制汽轮机的转速，以减少对水阀造成的损失。并且给水泵和汽轮机直接连接在一起，减少了长管道的能量损失。而能量转换过程采用最直接的过程，可以有效地提高汽轮机的运行效率和能源效率。给水泵的抽水是通过核心汽轮机机组的工作进行的，可以有效地减少火力发电厂冷却阶段能量的损失，提高整个机组的热能经济性和能源利用率。由于汽轮机驱动具备高灵活性，即当汽轮机运行时，设备的整体运行功率限制很小，设备能更好地满足运行中的大功率机组给水泵的正常运行需要。

4 火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能策略

4.1 火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能改造要点

在火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能优化上，需要根据其特性进行节能改造。在汽轮机抽取给水泵注入水的时候，汽机设备的功率可以自动控制和调整，以确保给水泵的驱动在额定功率范围内。在火力发电厂汽轮机的运行过程中，泵内水进入锅炉，然后加热锅炉，水蒸发成水蒸汽。同时，汽轮机自动控制运行功率，速度控制系统控制泵流量的输入速度，不仅保证锅炉水的加热，而且最大限度地利用热能。

4.2 汽轮机驱动模式

在火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能优化上，需要重视不同的驱动方法。针对不同的驱动方式下，实际的能源消耗分析，电力驱动下，给水泵的实际功能是将热能通过进—步的加工处理，转化为电能，然后再将电能通过特定的方法转化为机械能。电动给水泵是利用工频电机进行工作，如果利用变频方式的话，给水泵也可以很好地完成这一转化目标，其中频率的变化可以在满足用户用量需求的同时，降低能量转换过程中的损失。而利用汽轮机驱动给水泵时，主要是蒸汽能源的转化，只需要将热能转换为机械能，减少了转换过程，从而可以更好地控制水泵的压力。从实际的生产和运行原理中也可以看出，汽轮机驱动给水泵的能源控制与能源转化是最直接的能源控制方式。

4.3 具体节能改造方法

在火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能优化上，需要针对实际的需求来制定符合标准的节能改造方法。利用专业的机械知识，结合实际生产运行特点，开发相应的改造标准。从经济效益和具体分析，虽然由于整个机组运行方式的改变，需要更换其他机械设备，这将产生巨大的投资成本，但改造后结合具体的运行情况，整个火电厂的经济效益将得到提高。对整个机组改造后，汽轮机通过调速驱动给水泵，大大提高了给水泵的运行效率。文中以230 MW 机组给水泵为例，通过对变频改造前后的电流、负荷以及给水压力进行试验，其数据如表1所示。

表1 汽轮机给水泵负荷变化数据

此外，在该驱动模式下，水泵提供的水量大于锅炉的实际用水量，这大大提高了锅炉的工作效率。在电机被汽轮机取代后，火力发电厂每年将大大减少工作用电，从而节省了大量的电费，提高了工厂的经济效益。其中，火力发电厂汽轮机驱动给水泵的变频节能改造效果明显。以往异步电机电流大，容易产生工作过电压，损坏电机绝缘。使用变频器后，电机启动，可以延长电机的使用寿命，减少工作噪音，减少磨损，电气系统得到了有效的保护，并延长了给水系统的使用寿命，并且给水泵的变频技术成本低、运行快速、稳定，是节能减排的良好途径，值得推广。

4.4 汽轮机整体节能优化

在火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能上，需要重视整体节能性能的优化，以此实现汽轮机运行节能的最优化。汽轮机能耗涉及到汽轮机本身、喷嘴室和外缸易变形，如低压缸出口水腐蚀现象也很严重，阀压力损失、热系统泄漏现象，汽轮机机组运行调整上没有选择有效的优化运行方式，将导致冷凝器与冷却水模块增加能耗，从而增加了火电厂的成本。

其中，在汽轮机凝汽器的优化上，冷凝器需要保持清洁。冷凝器的铜管容易结垢，冷凝器结垢会严重影响冷凝器的传热效率，从而影响涡轮机组的热经济。冷凝器内结垢的形成将大大降低冷凝器的真空效应，由于结垢的导热系数较差，因此大大降低了冷凝器的传热效率。适当提高给水温度，因为当温度下降到一定程度时，会增加煤的消耗，不仅降低了锅炉的生产效率，而且产生大量的烟雾，对空气环境造成一定的污染。在此基础上，可以适当地提高给水的温度来解决这一问题，并定期清洁管道，以减少污垢部位的热差和温差应力。

同样，为了有效地提高冷凝器的热效率，可以采取有效的措施来降低冷凝器的热负荷。同时，可以在冷凝器喉部增加一种装置，一种方法是在冷凝器喉嘴处增加一组雾化喷嘴，借助接触式传热作用，可以有效吸收一定量的冷凝器冷凝热，这使得一些补充脱盐水在冷凝器中产生混合冷凝，从表面可以有效减少表面型冷凝器的热负荷，然后使冷凝器处于良好的真空状态；另一种方法是在冷凝器上部与排气缸喉部之间的空间中增加一个表面加热器，并将该加热器的入口连接到工业水系统，输出到化学供水系统，然后实现原水的加热操作，以此实现火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能改造方案的优化。

5 实例分析

5.1 节能实施情况

在对火力发电厂汽轮机驱动给水泵的节能研究上，需要结合相关的实例进行分析。在现有的研究上，火力发电厂汽轮机驱动给水泵主要利用供汽主管来提供稳定的蒸汽，在实际的改造上，需要结合节能改造技术来进行，从而保障企业的经济效益与社会效益。文中主要以某火力发电厂的4台30 t/h 的循环流化床锅炉提供用水，通过5台230 kW 的电动能源驱动给水泵进行分析，同时对使用的汽轮机组进行节能分析。通过选取2台6000 kW 的背压机组和2台3500 kW 的背压供热机组来满足实际的热能需求。通过上述方法进行汽轮机驱动给水泵改造上，相对于以往节能实效能够达到20%。但是这组电动给水泵是由工频电机间接驱动的，因此不能改变给水泵的实际转速。

5.2 相关参数的优化

由于工业汽轮机进口参数波动的影响，变速调节可以节省给水泵的功率，负荷越低，节能效果越大。由于汽轮机的效率高于电动机，需要关闭出口阀来调整流量，导致水泵的节流损失。额定工况下，汽机和给水泵效率为70%，汽机泵组总效率降低仅为5%，变速运行时汽机泵组效率降低较小。当加热负荷降低时，很难保证管道内供水压力的稳定。企业应进行设备的节能改造，尽可能延长设备的使用寿命，达到降低综合电厂电力效率的目的。

5.3 设备的改造方案

企业设备的节能改造，综合因素。制定合理的经济测量标准，如综合经济效益分析，第一方案使用2个200 kW 的电动给水泵和一个200kW 的进口变频器进行节能组合，通过控制频率调整锅炉供水和速度，进一步降低电厂用电消耗。这一方案的改造预算投资成本为32万元左右。第二种方案是用3个220 kW 的汽轮机驱动给水泵来替换以往的电动驱动给水泵。由于机组整体运行方式的差异，其余所有机组设备都需要进行更新和改造。此外，再加上在改造过程中对设备的安装成本，该方案的预算投资成本为25万元左右。第三种方案是简化机组的运行方式的节能模式，虽然能够对综合投资成本进行节省，但是在整体性能上，仍然需要2台400 kW 的汽轮机驱动给水泵进行组合，该预算投资成本为20万上下。因此在火力发电企业的设备优化上，需要根据实际的预算与需求来制定相应的节能改造方案。