火电厂中热能与动力工程优化改进分析

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 李善斌

1 引言

目前，火电厂中的热能与动力工程优化改进方向主要分为利用再热现象、减少湿气损失、调配实际工况、减少调压损失等。火电厂的发电装置是能源消耗量较大区域，各火电厂在供给城市所需电力时，应不断对现有的动力技术进行优化研究，以减少能源消耗为目标进行技术设计，贯彻落实国家可持续发展的基本原则。

2 火电厂动力工程现状分析

2.1 再热现象

对火电厂动力工程原理进行分析，动力装置主要通过煤炭燃烧产生的热能转化为机械能，供给发电机所需的电力，将机械能转化为人类赖以生存的电能。在动力工程运转过程中，部分能源在转化过程中会逐渐被消耗掉。考虑到运行过程中焓值始终处于比较低的状态，需要大量的煤炭资源作为动力供给。

目前，火电厂动力工程运行过程中普遍存在重热现象，也被称之为再热现象。再热现象产生的主要原因是动力工程在运行过程中，需要经过多个环节进行能源转化，如果在两个动力运行环节中，压力几乎保持一致，但前焓值参数比较后焓值参数而言，其数值比较小，可能会发生再热问题[1]。再热问题的产生是火电厂需要重点考虑的问题，其会增加火电厂动力工程运行的风险，并降低能源使用效率。具体而言，再热问题的危害主要表现在以下几个方面。

一是再热问题的产生会增加动力系统运行线路故障概率。火电厂通过电能设备的利用实现对能源的利用与保存，但由于电能的储存会产生一定量的损耗，导致利用效率有所降低。此时，如果发生比较严重的再热问题，电能的稳定性会逐渐丧失，使得原本的电力系统受到影响。二是火电厂对煤炭等资源进行燃烧处理使其产生热能过程中，需要将资源的热能进行搜集以及转化，该过程中煤炭等资源的燃烧效率对动力供给会产生一定程度的影响。在动力工程运行过程中，经常性出现煤炭资源燃烧不充分问题，使得资源的利用率降低，电能的转化率也比较低，动力工程为了供给日常生活所需的电能，会采用负荷负载的方式，使得机械设备产生一定程度的损坏。三是火电厂动力工程运行导致气压数值发生变化，在发电过程中，再热问题的产生会使得系统内部气压的稳定性有所丧失，如不对其进行控制，则会在发电过程中出现电能稳定性降低、电能损失严重问题，使得发电效果无法满足实际要求。

2.2 湿气损失

湿气损失也是火电厂系统运行中较为常见的问题，蒸汽机设备在运行过程中会同时产生热量和蒸汽，在空间内会产生相应的膨胀反应，并在与空气接触后出现冷凝反应，使得动力工程产生的热量无法有效使用，产生一定程度的热量损失。如因湿气的产生导致能量受损、效益降低，同时会影响到内部蒸汽的质量，使得系统的能源利用效率有所降低。

湿气损失现象的问题主要是系统运行过程中，档口的蒸发器会受能量的影响导致其出现能源运动现象，如果蒸汽的运动比系统内水滴的运动量大时，两者会附着在一起，使得系统运行的负担有所增加，导致部分产生的能量被水滴吞噬。该问题产生不仅仅会导致系统的运行效率有所降低，能源消耗量增加，也会影响到动力系统运行过程中的气压管道质量。

2.3 节流调节

关于火电厂节流问题的研究和分析是指火电厂在运行过程中，如果遇到异常能量转化问题，则采用节流调节可以维系整个动力工程系统运行的稳定性，实现能源的负载平衡。节流问题是指火电厂的热能转化过程中，如果设备出现异常状态，会导致能量的损耗效率有所增加，使得火电厂的经济效益、能源效益降低。

针对火电厂动力工程中容量较小的设备，可以实现对机械运行的调节，使得机械整体运行状态比较良好。如若在动力系统运行过程中，进行节流调节，会导致机械负荷数值发生改变，轴承会因此而受到影响，运行速度也会有所降低，使得实际功率与额定功率达不到应有的标准，使得系统质量有所降低。因此，节流调节对于动力系统的作用有利有弊，需要进一步对其进行改进优化，规避问题。

3 火电厂动力工程优化改进措施

火电厂在对热能以及动力工程进行改进优化过程中，需要制定科学合理的方案，结合火电厂的实际能源消耗情况，对其进行改造，通过热系数的计算，找到对应的方法进行改进，可以提高火电厂热能动力系统的运行效率，具体措施如下。

3.1 蒸汽参数优化

目前，针对动力机组中因复杂的汽轮机组运行而导致的热能损失问题，可以将损失的热量进行重新应用，将其应用到下一层次之中，可以利用残余能量继续供给动力系统所需的能量。在机械运行的过程中对误差选值进行计算以及把握，并对动力系统运行过程中的误差值进行疏导，减少对机械产生的影响是比较有效的方法。然而，在实际动力系统操作过程中，能量损失是物理学中必要的结果，是机械运行的客观规律，其在系统之中的影响关系并未绝对性，减少能量消耗是比较常见的手段，但该问题目前仍无法完全规避[2]。

例如，某火力发电厂采用提高蒸汽初参数的方式提高系统运行的热效率，降低再热现象的能量损失。汽轮机发电机组的热耗率大致在800kJ/kWh，根据蒸汽朗肯循环参数的分析，对影响热效率的因素进行判断。冷源、热源的温度差是影响热效率的主要问题，通过提高蒸汽参数、降低排汽温度的手段，可以提高系统的热效率参数，排汽温度的计算公式如下：

公式中的△t表示冷却水温升高系数，H表示最终的排汽温度，θt是设备系统的传热端差，t1则表示系统运行时的进水温度。

目前，汽轮机蒸汽的初参数为565℃，汽温的提升需要投入大量的成本，而采用提高进汽压力，降低蒸汽终参数的改进方式，可以提高效率的同时，减少能源消耗，该措施与之匹配的方法是再热循环系统。蒸汽初压对朗肯循环热效率会产生一定程度影响，出口干度在0.85左右，循环效率提升，具体循环热效率如图1所示。

图1 蒸汽初温对循环热效率影响图

图1中，t1表示进水温度，P1表示初压、P2表示终压，S表示时间，T表示循环效率。由图1可知，设备处于极限压力状态下，通过提高蒸汽初压的方式，可以有效提高动力系统的循环效率，再热系数得以有效利用。如保持终压、初压恒定，则通过提高初温度，可以提高系统的循环效率。

除采取提高初压参数的方式进行优化，也可以采用降低终参数的方式提高系统的运行效率。通过对公式（1）的分析，结合图1中的变化规律，排气温度应高于冷却水的进水问题，采用降低排气压力的方式提高循环效率，但会受冷却水进水问题的影响。在循环热系数利用系统应用过程中，出水与进水的合理温升应控制在10℃，传热端差为8℃。

3.2 减少湿气损失改进措施

减少湿气损失是保障动力系统供给电量稳定的关键，空气温差会导致蒸汽凝结，使得设备受损，降低湿气损失可以提高动力系统的热效率。采用蒸汽循环的方式，必然会产生湿气损失，通过系统的优化设计，主要作用是减少湿气损失，降低能源消耗。中间再热循环系统对于降低湿气损失而言有着积极的作用，相关人员可以通过引入中间再热循环系统的方式，实现对湿气损失的科学控制。

通常情况下，高压缸内已经经过膨胀的温度，其压力大致为主汽压力的20%左右，引出蒸汽将其回流至再热器内进行继续加热、膨胀，可以起到降低排汽湿度的作用。由于进汽过程中温度会受到动力系统材料的影响，金属材料会对进汽压力产生一定的限制，但通过控制进汽温度的方式，并使用中间再热系统，可以有效提高系统的热效率5%以上甚至更高，中间加热的方式可以进一步优化其效率，可以再次提高2%甚至更高，中间再热系统的改进优化使用比较复杂。具体结构如图2所示。

图2 中间再循环系统运行结构图

根据图2结构建立中间再循环系统，对湿度的影响因素进行细致分析。考虑到蒸汽中间再热循环会对动力系统内效率产生一定程度的影响，对上述结构进行应用，分析其具体的应用效果。蒸汽中间加热方法的应用，末级的蒸汽湿度有所降低，降低率达到5%以上，说明该系统下的湿气损失率有所降低。对该表象下的动力系统的运行效率进行分析，中间再热使得内效率得以提升。

因此，在对动力工程进行改进优化的过程中，采用上述方法进行效率提升的同时，也要对蒸汽中间的再热参数进行优化调整，以热效率提升为目标进行改进。再热后蒸汽功率下的焓值降低后增加，如果时刻保持功率不变，给水量和能耗量也会一定程度减少。但如果抽气机存在过热反应，则抽汽量仍然会受到影响。即使使用再热循环系统，采用削弱回热以及加热的方式进行改进优化，其经济效果也会有所增加。

3.3 提高节流功能改进措施

火电厂节流调节以科学化的调节方式减少节流损耗，计算各级焓值、差值等，对流量进行实时监控，并对汽轮机设备的实际作业状态进行明确，以改善设备的实际需要。为减少动力系统超负荷的情况出现，通过节流调压的方式确保其运行的稳定性，并使用贡献有的技术进行改善。

以某火电厂为例，其在动力系统运行中应用联合动力装置，实现对循环质量的优化，将高温循环排汽作为低温循环的热源，同时使用燃气、蒸汽形式进行联合装置的构建，以实现动力系统的科学优化。使用联动动力装置，热力参数、单机容量均得到保障，动力系统运行的热效率可以得到保障，排汽温度在500℃，每秒的排气量达到300kg以上，将排气能量作为给水装置，有效提高了系统的供电效率，减少了能源的消耗量。使用联合动力装置，动力系统的节流功能得以优化，且在单机容量较高的情况下极少出现负荷负载的情况，减少了节流调节对设备的损坏。

使用热电联供循环系统进行自动节流调节也是当下比较流行且有效的方法。热电联循环系统的应用将一部分蒸汽抽出，供给用户所需的热量，有效提高了蒸汽凝结热的效率，其热效率从原本的35%左右，理论上最高功率运行下热效率可以提升至90%左右。热电联循环系统比较单纯火力系统给发电而言能耗更低，节能收益更高。因此，火电厂在对系统进行优化改造的过程中，通过热力循环系统的引入以及应用，可以提高再热现象产生时的能源利用效率，通过热电联产以及联合循环的方式，实现对动力系统的节流调节，使用新型的动力循环形式，达到降低能源消耗，提高能源利用效率的两大目标，进而提高火电厂的经济效益。

综上所述，火电厂目前正从传统动力能源消耗上进行改进优化，以提高性能、减少能耗为目标的动力工程优化，解决目前火电厂存在的热能转化率供给较低问题。火电厂的动力工程优化主要基于现有的动力设备进行，通过设备管理、设备调节、结构优化、节流调节等手段，实现对动力工程能源消耗方面以及运行效率方面的改进优化。火电厂中的热能与工程优化仍处于研究阶段，随着能源技术、工业技术的不断发展，其效率、节能效果将会越来越好。