火电厂汽轮机驱动给水泵节能研究

2023-12-15张麒

现代制造技术与装备 2023年9期

张麒

（国能（泉州）热电有限公司，泉州 362100）

在现代能源生产领域，火力发电厂扮演着重要角色，而汽轮机驱动给水泵是其关键组成部件。文章深入探讨汽轮机驱动给水泵的工作原理及其在节能降耗、灵活性和稳定性等方面的重要优势，通过案例分析和综合分析，以期提高汽轮机驱动给水泵能源利用效率，减少资源浪费。

1 火力发电厂汽轮机驱动给水泵的工作原理

火力发电厂通过锅炉燃烧产生的高温高压蒸汽包含大量热能，且这些蒸汽的压力和温度都高于给水泵的所需。在传统的电动机驱动方式中，蒸汽需要通过阀门等设备降压、降温，以满足给水泵的需求，但过程中会损失部分能量[1]。采用汽轮机驱动给水泵时，蒸汽被引入汽轮机，蒸汽的能量直接转化为机械能推动汽轮机旋转。汽轮机是一个关键组件，可以根据需求智能控制汽轮机主汽阀的开口大小，以调整进入系统的蒸汽速度，进而调整汽轮机转子的旋转速度，实现机械能直接转化为给水泵的流量。系统配备了智能调速系统，可以根据实际需求智能调整水泵的运行速度，确保供水的稳定性。这种智能控制系统使得汽轮机驱动给水泵能够灵活适应不同负荷状态和环境变化，以保证水压稳定和电力供应的可靠性。

2 汽轮机驱动给水泵的优点

2.1 节能降耗

汽轮机驱动给水泵在节能降耗方面性能卓越，核心优势在于高效的能源利用效率。汽轮机驱动给水泵以锅炉产生的高温高压蒸汽为动力源，将热能直接转化为机械能，能够显著减少能量损失，有效提高系统的能源利用效率。

传统电动机驱动给水泵需先将热能转化为电能，再用于驱动给水泵。这个转化过程不可避免地产生了电能到机械能的转化损耗，尤其在电动机的效率和电缆输电的阻力方面存在大量的能量损耗[2]。相比之下，汽轮机驱动给水泵将这个过程的能耗最小化，直接利用高温高压蒸汽驱动给水泵，避免了转化损耗。此外，汽轮机驱动给水泵具备智能调速系统，可以根据供水需求智能控制给水泵的运行速度。在不同负荷状态下，系统能够自动调整给水泵的运行，确保水压稳定，同时最大限度地降低电厂的运行成本。这种灵活性和自适应性使得汽轮机驱动给水泵能够充分满足电厂需求，进一步提高了电厂的综合用电效率。

2.2 灵活性和稳定性

汽轮机驱动给水泵具有卓越的灵活性和稳定性，能够自动适应不同负荷状态，确保水压稳定，同时减少长距离管道的压力损失，提升系统的可靠性。

汽轮机驱动给水泵的运行负荷范围较大，意味着可以在不同负荷状态下自动调整，确保水压稳定。无论是面临高负荷还是低负荷，汽轮机驱动给水泵都能够有效满足给水需求，不会出现供水不足或者过剩的情况。这种灵活性对于电厂应对负荷波动非常重要，能够在不同生产需求下实现高效稳定运行，减少能源浪费，降低生产成本。另外，直接连接的设计减少了长距离管道的压力损失，提升了系统的稳定性。传统的汽轮机驱动给水泵通常需要长距离的输水管道，会导致水压损失，增加系统运行的不稳定性。但是，汽轮机驱动给水泵能够将给水泵与汽轮机直接连接，减少了输送过程中的损耗。这不仅提高了水泵效率，还降低了设备故障风险，确保了电力供应的可靠性。这一特性对于电厂的连续运行至关重要，尤其是在面临突发情况时，能够稳定供应电力，保障电力系统安全运行。

3 汽轮机驱动给水泵的节能分析

3.1 热能直接转化

汽轮机驱动给水泵是现代火力发电厂的一项关键技术，节能特点在于热能的直接转化，为电厂实现高效的能源利用提供了强有力的支持。在火力发电厂中，燃料的燃烧产生大量的热能，其中一部分用于产生蒸汽，另一部分被充分利用以提高发电效率。

传统的汽轮机驱动给水泵存在一定的能量损失。热能先被转化为电能，再转化为机械能，过程中伴随有能量转化效率的损失[3]。而汽轮机驱动给水泵不同，通过将热能直接转化为机械能，大大降低了能量损失。

这种节能特点可以进一步通过调整汽轮机功率实现。因为汽轮机直接驱动给水泵，通过控制汽轮机的运行，可以智能调整给水泵的运行速度，以满足不同负荷的需求。这就意味着在负载较低时，可以降低给水泵的运行速度，减少能量消耗，而在负载增加时，可以相应提高给水泵的运行速度，确保足够的供水量。这种智能的控制方式可最大限度地提高给水泵的工作效率，实现节能目标。

3.2 自动控制系统

自动控制系统是汽轮机驱动给水泵的一大亮点，为节能提供了强大支持。在现代火力发电厂中，电力需求和供冷需求会随着外部环境和工作负载的变化不断波动[4]。在这种情况下，传统的给水泵可能无法满足精确的需求匹配，从而导致不必要的能量浪费。汽轮机驱动给水泵配备了智能调速系统，可以实时监测并响应外部环境条件的变化和电厂工作负载的波动，从而精确控制给水泵的运行速度。

自动控制系统的关键在于智能性，能够根据实际情况动态调整给水泵的运行速度，确保需求与能力的精确匹配。例如，在高温季节或高负载时，系统可以自动提高给水泵的运行速度，以满足更大的需求。而在低负载或气温较低的情况下，系统则可以自动降低给水泵的运行速度，避免不必要的能量浪费。这种自动控制系统的优势在于它不受外部环境变化的干扰，可以在不同的气候条件下和工作负载下持续高效运行，即电厂可以在各种情况下实现最佳的节能效果，不仅降低了能源消耗，还减少了对环境的不利影响。

3.3 减少管道损失

汽轮机驱动给水泵直接连接的特点为能源节约提供了支持，尤其是通过减少管道损失，可进一步减少能源浪费。

一方面，直接连接设计降低了管道的压力损失。传统的给水泵需要通过长距离的管道输送到达目标位置，而在输送过程中，由于管道摩擦、阻力和管道弯曲等，会产生能源损失。汽轮机驱动给水泵采用直接连接的设计，无须通过长距离的管道输送，减少了管道对能源的消耗，提高了工作效率。

另一方面，通过优化管道布局和维护，确保顺畅供应，进一步减少了能源浪费。在传统系统中，如果管道布局不合理或者管道未定期维护，容易出现管道堵塞、漏水等问题。这不仅易导致能源浪费，还可能对系统的可靠性造成威胁。汽轮机驱动给水泵采用直接连接方式，缩短了管道长度，降低了管道的复杂性，使得管道更易布局和维护，最大限度地减少了能源浪费。

3.4 数据分析和改进

数据分析和改进在汽轮机驱动给水泵的节能过程中具有重要作用。通过监控和分析系统运行数据，可以识别潜在的能源浪费问题，并采取相应的改进措施，不断优化系统性能，提高能源利用率，最终实现更高水平的节能[5]。

首先，监控系统运行数据是实现节能的第一步。现代汽轮机驱动给水泵通常配备了先进的监控装置，可以实时采集各种可反映系统运行状况的数据，包括温度、压力、流量等。通过对这些数据的持续监测和分析，可以及时发现异常情况，如能源浪费、效率下降等问题。其次，基于数据分析的改进措施是实现节能的关键。一旦发现潜在的能源浪费问题，可以采取一系列改进措施来解决。例如，根据数据分析结果，可以调整系统的运行参数，优化工作模式，以确保系统以最佳状态运行；采用先进的控制策略，如智能调度、能源管理系统等，进一步提高系统的能源利用效率。最后，这些数据分析和改进措施有助于减少电力资源浪费，提高电厂的综合效率。通过降低能源消耗，不仅可以降低电力生产成本，还有助于减少对有限能源资源的依赖，降低对环境的影响，实现可持续能源供应。

4 汽轮机驱动给水泵的耗能影响因素

火电厂汽轮机驱动给水泵的结构复杂，组成部件繁多，虽然具有较为突出的节能优势，但是实践中也有许多因素会对其耗能造成影响，使其能耗增加。影响其能耗的因素主要有两个方面。

一是工作人员的节能意识。人的主观意识往往会对生活生产产生巨大影响。在火电厂中，工作人员的主观节能意识是影响汽轮机驱动给水泵能耗的主要因素。这主要体现在火电厂部分工作人员的节能意识不强，对设备的损耗缺少足够关注，日常设备维护、维修和系统更新过程中未能够按照规定进行操作，从而导致汽轮机驱动给水泵的损耗增大。此外，现代汽轮机驱动给水泵的技术在不断更新，如果技术引进和更新不及时，无法有效降低设备能耗严重时可能会导致设备直接损耗报废。

二是硬件因素。汽轮机组硬件自身的运行参数，如汽轮机负荷率、排烟温度、再热温度、凝汽器排气温度等都会对其能耗产生较大影响。如果汽轮机负荷率过低，会导致机组运行效率下降，因为机组在低负荷状态下，蒸汽流量和压力都会发生变化，影响热能的转化和利用。如果排烟温度过高，会导致热量损失增加；如果排烟温度过低，说明机组存在结垢或腐蚀等问题，影响汽轮机的安全性和可靠性。可见，硬件因素是火电厂在对汽轮机驱动给水泵进行节能改造和维护过程中不能忽视的因素。

5 火力发电厂汽轮机驱动给水泵改造案例分析

在某电力发电企业中，采用汽轮机驱动给水泵取得了显著的节能效果和稳定性改进。该企业拥有4 台30 t·h-1循环流化床锅炉，需要5 台230 kW 电动能源给水泵为这4 台锅炉提供用水，以及2 台6 000 kW背压机组和2 台3 500 kW 背压供热机组满足用户的生产和生活用热需求。

首先，A 方案通过采用3 台200 kW 的电动给水泵和1 台200 kVA 进口变频器组合的方案实现对电动泵的改造。这种改造方式利用智能调速系统，可以根据实际需求智能控制水泵的运行速度，以匹配不同负荷，从而减少电厂用电量。这一方案虽然投资成本为30 万元，但是带来的节能效果十分显著，不仅降低了用电成本，还提高了系统稳定性，减少了供水过程中的压力波动，确保了电力供应的可靠性。

其次，B 方案通过采用3 台220 kW 的汽轮机驱动给水泵替换原来的电动给水泵，虽然需要对剩余的机组设备进行全部更新改造，加上设备安装费用，总投资成本为25 万元，但是实现了更大范围的运行和智能调速，确保了稳定性，适应了火力发电厂对负荷波动和环境变化的需求。

最后，C 方案采用2 台400 kW 的汽轮机驱动给水泵，整体改造成更加简化的机组运行方式，总投资20 万元。这一方案不仅降低了综合投资成本，还有效节约了电力资源，提高了电厂的综合效率。

经过研究和比较，该企业最终选择C 方案，即采用汽轮机驱动给水泵，以最小的投资成本实现节能目标。