超临界空冷火力发电机组能耗诊断与节能潜力评估分析

超临界空冷火力发电机组能耗诊断与节能潜力评估分析

马胜良

新疆阿拉尔盛源热电有限责任公司   843300

摘要：进入“十四五”发展阶段后，国家对于精细化、可持续发展给予了更多重视，并重申、强调了节能重要性，以碳排放指标为依托制定了长远的减排规划，作为该项政策的重点攻坚对象，火力发电主体有必要积极践行社会责任，实现保量提质。本文聚焦省内某电厂运行实际，对其设备、机组能耗情况进行系统诊断，并在此基础上进一步设计了节能方案，评估了其节能潜力。

关键词：超临界空冷机组；能耗诊断；节能评估

前言：近年来我国发电装机容量持续上升，电网系统智能化、大规模的趋势十分明朗，电力产业作为能源供应主导的地位逐渐稳定，发展态势、前景较为可观。然而，受新能源技术的限制，当前我国火力发电仍占据绝对优势，燃煤、工业用水等消耗量极大，排放的CO₂、SO₂等气体，一度接近全国总排量的50%，给节能减排事业带来极大阻碍，有必要对其能耗问题进行深入分析、诊断。

1锅炉侧主要能耗指标分析

作为发电系统中关键的能源转化设备，锅炉本身运行效率、使用燃煤质量均会对其节能效果产生较大影响，燃煤质量低，不仅会造成平均供电煤耗的上升，还会增大废弃、废渣产量，在本文选取的火力电厂案例中，收到基碳、氢等项目的热力试验值基本在规定范围之内，因此重点关注锅炉性能情况。研究中，锅炉实际给水温度平均为258摄氏度，而飞灰可燃物含量大致为2.48%，排烟热损失为4.76%，炉渣可燃物含量为1.42%，其他参数表现较好，均未超过1%。

2汽轮机侧主要能耗指标分析

2.1回热加热器运行效果分析

在超临界空冷火力发电机组中，回热加热器有着关键的平衡、辅助作用，若抽气流量出现波动，偏离设计参数时，其可初步分析、估算故障部位，应用时还要重点关注传热端差情况，保证其在参数范围之内，若端差出现异常，则要及时检查传热管有无结垢问题，疏水位是否正常。在THA工况中，各加热器上端差应当为-1.7至2.8℃，对实际运行工况进行检测后发现，参数基本在此区间之内，下端差偏离也不明显，因此对机组热耗率的制约并不明显。

2.2各级效率及缸效率性能探究

热力试验工况环境较为特殊，焓值计算时，很难保证湿蒸汽区的准确性，这给低压缸末级性能分析带来一定难度，当其进入排汽环节后，蒸汽状态、流通能力均无法判断，因此可以借助热力学定律，对低压缸内效率进行计算，即以汽轮机轴封门杆漏气热量、发电机轴功率等为要素，计算出汽轮机输入热量总值，再用其减去输出热量，即可得到排入凝汽器的热值，结果发现，相比于设计工况，系统从进汽至一抽，一抽至二抽等的各个环节中，效率均呈现下降趋势，高、低缸能耗影响最大，中压缸影响并不显著。

2.3中轴封漏气对功率的影响

在所选电厂案例中，主要采用齿型汽封，轴端则应用自密封方案，时间运行中，高、中压汽封漏气，完成对气压缸的汽封，冗余出来的蒸汽，则直接运送至凝汽器进行冷却，针对运行过程中可能出现的封汽不足问题，还设置了再热冷段进行补充。对各类漏气量进行热力试验后发现，各类数值基本在设计标准范围内，但中轴封漏气量却高达74.15t/h，与标准的29.65t/h相差较远，过大的漏气量之下，机组做功、功率等均会受到较大影响。

3空冷凝汽器主要能耗指标分析

在该电厂凝气系统中，主要采用了直接空冷模式，抽真空系统、空冷散热器等是其主要结构，风机直径大约为9.674m，运转时速度为66r/min。在遇到外界环境炎热、工作温度较高的状况时，整个机组背压会相对升高，一度超过30kPa，不仅影响节能效用，还会制约其安全性能，因此实践运行中，时常需要喷水降温，增加了换热部位结垢的风险机率。对背压进行调整试验后还发现，其每下降1kPa时，发电煤耗也会发生对象下降，降幅大约为0.998g/kWh，这说明在炎热天气中，控制背压可以较好地实现节能目标。

4超临界空冷火力发电机组节能路径及潜力评估

4.1烟气余热利用改造方式

在发电站节能减排方案中，余热利用系统是常用手段，通常设置于锅炉尾部烟道，在换热器的帮助下，对烟气剩余热量进行二次利用，其整体结构可见图1。在该系统中，锅炉尾部被划分成2部分，分别命名为主烟道、旁路烟道，前者管路中装配有空气预热器^[1]，可以提升冷空气温度，减少额外热量损耗；后者烟道中，设置了高、低温烟水换热器，工业用水、凝结水经过时，可以被提前加热，从而优化汽轮机抽气性能，达到减少能耗的最终目的。改造结束后，在THA工况下对回热系统进行热力试验，结果发现排烟温度可降至90至100℃，与原先的127℃形成鲜明对比，在排挤抽气方面效果显著，每秒可达8至12千克kg，平均煤耗降低1.34g/kWh。

图1 锅炉余热利用系统结构示意图

4.2高中压缸中间轴漏气量优化方式

中间轴漏气量对缸运行效率影响较大，针对现阶段漏气量过大、能源浪费的问题，首先可以对齿型汽封进行更换，使之与运行实际更加贴合，布莱登汽封就是不错的选择，它具有可调节、可伸缩的特性，能够满足叶顶间隙的优化需求，蜂窝也能有效压缩径向间隙值，提升机械经济性能。其次可以对轴封间隙进行人工调整，这种方式见效较快，也不会产生较多费用，操作时应当并行调整隔板汽封，但要注意操作技术的控制，防止产生异常振动。

4.3机组背压变化应对方式

当外界温度较高时，直接空气冷凝器的运行效率会在一定程度上受到限制，导致换热温差下降，背压显著膨胀，从而导致机组出力受限，无法满足夏季高用电量需求^[2]。因此在优化改造中，主要引入了干式冷却系统，在高背压条件下，对低压缸排汽进行分流冷却，以降低整体背压。综合各种因素考虑，最终采用了立式三角形空冷凝汽器，将管束立于平台之上，中间呈现一定的夹角，从而提升系统稳固性，其三维模型图可见图2，同时加装钢板进行密封，防止背面漏风情况。经热力试验后发现，该系统可分流20%左右的排气，机组背压在此条件下明显降低，平均为8kPa，机组出力大为改善。

图2 立式三角形凝汽器三维立体模型图

结论：综上所述，伴随市场经济的繁荣、开放，能源耗竭、生态污染等问题日趋严峻，已经逐渐成为了不可逃避的时代性、世界性话题，作为重要能源消耗主体，火电厂有义务履行社会责任，通过烟气余热则利用、优化中间轴漏气量等方式，对超临近空冷机组系统进行改造，同时结合夏季高温环境下，机组背压变化情况，设计尖峰冷却器进行控制，全面提升火电厂机组降耗性能。

参考文献：

[1]薛小军. 600MW超临界空冷火力发电机组能耗诊断与节能潜力评估[D].华北电力大学(北京),2018.

[2]李刚.超临界直接空冷机组空冷岛节能综合改造[J].河北电力技术,2017,36(03):50-53.