发电厂热能动力工程问题及其主要性能的应用

宋纯活

（神华国能宁夏煤电有限公司，宁夏 银川 750410）

0 引 言

近年来，我国经济增长平稳，人们生活水平日益提升。但是，经济增长带来的环境问题和能源问题日益显现，经济发展和环境保护之间的矛盾越发突出。电力工程作为支撑经济发展的基石，其节约能源、提升产出效率成为了行业中最关注的问题。依靠科学技术的发展，我国发电方式从单一向多元化方向发展。现阶段，我国使用的发电方式有火力发电、风力发电和太阳能发电等。但是，受地域和经济条件的限制，主要发电方式仍然是火力发电。火力发电对设备要求较高，并且需要在高温和高压环境中进行。因此，为了保证发电顺利进行和设备的稳定性，工作人员必须解决电厂热能和动力工程之间的矛盾，保证生产资源的最优化，实现高效率、高质量发电[1]。为此，发电厂已经逐渐将热力动能工程应用其中，通过动力装置将热能转化为动能，再经过汽轮发动机组将动能转化为电能，以减少能源的过度消耗，提升资源利用率，保护环境，节约资源。

1 发电厂热能动力工程概述

热电厂指在发电的同时利用汽轮机的抽汽或排汽为用户供热的火电厂。从选址到建设，火电厂多设置在较靠近负荷中心（接近人口密集区的城镇中心）的地方。因为用水、征地、拆迁和环保等要求均高于同容量火电厂，所以热电厂不能够和同等大型发电厂“竞价上网”。另外，在能源的有效使用率方面，热电厂存在很多不合理的地方，如热量和功的转换必然损失热能，使高品位热能贬值为低品位热能[2]。热电联产中燃料转变为高品质的热能用于发电，做功部分的电能用于向用户供热，能充分实现按质用能和综合用能。因此，热电厂一次能源利用较合理，基本能做到按质供能和梯级用能，节约了地区的整个能量供应系统的能源。

理想中的热电厂发电是在汽轮发电机作用影响下一部分热能转化成电能，剩下的由于受到汽轮机的作用被转送出去。但是，实际中不是所有的动能都能转化为电能，必然会有一部分能量以热能的形式散失出去（焓值一直处于下降的状态），造成大量的能量损耗。因此，如何有效降低热量损耗，有效节约能源，成为困扰业界的问题。科研人员设想，如果能优化能量转化，就会极大地降低能量转化中的损失，提高自身的操作技术。将能量转化中损失的热量在下级转换中继续使用，会产生焓降（同压差下）。这种焓降会比预期值大许多，是由重热现象引起的。重热现象多发于多级汽轮机中。

众所周知，电量无法被大量储蓄，且随着外界条件的变化，电量的实际功率也在不断变化。另外，锅炉内燃料的燃烧情况和产生的实际热量无法实时控制，导致汽轮机中的蒸汽量不断改变，进而使得凝汽器中的具体压力不断改变[3]，这就是“变工况”。根据调查和研究发现，变工况产生的主要原因是电网频率变化和汽轮机内产生的污垢。

除此之外，调节级和并行的其他发电机组也会影响焓变化，进而影响能量利用效果。本文结合发电厂热能动力工程中存在的主要问题和发电厂热能动力工程主要性能的应用进行分析。

2 发电厂热能动力工程中存在的主要问题

2.1 重热问题

在电厂运行中需要用到很多汽轮机，这样会带来一定的热量损失。为了减少热量损失，通常会使用汽轮机将一部分热能重新吸收利用，以提升汽焓值。重热问题是发电厂在进行内转换时，将前一过程能量应用于下一过程，在存在相同的管道压力时，前一过程中的焓值会在后一过程中出现大幅度下降现象。经查阅资料发现，当前我国电厂的重热系数在4%～8%。重热系数代表着热能的重复使用程度。一般来说，重热系数越高，代表热能损耗量越低。所以，电厂在实际生产中应根据情况适当提高重热系数，以提升能量的重复使用效率[4]。虽然适当的重热现象能够提升平均效力，还有助于电厂的顺利运行，但是过度重热现象依旧会影响发电厂的资源利用率。这主要表现在三个方面。第一，重热问题不仅会使发电厂的能源得不到有效储存，还会降低电能效果和品质；第二，重热问题会导致锅炉燃烧程序不稳定，进而影响蒸汽排放，最终影响发电体系；第三，重热问题也会影响气压稳定性，致使压力发生变化。

2.2 一次调频问题

一次调频指在电网频率超出标准范围后，为了保证电网运行的稳定性，系统会经过适当向上或者向下改变机组的功率，使整个机组处于同一频道运行的新平衡状态。这样调频的目的除了保持电网运行的稳定性，还能最大程度地将电网频率维持在一定范围内，从而维护系统的平衡。因此，一次调频功能被称为“维护电网稳定的重要手段”。从原理上讲，一次调频是当发电设备处于大量振动状态时，设备整体的焓值会发生改变。主要表现为：第一级阀门打开使得工作状态下的流量开始增加，压力随之升高，焓值降低，这时要降低调节级；如果出现第一级阀门打开而第二级阀门没有打开的状况，设备的整体焓值则处于最低状态（焓降最大），此时如果设备整体出现工作状态变化，设备的压力比和焓降量均处于较为稳定的状态；如果末级流量上涨过大，为保证频率保持稳定，焓降需要适当提升。实际操作方法为：首先按照体系实际流量最大阈值做出判断，然后根据负担情况提升调整功用；如果负荷转变过大，一次调节已经无法影响频率，这时可以采取二次调频的方式。一般，依据是否通过智能化将二次调频的方法划分为受控非智能化和自动智能化。随着智能化的普及，厂家更青睐使用智能化调频方法。工作人员在实际应用时也可以根据不同情况随时转换调频手段，以保证设备运行的稳定。

2.3 节流调节环节的问题

节流调节指当外界负荷发生变化时，进入汽轮机的蒸汽通过同时开启关闭调节阀，利用节流改变汽轮机进气量的过程[5]。一般，节流调节更适用于小容量的机组，对于负荷较大的机组不具备太高的使用价值。因为更大的机组会使分配到每个机组上的数值变小，相对的临界压力数值也会变小。一般会对工作级组进行控制。经过专业人员检测发现，工作级组在3～4级的范围较为合适。这样的机组设置能够最大化地保证在同一工况下不同机组之间的流量保持一致。假如实际工况并不相同，也要保证不同级的流通面积不变。这样能够更加准确的掌握功率和零部件的受力变化情况。另外，如果想要检测汽轮机是否正常流通，可以采取24 h动态监测方法，或者根据不同级机组的实际压力情况进行判断。

2.4 锅炉排烟损失问题

锅炉是火电厂的主要工作装置，其中排烟温度是影响锅炉正产运行的主要因素之一。一般，只要合理控制排烟温度，就能保证锅炉的运行效率。专家们经过试验研究发现，排烟温度和实际排烟量存在紧密关联，过大的排烟量会产生巨大的损失。经过验证发现，排烟温度产生影响的主要因素有三种：燃料、风温和风速。因此，为控制合理的排烟量和排烟温度，要选择杂质少且灰分和水分适中的燃料，以提升燃烧效率。还要控制风温和风速，保证燃料供氧适宜，提升燃烧质量。

3 发电厂热能动力工程主要性能的应用分析

3.1 节流调节的应用分析

节流调解中没有调节级的说法，在第一级调节即可完成全周进汽。这种设计的优点是，一旦工况发生变化，各级温度的改变很小，几乎可以忽略不计，同时表现出较好的抗负荷特性，使节流调节能够应用于基本负荷的大机组和小容量机组。但是，工况彼此会产生一定的节流损失，使发电厂热能动力工程在热电厂的实际运行中表现出较差的经济适用性[6]。因此，减少节流损失显得尤为必要。理论研究表明，可以使用弗留格尔公式（变工况前后机组均未达到临界状态时，机组流量和其前后压力平方根成正比）进行计算，得出最适宜的压力比，进而进行调节。实际调节中，先运用弗留格尔公式计算同流量下各级的压差和比焓降，确定各零件的受力和工作功率，再检查汽轮机是否正常流通。该过程也可以被看做在已知流量的前提下，对各级压力公式符合度进行计算，最终得到节流面积变化，确定节流量。经过多年的验证可以认为，弗留格尔公式的出现不仅保证了有效的节流调节，而且为热能与动力工程在热电厂的应用提供了可能性。

3.2 调压调节性能的应用分析

调压调速指调节电动机端电压使电动机在某一转速范围内实现无级调速。调压调节优点和缺点并行。它的优点为电机运行在整个调速范围内都平稳，具备较强的运行稳定性和负荷适应性，并且具备最大的调速范围，对部分机组的经济效益有提升效果。但是，在高负荷区域，调压调节并不能实现具有经济效果的调节结果。同时，在最低转速时，噪音变大，且这一现象随着负载的增加表现出越发严重的趋势。另外，当大机组蒸汽在动叶栅内做功后，存在必然的机械能转化，这种损耗会降低蒸汽余速、造成鼓风损失和斥气损失等，必然会增加汽轮机组运行的成本，缩减热能与动力工程在热电厂的应用范围[7]。但是，引起机械能损耗和其他气体损耗的根本原因并不是人为操作失误或系统故障，而是机组的运行机理。因此，该损耗无法通过理论或操作消除，需要工作人员不断加强理论知识积累，努力探索调节调压的新方法，研发出更为科学合理的产品来弥补能量损耗。此外，在电厂的实际生产中，工作人员也要深入挖掘热能和动能损失背后的原因，吸取国外先进的经验和成果，或者配备不同方面的仪器，以满足不同情况下的需要，进而提高电厂热能和动力工程的使用效率。

3.3 湿气损失控制的应用分析

湿气造成的能源损耗主要是湿气流动产生的热损失。另外，水蒸汽凝结也会造成热能损失。发电机组在运行过程中会产生热能，随着热传递的进行，温度较低的湿气会将热能传递到其他地方，进而造成热能的损失。因此，加强湿气的控制能在一定程度上降低能耗，保证热能和动力工程在发电厂中的有效运行。

结合发电机工作实际，湿气损失的原因为：在湿冷蒸汽受热膨胀的过程中，会有一部分蒸汽发生凝结形成水珠，使蒸汽量减少；水珠的流速远远低于蒸汽流速，进而牵引蒸汽造成部分动能损耗，出现蒸汽过冷状况。湿气损失会使发电机组的动叶进汽边缘产生冲蚀，降低叶片长度，减少叶面实际面积，缩短叶片使用年限，尤其在叶顶背弧处最为严重。为了降低湿气对叶片的损伤，可以采用以下方法：首先应该除湿，可以选用汽水分离加热器，保证低压缸的效率和安全性；其次，可以选用带有吸水缝的喷灌，降低设备湿度；最后，可以降低机械损失（例如：推力轴承与支持轴承的摩擦力、启动调速器等的机械消耗），使用轴流式汽轮机创造高压向低压的指向力，降低能量消耗，提升运行速率。此外，可以改进叶片设计，提高叶片抗冲蚀性能。

3.4 工况变动的应用分析

工况是运行工作状况。设备工况可以通过一系列有关的运行参数或工况参数来反映，如锅炉的蒸发量、锅炉效率和烟气温度燃料量等。当设备处在某种运行状态时，各参数都不变，此时处于稳定工况。如果设备运行条件改变，这些工况参数就要相应发生变化。当热能动力工程正常运转时，管理人员应该根据设备实际运行状况进行适当变更。影响工况变化的原因有很多，除了一次调频问题外，机组并网运行也是影响设备运行状况的一大因素。

发电厂中，工作人员要根据实际情况进行具体判断。选择合适调配方式是工作人员提升自身技术的途径之一[8]。如果机组处于并网运行中，外接电网就会根据机组的运行状况不断改变，而过于频繁地更替也会影响机组的正常运行。工作人员要立足于对并网运行的正确认识，选择合理的调配，避免因为调配方式的不同而使热能与动力工程应用效用低下。然而，对于一次调频问题，需要根据焓降变化进行恰当的工况变化，以适应热能与动力工程在发电厂中的实际应用。

4 结 论

在我国建设资源节约型社会的今天，热能动力工程在电厂运行中越来越受到重视。在一代又一代人的努力下，热能动力工程的应用取得了很大进步，同时也存在很多问题。无论是重热现象、节流调节还是湿气损耗，任何环节的问题都会影响发电厂的稳定运行。因此，发电厂人要不断吸收同行工作者的经验，学习国外的先进技术，不断充实自己，提高自己的技术水平，提升热电厂的热能使用率，为我国发电厂工程的正常运转提供充足的理论保障和实践经验。