火力发电系统的节能减排改造方案设计毕业论文毕业设计.docx
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火力发电系统的节能减排改造方案设计毕业论文毕业设计
毕业论文
题目：
火力发电系统的节能减排改造方案设计
姓名：
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指导教师：
职称：
教授
2017年3月3日
摘要
本文通过对我国电动机系统节能技术研究，针对性的进行大型火力发电厂节电工程研究与应用，系统的建立一套实施计划和评估方法，为火力发电行业提供一整套从分析研究到调研、实施、评价的全流程系统节电工作研究。
本文将设计大型火电厂系统节电改造方案，获得火力发电厂整体节电工作实施的有效方法。
通过结果比较验证前期计算的科学性全寿命周期成本评价，对大型火电厂节能项目运作模式进行了研究和探索。
关键词：
全流程系统节电，整体节电，全寿命周期成本评价。
Abstract
Basedontheresearchofenergysavingtechnologyinourcountrymotorsystem,theresearchandapplicationoflargethermalpowerplantsenergy-savingprojects,establishasetofimplementationplanandevaluationmethodofthesystem,toprovideacompletesetofanalysistotheresearchandimplementationofthewholeprocess,thesystemenergy-savingresearchworkfortheevaluationofthermalpowerindustry.Inthispaper,thedesignschemeoflargepowerplantenergysavingsystemisproposed,whichcanbeusedtoimplementthewholepowersavingworkinthermalpowerplant.Throughthecomparisonoftheresultstoverifythescientificlifecyclecostevaluation,thepaperstudiesandexplorestheoperationmodeoftheenergysavingprojectinlargethermalpowerplant.
Keywords:
powersavinginwholeprocesssystem,overallpowersaving,lifecyclecostevaluation.
火力发电系统的节能减排改造方案设计
第一章课题背景及意义
我国能源资源相对不足,资源约束突出,优质能源资源更加不足,制约了供应能力的提高;能源资源分布不均,也增加了持续稳定供应的难度;经济增长方式粗放、能源结构不合理、能源技术装备水平低和管理水平相对落后,能源效率偏低,导致单位国内生产总值能耗和主要耗能产品能耗高于主要能源消费国家平均水平,进一步加剧了能源供需矛盾。
单纯依靠增加能源供应,难以满足持续增长的消费需求。
我国正处在工业化和城镇化的快速发展阶段,能源消耗强度较高,消费规模不断扩大,特别是高投入、高消耗、高污染的粗放型经济增长方式,加剧了能源供求矛盾和环境污染状况。
解决我国能源问题,根本出路是坚持“开发与节约并举、节约优先”的方针,大力推进节能降耗,提高能源利用效率。
节能是缓解能源约束,减轻环境压力,保障经济安全,实现全面建设小康社会目标和可持续发展的必然选择,体现了科学发展观的本质要求,是一项长期的战略任务。
国务院管理节能工作的部门会同国务院有关部门制定电力、钢铁、有色金属、建材、石油加工、化工、煤炭等主要耗能行业的节能技术政策,推动企业节能技术改造。
1.我国的发展
我国电机系统量大面广,节电潜力巨大。
2003年数据,各类电动机总容量约4.2亿千瓦,运行效率比国外先进水平低10一20个百分点,相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时,用电量约占全国用电量的60%[1],节电工程理应成为节能重点。
而对于火力发电厂主要耗电设备就是电机,另外还包括其他电气系统以及使用方式的调整优化,如错峰用电、变负荷用电、调整运行控制方式等根据生产流程来最高效率的使用电能。
我国能源消耗高、浪费大的根本原因在于粗放型的增长方式。
要大幅度提高能源利用效率,必须从根本上改变单纯依靠外延发展,忽视挖潜改造的粗放型发展模式,走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路,努力实现经济持续发展、社会全面进步、资源永续利用、环境不断改善和生态良性循环的协调统一。
近几年,由于经济增长方式转变滞后、高耗能行业增长过快,单位国内生产总值能耗上升,节能工作面临更大压力,形势十分严峻。
2.国内外研究动态
我国电机系统能效现状是,虽然高效电机与国外先进水平相当,但价格高、市场占有率低;风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低2%~4%。
虽然设计水平与国外先进水平相当,但制造技术和工艺有差距;电机传动调速及系统控制技术差距较大,产品效率比国外先进水平低20%一30%。
我国节电工程,从提高能效技术应用入手。
中国电机工程学会秘书长周小谦曾分析认为,随着我国政府对节能产业的扶持,与消费者对节能观念的深入普及,打造健康有序的节电产业只是时间问题。
目前国内电动机产量大、使用面广,在能源和环境问题极为严峻的形势下,有必要开发节能电机或高效率电机,使电机本身消耗的电能进一步下降,从而减少全国电动机系统的用电量。
国家节电工程的实施方案目前已经发布。
该方案将推动更新淘汰低效电动机及高耗电设备,推广高效节能电动机、稀土永磁电动机,高效风机、泵、压缩机,高效传动系统等。
同时也将致力于提高电机系统效率,推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。
在节电工程的实施方案中,也提出了相关配套措施,包括设备融资租赁、合同能源管理、制定发布相关标准政策、能效标准标识制度、经济运行标准等。
引进这些新的市场机制,有利于推动节电工程改造。
国家节电工程的各项工作在2007年全面启动,将在重点用电行业节电改造示范的基础上,推广到所有改造行业,每年改造500万千瓦,形成年节电能力50亿千瓦时;同时实施电动机系统节能工程所需的配套政策、标准、规范的制定、颁布及宣贯。
计划到2010年共改造2500万千瓦,实现节电250亿千瓦时。
目前,许多专家对节电工程表示看好,认为只要加快技术创新、提高电动机的能效水平、扎实推进相关配套措施的落实,节电工程很快会成为最具潜力的节能发展方向。
目前电机系统降低损耗提高效率的途径有很多,包括增加有效材料,降低绕组损耗和铁耗;采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗;缩小风扇降低通风损耗;通过设计和工艺措施降低杂散损耗:
改进压铸工艺,降低转子损耗;应用计算机优化设计,降低损耗提高效率等。
国外,许多发达国家早已意识到提高电机系统能效对节能的重要意义,这些国家正积极通过法令推动电机系统降低损耗提高效率。
美国于1992年10月颁布EPACT能源政策法令,规定电动机的效率必须达到NEMA标准所规定的最低效率值。
到上世纪90年代末,美国能源部对EPACT法令实施的效果进行了评估,认为通过该标准的实施,到2010年后,可每年节电130亿千瓦时,相当于电动机总用电量的2.3%,并可相应地节约大量的电费和430万千瓦发电容量的投资。
此后美国还出台了更多的相关法令,比如超高效率电机标准。
美能源部曾作评估,如在EPACT实施的基础上,再实行超高效率能效标准,估计到2010年,每年可再节电68亿千瓦时,占电动机总用电量的1.2%。
第二章系统节电工程项目技术原理
2.1脱硫增压风机性能调整及电机液体电阻调速
2.1.1脱硫增压风机性能调整原理
电厂脱硫增压风机用于烟气提压,以克服FGO系统烟气阻力。
一般使用静叶可调轴流风机,这是一种子午加速风机,它由进气室、前导叶、集流器、叶轮、后导叶和扩压器组成。
静叶轴流风机工作时,烟气由除尘器出来后进入静叶可调轴流风机进气室,经过前导叶的导向,在集流器中收敛加速,再通过叶轮的作功产生静压能和动压能;后导叶又将烟气的螺旋运动转化为轴向运动而进入扩压器,并在扩压器内将烟气的大部分动能转化成静压能,从而完成风机的工作过程;最后烟气由烟囱排入大气。
静叶可调轴流风机风量调节是由前导叶完成的,前导叶一般为机翼型,在一75“至+30“范围内实现无级风量调节,通过转动前导叶（静叶）安装角改变,从而使风机的流量、压比发生改变,减小静叶安装角度可以使风机的特性线向小流量方向移,开大静叶安装角度能使风机的特性线向大流量方向移。
静叶调节范围宽,调节效率高。
另外,风机叶轮的叶片数也需要根据输送情况进行确定,选择叶片数的依据为:
封姗铃拱薄求白.一方面考虑尽量减少叶片的排挤和表面的摩擦;另一方面使叶轮流道具有足够的长度,以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。
随着叶片数的增多,叶片对液体的作用增强,流动滑移减弱,泵的扬程增加。
根据电磁感应原理,交流异步电动机定子三相绕组间隔120度的相角,当通过三相电流后,在定子线圈中将产生旋转磁场,按照电动机的基本原理其旋转磁场的转速满足下式:
N=60xFx（1一S）/P（2一1）
式中:
n为旋转磁场的转速,f为交流电源的频率,p为电动机的定子级对数,S为电动机的转差率。
”
从式（2一1）中可知,电动机的转速随着电源频率f或电动机极对数户或电动机的转差率S变化。
因此通过调整电源频率f、电动机极对数P和电动机的转差率S均可实现电动机的调速,也就是说可以采用变频、改变电机极对数和改变转差率三个方向进行节能改造。
液体电阻调速就是通过改变电动机转差率S调速的应用方式中的一种。
绕线式异步电机转子串入可变电阻调速就是通过改变转差率S达到改变电机转速的目的。
由于绕线式电机转子线圈串入电阻后,不同的电阻对应的转差率不同,电阻越大,转差率越大;电机转速越低,电阻越小,转差率越小,所以改变绕线式电机转子线圈的电阻可以改变电机的转速。
液阻调速主要应用于大中型绕线式高压交流异步电机拖动的风机、水泵的起动与调速,它是通过调整绕线式电机转子线圈中串入的电阻,通常是浸没在液体中的动静两块极板,通过改变动、静极板间的距离,改变电阻的大小,使转差率变化,从而实现电机调速运行。
电机在调速运行状态下电阻所产生的热量,由冷却水通过换热器带走。
液体电阻改造不改变原电机外壳定子及连接,需要重新制造一套与原电机定子匹配的新绕线转子,将开关柜和集电环电刷接入新电机转子。
液体电阻器采用模块化结构设计,它既可在就地通过开关量进行转速的增减,也可通过来自机组控制系统的开关量进行转速的增减,同时还可接受来自机组控制系统的模拟量和现场测得的转速信号进行比较来进行转速的增减。
另外,液体电阻调速器就地检测、报警回路也比较完善,可以通过事先设计与系统的接口回路把测量和报警信号送至集控室进行远程监视并接受系统的控制。
液阻调速优点有:
液阻调速运行可靠;几乎没有运行维护费用;投资为变频调速的50%;可以作为电机的起动器用;无谐波污染电网;对布置环境没有特殊要求,体积小、布置灵活。
液阻调速缺点有:
液阻调速器只适用于绕线式电机,鼠笼式电机要改造成绕线式电机:
由于串入电阻发热浪费部分能量,所以调速效率虽高于液力祸合器3~8%,但略低于变频调速。
2.1.3脱硫增压风机性能调整和电机液体电阻调速改造的可实施性
电厂一般在引风机和脱硫增压风机上选用静叶调节轴流风机。
轴流式风机适用于大流量、低压力的工质输送。
我国发电厂已普遍采用静叶调节轴流风机的最高效率已达到80%到85%,低于动叶可调轴流风机4%,高于离心式风机[7l。
但实际风机运行的效率不高,其主要原因有:
设计工况选型与实际运行工况偏差大。
轴流风机应用的环境较差,要考虑阻力、磨损等众多因素,风机选型裕度一般偏大很多。
实际运行工况与设计工况偏差较大,导致效率低。
风机的调速性能差。
没有高效的调速设备,风机只能在工频定速下运行。
轴流风机的运行在最高效率点的工况较少,并且不能运行在失速状态。
通过改变风机静叶的角度来调节风量尽管比一般采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果,但是节流损失仍然很大,特别是低负荷时节流损失更大,另由于节流调节,存在风机运行中振动、噪音等问题。
2.2等效热降法
经热力计算得到该机组能耗指标后，开始分析节能改造带来的热经济性的计算方法。
在对热力系统经行局部的定量分析时，因等效热降法具备精简准确的特点，使其成为热力分析的常用方法。
本文基于系统深入地研究热系统节能基本理论和详尽地分析火电厂热系统组成、设备的热经济性与各节能技术，采用等效热降法建立局部定量的方法和各类数学模型[4]。
等效热降法是一种能力转化的热平衡方法，可用来进行热力系统的整体热力计算，也可用来对热力系统的局部进行定量分析。
该方法通过给定的一次性参数进行局部定量，最终确定经济效果的变化。
因其只研究与系统改变有关的部分，所以具备简捷性。
该方法主要用来分析蒸汽动力装置和热力系统。
在火电厂设计中，用以论证方案的技术经济性。
在运行电厂的改造中，用来为改造提供确切的计算依据。
等效热降法具备了局部运算的热工概念清晰的特点，而且其计算结果与一般热力学分析完全一致，与真实热力系统相符。
2.2.1等效热降基本法则
不论是工质还是热量利用到热系统中，都应区别是属于内部热量利用还是外部热量利用。
因为这两种利用类型对装置热经济性的影响有原则性的区别。
内部工质或热量的利用如：
轴封漏汽利用、抽汽器排汽利用、除氧器余汽利用、给水在泵内的焓升利用等；外部工质或热量的利用如：
外来蒸汽或热水利用、排污扩容蒸汽利用、发电机冷却热量利用、锅炉排烟余热利用等。
任何内部热量的利用，都能使装置效率提高；而外部热量的利用，除循环做功增加外，循环吸热量也增加。
即外部热量被利用的热量也是循环吸热的一部分。
外部热量的利用，使装置效率降低。
这是因为外部余热的品位一般低于新蒸汽能级，而且热变功的程度较低，所以余热的大部分变为了冷源损耗。
但是，一般将外部热量利用按余热利用原理处理。
余热利用的原理为只计做功收益而不计热量支出。
这样的话余热中有一部分转变为功，对装置效率的提高是有帮助的，该处理方式有利于推动节能，鼓励利用余热。
热系统中的热经济性变化可归纳为纯热量和带工质的热量两类。
纯热量是指，只有热量变化及进出系统，没有工质伴随。
带工质的热量是指，不仅有热量变迁，还有携带热量的工质变迁。
（一）内、外纯热量出入热系统
电机冷却热量利用、工艺余热利用、锅炉排烟余热利用等，均属于无工质携带的外部热量利用于热系统。
将该类热量利用按余热利用处理，装置的热经济性是提高的。
第三章系统节电工程前期调研
为了保证系统节电工程的顺利实施,华润电力常熟电厂分专题组织技术人员对系统节电工程的项目实施了调研,了解相关项目在国内一些电厂的应用情况,以便于综合考虑系统节电工程各个项目的应用分析和选型比较。
3.1液体电阻调速改造应用情况
为更高性价比的选择增压风机变速调节设备,华润电力常熟电厂对增压风机改造项目的现场安装情况、维护情况、售后服务情况、电气调试措施、OCS控制方案、投用后经济性对比等进行了调研。
3.1.1浙江长兴电厂增压风机应用情况
浙江长兴发电厂装机容量为4台3OOMW脱硫火电机组,脱硫装置配有一台2650kw增压风机。
改造前机组满负荷运行时,增压风机的入口挡板开度在55%一70%之间,带低负荷时,挡板开度更小,烟道阻力大,节流损失比较大。
另外,频繁的挡板调节,导致挡板的可靠性下降,既增加了维护工作量,又影响了设备的稳定运行。
为解决上述问题,实现增压风机安全经济运行,在2006年2号机组进行了脱硫增压风机液体电阻调速改造。
序号
名称
指标
1
型式:
静叶可调抽流式、流量:
1070659Nm·/h
增压凤机
型号:
AN35e6（V19十4°）、全压:
3662Pa
转速:
580nlmin、效率:
84.5%
2
电动机
型号:
YKK900-10
额定功率:
2650KW
额定电压:
6KV
表3-1浙江长兴电厂增压风机设备型号
经过调研了解到,液体电阻对环境要求基本没有限制,运行可靠,维护简单,该厂应用后未出现任何故障。
该项目曾获得浙江省科技进步二等奖。
3.1.2大同二电厂送风机应用情况
大同二电厂风机调速应用较多种的类型,不同的风机采用了多种调速方式,有液藕、变频、液电阻等,可以充分了解和比较各种调速方式的特点和不足。
其最早选用节能控制技术是一台送风机上应用了液祸调节,然后在排粉风机上引入变频控制技术,2005年11月又对2台送风机选用液电阻调速改造。
据大同二电厂反映,设备运行至今没有重大缺陷发生,日常只需每观察液位,运行3个月只加了一桶蒸馏水。
该厂认为液体电阻调速设备运行是安全可靠的,调节性能也满足电厂要求运行工况。
为了测算送风机变速改造前、后的节能效果,该厂选取一个月做送风机为定速运行、液力偶合器调速运行、液体电阻调速运行对比。
具体数据如表3一2:
机组号
运行方式
发电量
送风机耗电量
节电率
（万KW.h）
（万KW.h）
#4机组
定速运行
12486
84.92
0
#5机组
液力偶合器调速
12273
73.36
12.11%
#3机组
液体电阻调速
12500
61.68
27.44%
表3-2大同二电厂送风机变速改造耗电量统计
3.2凝结水泵变频应用情况调研
为更高性价比的选择变频设备,对凝泵变频改造现场安装情况、维护情况、售后服务情况、电气调试措施、OCS控制方案、投用后经济性对比等进行了调研。
以下是有代表性几家电厂改造案例。
3.2.1太仓环保电厂
2007年2月20日太仓环保电厂进行5号机组凝泵变频改造后,对比同期尚未变频改造的6号机组凝泵,客观反映出凝泵变频改造前后的节能效果。
统计期,5号机组发电量为6号机组1.026倍,而5号机组凝泵变频用电量为6号机组凝泵用电量的42.9%,可以推算出凝泵变频改造后的节电率为58.6%。
太仓环保电厂3号、4号机组凝泵设计容量为,25OkW,较5号、6号机组凝泵,O00kW稍大,变频改造后节能效果更明显,节电率超过60%。
3.2.2张家口发电厂
张家口发电厂总装机容量为8台300MW,凝结水泵为沈阳水泵厂制造的gLOTNA一SUA型,电机为湘潭电机厂制造的YLSTSOO一4型。
凝结水泵变频改造前后凝结水系统运行参数对比如下表3--3
张家口发电厂凝结水泵变频改造前后不同负荷下参数对比
项目
负荷
电流
转速
流量
凝结水压力
冷却水开度
冷却水压力
轴封减温调整门开度
单位
MW
A
r/m
t/h
Mpa
%
Mpa
%
改造后
150
15
818
386
0.78
100
0.48
60
改造前
76
1490
397
3.05
49
0.66
32
改造后
200
23
926
497
0.98
100
0.6
58
改造前
81
1490
514
2.98
50
0.66
36
改造后
300
50.5
1188
743
1.53
75
0.66
47
改造前
92
1490
760
2.74
53
0.66
37
表3—3
3.2.3应用情况调研小结
凝结水泵改造为变频调节,技术基本成熟,可靠性较好,优化设计后不会对系统产生干扰。
区别于其他辅机设备,凝结水泵变频在高负荷区也有明显节能效果。
凝结水泵改造为变频调节,电厂应用后普遍在两年内回收成本,经济性效益明显。
变频技术产生后到近十年才广泛应用,主要是变频器的逆变功率元件—绝缘栅门控双极晶体管（简称IGBT）成熟。
无论进口、国产的变频器,除了核心部件:
电容和!
GBT（都选用西门康和优派克）,其余的构件均非高难度技术,一般都是国内选购的配件组装和贴牌,如变压器、旁路柜、整体柜体和控制系统等。
近年随着核心技术攻克,多家公司开发应用,市场销售价格已稳定。
在实际应用选型方面,可以采纳西安热工院徐甫荣高工的论述,变频器选择遵循以下四个原则:
最高可靠性原则、最优经济性原则、系统改动最小原则和空间允许原则。
第四章给水泵改汽动泵技术及各节能技术软件编制
4.1给水泵改汽动泵
给水泵是电厂的“心脏”，在配置时应特别注意。
因为我国电网调度是以发电机端的输出功率为基准而进行的，所以发电功率一样时，采用汽动给水泵就比采用电动给水泵所获得的输出功率大得多。
所以很多业主都偏向于采用汽动给水泵。
该600MW直接空冷机组的给水泵为电动给水泵。
采用三台8.8MW电泵配三台11MW电动机驱动，其中一台备用。
李润森等人研究发现，对600MW空冷机组，环境温度较低时，汽泵的技术经济性高于电泵。
600MW及以上机组，电泵耗功占总输出功率的比例较大，所以采用汽泵已基本达成共识。
因此，为降低该厂厂用电率，进而降低标准发电煤耗，对该厂给水泵进行改造，改造为由背压式小汽轮机驱动。
针对该600MW空冷机组的具体情况作如下分析。
4.1.1空冷机组配汽动给水泵
直接空冷汽机主要特点为：
与湿冷机组比较，其背压较高且变化幅度大。
因其取消循环水，所以同样环境温度下空冷机组背压变化高于湿冷机组。
空冷机组配汽动给水泵，相应的小汽机也应该为高背压、变背压型。
若小机排汽直接进入空冷岛，则空冷系统对气温及风速更为敏感，且要求小机具备调速范围宽、调速灵敏等特点。
主汽机第四抽汽口为天然抽汽口，工业上的辅助用汽一般都取自该抽汽口。
所以，汽泵的小汽机取为主机第四段抽汽驱动。
当环境温度变化时，对于背压机组主要影响的是其末三级叶片的做功能力，对整机的影响较小。
因为汽泵的小机一般只有6级左右的叶片，所以气温变化时小机的做功能力受的影响比较大。
所以，小机的通流及配汽等设计时，因需考虑到这些问题而使其设计变得困难。
所以，如果空冷机组采用汽动给水泵，较好的解决方式为：
采用独立的湿冷小汽机系统。
经上述分析，确定了空冷机组采用汽动给水泵后，汽机需配置独立湿冷系统。
下面，本文仅分析将电动给水泵改造为汽动给水泵后，该改造方式所引起的原则性热力系统的变化。
通过热力计算，分析该改造方式所引起的机组能耗的变化。
4.1.2汽动给水泵选型
确定了本文电动泵改造的研究方向后，还需分析替换原机组三台电动给水泵为汽动给水泵后，给水泵的配型问题。
对于大功率的机组，汽动主工作泵的台数和容量匹配可有两种方式：
1台100%锅炉额定给水量汽动泵或2台50%额定给水量的汽动泵。
其配用电动备用泵的台数和容量匹配方式有多种：
2台电泵配50%额定给水量、1台电泵配50%额定给水量、2台电泵25%额定给水量、1台电泵25%额定给水量等。
主泵与备用泵二者有多种组合形式。
50%容量以上的电动泵主要是作备用泵，也可以兼做启动泵。
我国给水泵的配型，在实际工程选用时仍沿用了母管制条款[7]。
目前国产机组配汽动给水泵都用了2台汽泵配50%额定给水量+1台电泵配50%额定给水量。
对于600MW机组，可选用2台汽泵配50%额定
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