热能与动力工程在热电厂中的运用

时间：2024-04-24

王海铮

（中国矿业大学，江苏徐州 221000）

热电厂的热能来源绝大部分是煤炭，在热能转换为机械能进而由汽轮机组产出电能的过程中，能源转换受到多种因素的干扰，在煤炭燃烧发热、高压蒸汽驱动汽轮机机组发电等环节，各种设备的运行状态、性能、电网负荷波动以及环境因素率等，都会导致热能的转换失败和散失。而利用热能与动力工程可以尽量将这部分热能有效利用，使之成为城市日常生产生活的热源。

1 热能与动力工程应用概述

以煤炭为主要能源的热电厂是保障电能供应的核心企业，但近年来随着人们对资源与环境状态恶化的关注，传统的热电厂生产模式已经难以满足能源利用率与环境保护要求。因此围绕提升电能转换率和降低污染物排放这两个目标，对热电厂的发电机组展开了多方面的改造或升级，力图在确保电能供应质量与可靠性的前提下，减少煤炭等资源的消耗和热电厂的污染物排放。热能与动力工程正是在这一背景下被运用到了热电厂的生产中，其根本理念是优化发电机组的设备组合和运行状态，把原本无法转化为电能的热量收集输送至市政热力供应管网，从单一的电能生产转变为同时供应电能和热能。但机组运行模式的改变也带来了新的技术性问题，如何精确的控制供热式机组的运行并达到能量利用率的最大化，是亟需解决的关键问题。

2 运用热能与动力工程时的能量损耗

2.1 湿汽损失及其成因

在发电机组的运行过程中，高压蒸汽在运动过程中，会由于温度下降、机械阻力等因素损失掉部分热量与动能，而且会因此带来汽轮机零配件的冲蚀损坏。首先高压蒸汽在流动过程中与机械设备的零配件之间相互作用，大部分动能会转化为机械能驱动汽轮机运转发电，但其中的一部分能量会以热能传递散失或因设备零配件之间的摩擦力而被损耗。其次当蒸汽在运动过程中遇到温度降低的情况时，会有部分蒸汽凝结为液态的水，不仅会散失部分热能，还因为冷凝水的存在而阻碍蒸汽流动，给其带来动能损耗。

2.2 设备调压带来的能量损失

压力调节是改变发电机组输出功率、保障联网供电情况下的系统运行可靠性的基础，理想状况下的压力调节能够让整个机组适应负荷的动态变化，并且有理想的能量转换效率。但在实际生产过程中，由于机组设备构成复杂的且对运行状态调整的响应时间各异，因此目前为提升负荷适应性而进行的压力调节不够科学和精确，对高负荷运转的机组而言会造成额外的动能、热能损失。

2.3 机组节流调节带来的热能损失

流量是热力发电机组运行状态的重要参数，在应对发电机组运行负荷波动时，流量调节是保障运行效率的重要手段，但同时也与压力调节存在同样的问题，即无法避免因运行参数调节带来的多方面额外能量损失[1]。这一方面和机组设备运行状况的复杂性有关，由于存在包括锅炉、冷凝装置以及汽轮机在内的多个运行原理复杂的设备，在实施流量调节时对各个设备自身运行的经济性影响非常复杂，因此总体而言无法保障通过流量调节达到优化能量转换效率的目标。

2.4 电力负荷波动造成的能量转换效率下降

热电厂的发电机组在并网运行状态下需要对电力负荷变化做出快速响应，才能确保电力系统的可靠运行。而对负荷变化的响应也是基于机组运行状态调节完成的，因此无可避免的会影响能量转换效率。首先基于供电网络自身的自动化控制功能，会根据配网负荷的变化动态调节供电频率，将调节信号传输至热电厂的机组控制系统，完成自动化的发电机组调节。虽然这一调节模式响应速度极快并有利于保障供电质量，但可调范围有限。因此对于热电厂而言需要进行二次调节才能达到要求，而二次调节方式的科学性对电能生产效率有很大影响。

3 优化热能利用的有效措施

3.1 利用自动化与智能化控制技术精确调节机组运行

在热电连产模式下优化能量转换与利用，自动化与智能化控制技术的应用是最有效的措施。首先在调压与节流装置控制过程中，基于相关技术的应用能够实时监测机组各部分设备的运行状态，通过控制系统软件对机组整体工况进行科学的分析，从而对压力或流量进行精确调节[2]。其次能够利用智能化控制技术优化机组的运行状态检测，对电力负荷、锅炉燃烧状况变化等做出快速响应，有效减少热能损失并保证机组运行的稳定性。

3.2 根据流体力学等原理优化机组结构设计与运行模式

在热能与动力工程的运用过程中，机组设备的组合设计以及各项工艺参数的分析计算都是提升其运行效率的基础。首先应对汽轮机等设备进行优化组合，根据实际的电能与热能生产目标，选择适宜的设备类型与具体型号。其次根据流体力学等相关原理精确计算和分析机组设备的工艺参数作为进行流量等参数调节的依据。此外应在机组设计改造过程中充分利用重热原理，确保重热系数在合理范围内，使得机组运行过程中不可避免的热量损失得到最大限度的有效利用。