华电电力科学研究院有限公司 雷璐源
火力发电厂作为我国电能供给的重要成员,从长远来看,仍然是电力供应的主力军。在当前社会注重环保、节能减排的大环境下,如何优化火力发电厂的节能减排问题是大众越来越关心的热点。目前,我国多数发电厂的节能减排工作距国际上发达国家还有一段距离,节能减排技术面临许多方面亟待改进,如何提升发电厂的发电效率,增加能量转换率、降低能量消耗、减少废气排放依然是发电厂当前需要解决的关键问题。
火力发电厂能耗情况统计详见表1。表中对十三座以煤为燃料的火力发电厂能耗效率统计,可以看出,无论烟煤还是贫煤,3级能耗均占比较大,能耗程度严重。
表1 火力发电厂能耗情况统计
为了了解不同能耗在我国火力发电厂生产过程中的占比情况,对火力发电厂整体的运行数据进行调研[1],结果如图1所示,1级能耗的燃烧设备市场占有率低,为6.84%,2级能耗的燃烧设备市场占有率为45.12%,占比最高的是三级能耗的燃烧设备,为48.05%。
图1 发电厂各能耗级别燃烧设备占比
多数火力发电厂均存在能耗较高的情况,多数火力发电厂缺乏燃料预处理环节,而是将原煤、块煤直接放入锅炉设备中进行燃烧,造成燃料未能充分燃烧、能源浪费,且发电厂设备相对落后,能耗较大,缺乏自动化生产技术,未能及时有效获取电厂运转状态,最终造成火力发电厂工作效率不高,节能减排效果一般。
电厂各设备在工作过程中均按照既定模式进行运转,没有实时动态监测管理,自动化控制水平较低,限制了作业人员对电厂运行状态的把控和管理[2]。在实际工况中,发电厂在运转过程中,会受到外界多种因素的干扰,无法保证其工作过程中始终处于最佳的工作状态,造成发电厂设备长久以来低效率运行,增大了能耗,也缩短了火力发电厂设备的使用年限。针对这种情况,需要采用自动化技术,提升其智能化控制水平,且引进丰富工作经验的专业技术人员对发电厂运行状态进行科学的调节,为电力企业减少成本支出,创造经济效益。
燃料的燃烧效率直接影响到锅炉设备的能量转换效率,使燃料充分燃烧,提升其燃烧效率是改善电厂能效、降低能量损耗、做好节能减排工作的关键因素,也是目前火力发电厂必须面对的难关。多数火力发电厂缺乏燃料预处理环节,主要以直接投放式燃烧为主,但原煤、块煤中杂质成分含量高,且有害物质较多,最终造成火力发电厂锅炉燃烧效率不高,能量损失严重,且燃烧尾气严重污染环境,如何令燃料最大程度地燃烧来避免燃料的浪费,进一步完善发电厂节能减排工作是值得思考的问题。
预测控制算法是预测未来行为并对其进行相应控制的算法,工作流程首先是借助相关算法模型进行预测,对生产过程实时刻画,依据迭代优化得出的精确指标将所关注的控制量按时间排列[3],使得在后期运行时间里,被控制量和预测轨迹之间的偏差值降到最小,最终,将模型导出的预测值与实际输出值进行对比,并对控制算法进一步校正。
该算法的理论分析缺乏深度,应多积累运行数据,根据自身工作机理灵活变通,探索科学精准的分析手段。算法对于非线性工况的估测,未能贴切控制计算过程,应强化滚动优化环节。在确定最优方案的预测模型下,从“重结构轻功能”理念转变为“重功能轻结构”理念,打破传统思维算法模型的框架,引入新想法、拓展新思路,以多种丰富知识为基础,打破旧的结构约束,创建新的模型算法,进行估算测量。采用合适的反校正方法,即预测值、实际值有偏差时,要进行优化修正,多次迭代之后,将误差控制到最小值,以达到最希望的效果。
据相关资料表明,我国目前火力发电厂行业内高损耗的设备数量较多,这些设备配置简陋、技术程度较低,其设计和投产已经落后时代发展,不能满足目前国际环保要求及相关能效标准。现场总线技术在电厂节能减排方面优点显著,其基于计算机软件控制,借助PC 技术,一定程度上减少了现场设备的安装数量,降低了电厂控制基站的占地空间[4]。该技术的安装工艺要求较低、易于操作维护、使用方便。在实际工况中,该技术的一条线路上有多个设备接口,可以同时串联多台设备,有效节省了更多的资源,保证电厂安全运行,全面提高火力发电厂工作效率的同时做好降损工作。
DCS 系统具有较高的自动化控制水平,DCS 系统如图2所示,能够控制工业锅炉、汽轮机及其他设备的智能运行,最终实现电厂的智能化运营。回路控制单元控制整个电厂生产工艺流程,通过1—N 个设备接口与显示屏、上级管理计算机、打印机进行通信连接,及时监测电厂动态运行数据,实现电厂运营信息综合管理,一旦发生设备故障也会有预警提示,通知检修人员第一时间到达现场进行处理,减少了故障停时,且电厂实际运行中,还可以降低污染,控制能源消耗量,推动电厂资源的合理利用,最大程度减少资源耗损[5]。
图2 DCS 系统
在电厂实际应用中,分散控制系统主要有两项问题,一是电厂运作中,被监控的设备数量较多且密度大,影响到整个系统的可靠运行,虽然分散控制系统本身的可靠性较强,但整个电厂电力系统运行的可靠性并未实质上提高;二是设备网络安全问题,在电厂热力系统中,风烟、燃烧及汽水系统等子系统在电厂运行中是紧密相连的,但在DCS 系统中,这些功能包含在不同的控制单元中,造成各单元处理器之间存在较大的网络数据处理量。要想解决这种问题,需要增强DCS 系统处理器的配置,完善DCS 网络报警系统,关注各子系统运行数据及实时状态,配备可靠性较好的电源切换设备。
变频技术是基于自动化控制技术、计算机软件技术等基础上建立的,主要依据电机转速与输入f之间的比例数值,通过改变电机电源的f 值来调节电机的速度,实现电能资源的合理利用。据实际调研,在以往发电厂能耗较高的锅炉设备中,锅炉整体运作过程负荷效率极低,80%以上的锅炉低于出厂设计的效率运转,造成了锅炉在发电过程中的能量转换效率显著下滑。电厂采用变频技术后能够充分降低生产过程中能源损耗,为电厂无功补偿、功率因数和动态响应等环节提供了便利,在电厂节约资源的同时创造了经济利益。
针对发电厂燃料投产线未对燃料进行预处理、直接将燃料送到锅炉内进行燃烧而造成的能源浪费情况,东北某公司经多次试验,研究出了碳素燃烧自动化控制技术,该技术可以实现系统压力自动控制、智能燃料添加、智能加热控制等多种自动化功能。电厂还可以采用脱硫技术对原始燃料进行粉碎及脱硫操作,利用粉煤的方式扩大煤的燃烧接触面积,提升燃烧效率,脱硫技术还可以去除燃料中的大量杂质,改善燃烧质量,进而实现锅炉燃料燃烧效率提高的目标,降低能源损失。
为充分发挥自动化技术在发电厂节能降耗工作中的作用,一方面,加强发电厂工作人员的教育和培训工作,派出专业技术人员借鉴和学习其他国家火力发电厂的优势和经验,参考其节能减排工作方式,在熟练掌握电厂设备自动化技术的使用操作基础上,以“提高工作效率、节能减排”为导向,结合自身电厂设备的节能减排的实际工作情况对电厂设备进行科学合理的改进设计,完善电厂的工作运行方式。另一方面,每月组织各方就电厂近期节能减排工作进行总结复盘,对当月的能耗工作进行分析讨论,找出不足,给出解决方案,并对下一步的节能减排工作指明发展方向。
本文从发电厂的能耗现状出发,探究了电厂节能减排工作中存在的一些问题,并介绍了预测控制法、现场总线技术、DCS 系统技术、变频技术、碳素燃烧技术等自动化控制手段,多重保障电厂在节能减排工作过程中的能量消耗,提高其工作效率,推动发电厂行业健康可持续发展,实现发电厂经济效益与节能减排的双赢。