Table of Contents

Thermische centrales blijven een cruciaal onderdeel van de wereldwijde elektriciteitsopwekking, maar ze staan voor aanhoudende uitdagingen bij het handhaven van optimale efficiëntie. Het begrijpen en aanpakken van efficiëntieverliezen is essentieel voor de exploitanten van installaties die streven naar een maximale energieproductie, een vermindering van het brandstofverbruik en een minimale operationele kosten. Deze uitgebreide gids onderzoekt het complexe landschap van de efficiëntie van thermische energiecentrales, onderzoekt de oorzaken van de afbraak van de prestaties en biedt bruikbare strategieën voor verbetering.

Inzicht in de efficiëntie van thermische energiecentrales

Een typische thermische centrale zet 38% van de thermische energie in kolen of biomassa om in elektriciteit, hoewel de efficiëntie van thermische centrales kan variëren van 20% tot 50%. De efficiëntie van een centrale wordt gemeten door de warmtesnelheid, dat is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 kilowatt-uur (kWh) elektriciteit te genereren, berekend door de warmtesnelheid van 3,412 Britse thermische eenheden (Btu) te delen. Deze omgekeerde relatie betekent dat lagere warmtesnelheden een betere efficiëntie en een lager brandstofverbruik aangeven.

In de hedendaagse thermische centrales gaat 56% tot 67% van de energie die erin gaat verloren bij de omzetting. Deze aanzienlijke verliezen ontstaan tijdens het hele energieomzettingsproces, van brandstofverbranding tot stoomproductie tot elektriciteitsproductie. Begrijpen waar en waarom deze verliezen optreden is de eerste stap naar effectieve verbeteringsstrategieën.

Grote bronnen van efficiëntieverlies in thermische centrales

Verliezen van stoomcondensatie en rankinecyclus

De grootste verliezen zijn naar het voorbeeld te vinden in de stoomcondensatiefase van de Rankine Cyclus (17% van de verliezen), de ketel (14%), verliezen van turbines (9%), warmteverlies in de uitlaatgassen (8%), brandstofverwarming (4%), generatorverliezen (2%), hulpapparatuur voor installaties (2%). De condensatiefase is de grootste bron van efficiëntieverlies in thermische centrales, aangezien de thermodynamische cyclus warmte afwijst om het temperatuurverschil te handhaven dat nodig is voor het functioneren.

De enige condensator heeft 50% efficiëntie, waardoor het een kritische focus voor verbetering inspanningen. Het grootste deel van de warmte wordt afgegeven in het koelen van het water dat in de koeltoren door de condensator, en deze warmte is unutilized en vermindert nuttig werk. Deze fundamentele thermodynamische beperking betekent dat aanzienlijke energie moet worden afgewezen in het milieu om de stoomcyclus te voltooien.

Verliezen van de verwarmingsketelefficiëntie

De ketel vormt een andere belangrijke bron van efficiëntiedegradatie. Een redelijk basisgeval kan zijn 86% ketelefficiëntie, 90% turbine-efficiëntie, 97% generator-efficiëntie en 8,5% hulpverliezen. Boilerverliezen ontstaan door meerdere mechanismen die gezamenlijk het vermogen van de fabriek om brandstofenergie om te zetten in bruikbare stoom verminderen.

Verstandige warmteverliezen kunnen worden gezien als warmte die je direct kunt voelen met een thermometer - verbrandingslucht komt je centrale binnen onder omgevingsomstandigheden, en rookgas is uitgeput uit het koude einde van de ketel luchtverwarmingstoestel bij een bepaalde verhoogde temperatuur, met hoe dichter het uitlaatgas is om omgevingstemperatuur, hoe minder verstandige warmte verloren gaat aan het milieu. Andere verstandige warmteverliezen omvatten de warmte die in bodem en vliegas verwijderd uit de ketel en pyriet en rots die worden afgewezen uit kolenmolens.

Fossiele brandstoffen, zoals kolen en aardgas (niet-hernieuwbare brandstoffen), geven minder energie vrij dan nodig is vanwege inefficiënties bij verbranding, waardoor de totale efficiëntie van thermische centrales wordt verminderd. Onvolledige verbranding, onjuiste lucht-brandstofverhoudingen en warmteverliezen door straling en convectie dragen allemaal bij tot een verminderde boilerprestaties.

Degradatie van de prestaties van turbines

Stoomturbines zijn onderhevig aan verschillende efficiëntieverliezen die zich in de loop van de tijd ophopen. De stoomturbine is een mechanisch apparaat dat vele onderdelen bevat die slijtage en slijtage veroorzaken door beweging, met onomkeerbare verliezen zoals wrijving en drukverliezen die grote zorgen baren. Deze mechanische verliezen verminderen het vermogen van de turbine om stoomenergie efficiënt om te zetten in roterende mechanische energie.

Onder ideale omstandigheden kan een ultrasuperkritische turbinecyclussysteem stoom omzetten in rotatieenergie met 54% of een hogere efficiëntie, superkritische turbinecycli kunnen 50% rendement bereiken en subkritische turbinecycli kunnen 46% rendement opleveren. Echter, de werkelijke prestaties komen doorgaans tekort aan deze theoretische maxima als gevolg van verschillende afbraakmechanismen en operationele beperkingen.

Problemen met het condens- en koelsysteem

Een condensator degradeert voornamelijk door het vervuilen van de buizen en lucht in het lek, met buisverstuiving die leidt tot een lagere warmteoverdracht, terwijl lucht in het lek de tegendruk van de condensator direct verhoogt en de kwaliteit van het water degradeert. Deze problemen veroorzaken een cascading effect op de algehele prestaties van de installatie.

Aangezien de hoofdfunctie van de condensator is om stoom te condenseren die van de laatste fase van de stoomturbine naar de vloeibare vorm stroomt, is het vanuit een thermodynamisch standpunt zeer wenselijk dat dit gebeurt bij de laagste temperatuur die redelijkerwijs haalbaar is, aangezien het verlagen van de condenserende temperatuur de tegendruk op de turbine verlaagt, wat de prestaties van de turbine verbetert. Elke afbraak van de condensatorprestaties heeft direct invloed op de volledige stoomcyclusefficiëntie.

Hulpsystemen en parasitische ladingen

Hulpapparatuur verbruikt een aanzienlijk deel van de opgewekte elektriciteit van de installatie. Componentefficiënties voor een referentieinstallatie zijn onder meer 87% ketelefficiëntie, 40% turbineefficiëntie, 98% generatorefficiëntie en 6% hulplast, wat resulteert in een totale efficiëntie van 32% en een netto warmtesnelheid van 10.600 Btu/kWh. Deze hulpbelastingen omvatten voerpompen, ventilatoren, apparatuur voor verontreinigingsbeheersing en andere ondersteunende systemen die essentieel zijn voor het functioneren van de installatie.

Ventilatoren, pompen en motoren in de hele fabriek verbruiken elektriciteit om de werking te handhaven. Inefficiënte motoren, oversized apparatuur, en slechte controle strategieën kunnen allemaal bijdragen tot een overmatig hulpverbruik, waardoor de netto elektrische uitgang beschikbaar voor verkoop aan het net.

Degradatie en veroudering van de apparatuur

De gemiddelde kolengestookte centrale is nu 40 jaar oud en in de loop van vier decennia zijn deze installaties onderhevig geweest aan fysieke veranderingen en reparaties en hebben ze te lijden gehad van leeftijdsgebonden achteruitgang. Deze verouderde infrastructuur biedt unieke uitdagingen voor het behoud van optimale efficiëntie.

Veel van deze wijzigingen omvatten de toevoeging van emissiecontroles, die meestal een negatief effect hebben op de warmtesnelheid, en sinds de eerste start hebben veel eenheden hun brandstoftoevoer veranderd, de personeelssterkte verminderd en werd opgeroepen voor flexibele operaties die nadelige effecten hebben op de warmtesnelheden.De cumulatieve impact van deze veranderingen resulteert vaak in geleidelijke prestatiedegradatie die onopgemerkt kan blijven zonder dat er een goede monitoring plaatsvindt.

Zonder waarschuwingen voor verlies van de prestaties van de gedeeltelijke belasting, kunnen locaties geen afbraak van apparatuur detecteren en bij verzending naar de luchthaven van Zweibrücken kunnen zij niet in staat zijn hun verbintenis aan het net te maken - in één geval kort bij 25MW, met ongeveer $ 1 miljoen verloren in operationele efficiëntie tijdens het werken in een onopgemerkte gedegradeerde staat bij deelbelasting. Dit voorbeeld illustreert de financiële gevolgen van onopgemerkte efficiëntieverliezen.

Cycling en flexibele werking Impacts

Elke keer als een centrale wordt uitgeschakeld en ingeschakeld, de ketel, stoomleidingen, turbine, en hulpcomponenten gaan door onvermijdelijk grote thermische en drukspanningen, die schade veroorzaken, erger gemaakt voor hoge temperatuur componenten door het fenomeen genaamd kruipvermoeidheid interactie. Deze fietsschade accumuleert zich in de tijd, verminderen de levensduur van de componenten en het verhogen van onderhoud eisen.

Flexibele werking verwijst naar het vermogen van een installatie om te werken bij deelbelasting, belasting na, en fietsen (aan en uit) modi in reactie op economische omstandigheden en een toegenomen gebruik van niet-kolen gebaseerde opwekking, met bedrijfsomstandigheden onder flexibele werking die leiden tot vermindering van de efficiëntie van de installatie en een verhoogde afbraak en/of onderhoud van componenten. Naarmate hernieuwbare energiebronnen meer in de buurt komen, werken thermische installaties steeds meer in deze flexibele modus, waardoor de efficiëntie wordt versneld.

Uitgebreide problemen oplossen strategieën

Prestatiebewaking en diagnose

Plant Performance Intelligence with Reliability maakt gebruik van geavanceerde digitale dubbele mogelijkheden om de afbraak van prestaties en herstel van de prestaties in het hele installatiesysteem te analyseren, en door gebruik te maken van deze prestatietrends, en door verwachte recoveries op basis van historische prestaties, verbetert het de zichtbaarheid en daarmee de algehele productiviteit en efficiëntie. Moderne monitoringsystemen bieden realtime inzicht in de prestaties van planten die proactief onderhoud en optimalisatie mogelijk maken.

Met behulp van digitale tweelingen die op natuurkunde gebaseerd zijn, kunnen output- en warmtesnelheidsprestaties worden vergeleken met de prestaties van de installatie. Deze vergelijking stelt de exploitanten in staat specifieke gebieden van afbraak te identificeren en de impact van verschillende efficiëntieverliezen op de algehele prestaties van de installatie te kwantificeren.

Power plant faciliteiten met warmtesnelheid verbetering programma's beter presteren dan die zonder dergelijke programma's, zoals een warmtesnelheid verbetering programma biedt meestal voldoende informatie voor besluitvorming met betrekking tot tijdige onderhoudsacties, operationele aanpassingen, en fysieke wijzigingen. Het opzetten van een formeel monitoring programma is essentieel voor een duurzame efficiëntie verbetering.

Systematische warmte-energieanalyse

De warmteverliesmethode voor de bepaling van de warmtesnelheid breekt de centrale in wezen in drie subsystemen waar een energieconversieproces plaatsvindt: de ketel, waar brandstofwarmte wordt omgezet in stoomenergie; de turbine, waar stoomwarmte wordt omgezet in mechanische roterende energie; en de generator, waar roterende energie wordt omgezet in bruto- en netto-elektriciteit, waarbij de methode een doos rond elk subsysteem trekt en de efficiëntie van elk energieconversieproces bepaalt.

Deze systematische aanpak stelt de plant ingenieurs in staat om specifieke bronnen van efficiëntieverlies te isoleren en prioriteit te geven aan verbeteringsinspanningen op basis van mogelijke impact. Een belangrijk probleem met het gebruik van de input/output methode om warmtesnelheid te bepalen is dat, mocht de warmtesnelheid veranderen van de ene situatie naar de volgende, je geen idee hebt van wat leidde tot de verandering - was de ketel minder efficiënt bij het verbranden van de brandstof, is turbine efficiëntie verminderd als gevolg van hoge condensator backpressure, of heeft de centrale service vermogen verhoogd, waarbij ingenieurs te vertrouwen op een nauwkeuriger methode voor het bepalen van warmtesnelheid.

Specifieke probleemgebieden identificeren

De doelstellingen boom presenteert tien specifieke doelstellingen die het mogelijk maken om de wereldwijde doelstelling van TPP warmtesnelheid verliezen geïdentificeerd: Boiler verliezen geïdentificeerd; Condensaat/FW systeem verliezen geïdentificeerd; Circulerende water systeem verliezen geïdentificeerd; Turbine verliezen geïdentificeerd; Stoom omstandigheden verliezen geïdentificeerd; Elektrische hulpverliezen geïdentificeerd; Stoom hulpverliezen geïdentificeerd; Brandstof behandeling verliezen geïdentificeerd. Deze gestructureerde aanpak zorgt voor een uitgebreide evaluatie van alle potentiële verliesbronnen.

Regelmatige inspecties en testprotocollen moeten zich richten op prestatiekernindicatoren voor elk belangrijk systeem. Trending van deze parameters toont aan dat geleidelijk aan degradatie die anders onopgemerkt zou kunnen blijven totdat aanzienlijke efficiëntieverliezen zijn opgelopen.

Bewezen oplossingen voor verbetering van de efficiëntie

Boiler Optimalisatie Strategieën

De verhelderende warmteverliezen kunnen worden verminderd door verbeterde verbrandingscontroles te installeren om het overtollige luchtniveau in de ovenoperatoren te verfijnen om het zuurstofgehalte in de oven te verlagen, en de voorverwarmende verbrandingslucht met afvalwarmte van de fabriek zal ook de efficiëntie verhogen.

Onverbrande brandbare verliezen kunnen worden verminderd door verbeterde boiler en brander tuning, met sommige installaties in staat om meer dan 1% in netto efficiëntie als gevolg van een kleine hoeveelheid tuning of kapitaalinvesteringen te winnen. Optimaliseren van verbrandingsprocessen zorgt voor een maximale energiewinning uit brandstof terwijl het minimaliseren van afval.

Intelligente roet-blowing systemen optimaliseren reinigingsschema's en minimaliseren overmatige boilerbuis vervuiling waardoor de warmteoverdracht efficiëntie te verbeteren. Het handhaven van schone warmteoverdracht oppervlakken is essentieel voor een efficiënte boiler werking, en geautomatiseerde systemen kunnen de reinigingsfrequentie optimaliseren om efficiëntie winsten in evenwicht te brengen met de energie die wordt verbruikt door het reinigingsproces zelf.

Isolatieverbetering verbetert de isolatie van stoomleidingen, kleppen en apparatuur om warmteverlies te minimaliseren en de algehele thermische efficiëntie te verbeteren, terwijl regelmatige inspectie en onderhoud van economen zorgt voor een effectieve warmteterugwinning van rookgassen en voorverwarming van ketelvoerwater. Deze onderhoudsgerichte verbeteringen voorkomen geleidelijke efficiëntievermindering in de loop van de tijd.

Verhogingen van turbine en generator

In de afgelopen 20 jaar hebben een groter aantal kerncentrales en fossiele energiecentrales wijzigingen doorgevoerd om de energieclassificatie te verhogen en/of de warmtesnelheid van geselecteerde eenheden te verbeteren door fysieke upgrades naar stoomturbinegeneratoren en verbeteringen aan hulpcomponenten, met algemeen gemelde warmtesnelhedenverbeteringen toegeschreven aan turbinewijzigingen in het bereik van 2 tot 4 procent.

Toepassing van geavanceerde coatings op turbinebladen verbetert de aerodynamica en vermindert verliezen, verbetert de efficiëntie van de turbine en de totale warmtesnelheid. Deze coatings verminderen wrijving en verbeteren de stoomstroomkenmerken, vertalen naar een betere energie-omzettingsefficiëntie.

Regelmatig onderhoud van turbines, waaronder stoomafdichting vervanging, blad inspectie, en uitlijning verificatie, voorkomt geleidelijke prestatie degradatie. Voorbeeld projecten omvatten het vervangen van de toevoerpomp turbine stoomafdichtingen, het herstellen van stoom en waterlekken, ketel chemisch reinigen, het herstellen van ketellucht in-leakage, het reinigen van lucht voorverwarmer spoelen, het herstellen van condensaat pompen, en het herstellen van rookgasontzwaveling (FGD) systemen.

Verbeteringen van het condens- en koelsysteem

Het behoud van optimale condensprestaties is van cruciaal belang voor de algehele efficiëntie van de installatie. Als eenmaal door koeling wordt gebruikt, kan het vuilen van condensbuizen aanzienlijk zijn, maar als een gesloten koelsysteem wordt gebruikt, kan de koelwaterkwaliteit worden gecontroleerd. Regelmatige reiniging van de buizen, luchtlekkagedetectie en -reparatie, en koelwaterzuivering dragen allemaal bij tot het behoud van lage condenserende tegendruk.

De waterverhitters verwarmen het water van de ketel vóór het in de ketel komt voor stoomopwekking, waarbij de warmte die wordt gebruikt om de temperatuur van het voerwater direct uit de thermische cyclus te verhogen, als stoom die uit verschillende turbinesecties wordt gewonnen. Vanuit een efficiënt oogpunt is het belangrijkste middel om de werking van dergelijke warmtewisselaars te verbeteren het handhaven van hun operationele effectiviteit.

Geavanceerde besturingssystemen en automatisering

Geavanceerde besturingsalgoritmen en strategieën optimaliseren verbranding, stoomtemperatuur en druk, evenals coördineren de werking van verschillende installaties systemen voor een verbeterde efficiëntie. Moderne besturingssystemen kunnen continu aanpassen van de bedrijfsparameters om optimale efficiëntie te handhaven onder verschillende belastingsomstandigheden.

Afhankelijk van de complexiteit van het neurale netwerksysteem en de kwaliteit van DCS die in een centrale is geïnstalleerd, kan de verbetering van de warmtesnelheid aanzienlijk zijn, met een verwachte verbetering van de boilerefficiëntie van 0-1,5%pt. Deze intelligente systemen leren van bedrijfsgegevens om de prestaties automatisch te optimaliseren.

Performance software kan helpen bij het optimaliseren van de werking van thermische energiecentrales door analyse van sensorgegevens en het identificeren van mogelijkheden om de efficiëntie te verbeteren en kosten te verlagen, het helpen identificeren van gebieden waar de installatie meer energie gebruikt dan nodig is en het voorstellen van aanpassingen om apparatuur degradatie problemen te verminderen.

Variabele frequentieaandrijvingen en motoroptimalisatie

Het gebruik van VFD's is ook van toepassing met waterpompen voor keteltoevoer, en in het algemeen, wanneer een eenheid met een oudere stoomturbine minder dan 350 MW wordt beoordeeld, kan het gebruik van motoraangedreven ketelvoerwaterpompen als de belangrijkste bestuurders praktisch worden geacht vanuit een efficiëntieoogpunt, waarbij eenheden die vaak de beste resultaten opleveren op het gebied van warmtereducties met VFD's, gevolgd door vloeistofkoppelingen, en het gebruik van VFD's voor ketelvoerpompen in de industrie steeds vaker voor grotere eenheden.

Dankzij de variabele frequentieaandrijving kunnen motoren bij optimale snelheden werken voor de huidige belastingsomstandigheden, waardoor het energieverbruik wordt verminderd in vergelijking met een constante snelheidsbediening met throttling of klepregeling. Deze technologie is bijzonder effectief voor ventilatoren, pompen en andere hulpapparatuur die werkt onder een breed scala van belastingsomstandigheden.

Warmteterugwinning en warmtekrachtkoppeling

Als je kijkt naar de enorme hoeveelheid afvalwarmte die wordt geproduceerd bij thermische elektriciteitsopwekking, dan zal je begrijpen dat het nodig is om energie te besparen door de gelijktijdige opwekking van elektriciteit en stoom (of warm water) voor industrieel gebruik en ruimteverwarming, bekend als warmtekrachtkoppeling, met een rendement van maximaal 65% gemeld. Cogeneratiesystemen vangen afvalwarmte die anders zou worden afgewezen voor het milieu, een aanzienlijke verbetering van het totale energieverbruik.

In de topping cyclus, brandstof wordt verbrand om elektrische of mechanische energie te produceren, en de afvalwarmte van de stroomopwekking zorgt voor de proceswarmte, terwijl in de bodemcyclus, brandstof wordt verbrand om eerst proceswarmte te produceren en de afvalwarmte van de processen wordt vervolgens gebruikt om stroom te genereren. De keuze tussen deze configuraties is afhankelijk van de specifieke thermische en elektrische eisen van de faciliteit.

Afvalwarmtegebruik verkent mogelijkheden om afvalwarmte te gebruiken voor processen ter plaatse, zoals drogen, voorverwarming of ruimteverwarming, om het energieverbruik te maximaliseren. Zelfs zonder volledige WKK-implementatie, het vastleggen en gebruiken van afvalwarmte voor hulpprocessen kan de algehele efficiëntie van de installatie verbeteren.

Onderhoud Beste praktijken voor duurzame efficiëntie

Preventieve onderhoudsprogramma's

Goed onderhoud en operationele praktijken zijn essentieel om efficiëntieverlies te voorkomen, aangezien verwaarlozing kan leiden tot afbraak van apparatuur en achteruitgang van de prestaties. Een uitgebreid preventief onderhoudsprogramma behandelt mogelijke problemen voordat ze resulteren in significante efficiëntieverliezen of storingen in apparatuur.

De regelmatige inspectieschema's moeten alle belangrijke installaties bestrijken, met bijzondere aandacht voor componenten waarvan bekend is dat ze in de loop van de tijd afbreken. Vroegtijdige opsporing van slijtage, vervuiling, lekken en andere problemen maakt tijdige interventie mogelijk voordat efficiëntieverliezen aanzienlijk worden.

Voorspellend onderhoud verbetert niet alleen de productiviteit, maar kan ook miljoenen besparen in vermeden kosten, en het belangrijkste, het kan ongeplande stilstand te verminderen. Door het monitoren van de uitrusting conditie en het voorspellen van storingen voordat ze optreden, kunnen planten plannen onderhoud tijdens geplande uitval, het minimaliseren van productieverliezen.

Chemische reiniging en waterzuivering

De chemische reiniging van de ketel verwijdert afzettingen die de warmteoverdracht efficiëntie verminderen en kan leiden tot buisstoringen. Regelmatige monitoring en behandeling van de waterchemie voorkomen schaalvorming, corrosie, en vervuiling die de prestaties van de ketel en condensator te verminderen. Het handhaven van de juiste waterchemie is een van de meest kosteneffectieve manieren om plantefficiëntie te behouden.

Condenserbuisreiniging, hetzij door mechanische methoden of chemische behandeling, herstelt de warmteoverdrachtscapaciteit en vermindert de tegendruk. De reinigingsfrequentie moet worden gebaseerd op de controle van de prestaties van de condensatorparameters, waarbij reiniging gepland is voordat efficiëntieverliezen significant worden.

Luchtlekdetectie en -reparatie

Luchtin-leakage in de condensator en andere lagedruksystemen verhoogt de tegendruk en vermindert de efficiëntie. Regelmatige lekdetectieonderzoeken met behulp van ultrasone of andere methoden kunnen lekken identificeren die anders onopgemerkt zouden kunnen blijven. Snelle reparatie van geïdentificeerde lekken voorkomt voortdurende efficiëntieverliezen.

Stoomlekken in de hele fabriek vertegenwoordigen zowel efficiëntieverliezen als veiligheidsrisico's. Een systematische lekdetectie en reparatie programma behandelt deze problemen, met prioriteit gegeven aan hogedruklekken die het grootste energieverlies vertegenwoordigen.

Economische overwegingen en rendement van investeringen

De achteruitgang van de warmtesnelheid heeft rechtstreeks gevolgen voor de brandstofkosteneconomie in elektriciteitscentrales, met een stijging van 1% van de warmtesnelheid die de brandstofkosten voor dezelfde energieproductie met 1% verhoogt, en grote industriële installaties die miljoenen extra jaarlijkse kosten dragen. Het begrijpen van de economische impact van efficiëntieverliezen rechtvaardigt verbeteringsinvesteringen.

Voorbeeldprojecten omvatten turbine stoom afdichting upgrades, turbine sectie vervangingen, intelligente roetblowing systemen, geautomatiseerde ketel afvoeren, kolen droogsystemen, luchtverwarmer manden, en verbranding optimalisatie, met warmte reducties variërend van 0,10% tot 2,50% en project positieve netto voordelen variërend van $ 30.000/jaar tot $ 2,9 miljoen/jaar. De brede waaier van potentiële voordelen toont het belang van zorgvuldige project selectie en prioritering.

Uit onderzoek is gebleken dat ongeveer 200 warmtesnelheden zijn verbeterd, waarbij de uitstoot van ongeveer 5% voor de hele vloot is verminderd, waarbij ongeveer 30 maatregelen zo'n grote brandstofbesparing opleveren dat zij met een rendement van minder dan drie maanden kunnen worden uitgevoerd. Veel efficiëntieverbeteringen bieden snelle terugverdientijden, waardoor ze aantrekkelijke investeringen zijn, zelfs onder onzekere marktomstandigheden.

Efficiëntieverbeteringsprojecten worden economisch aantrekkelijk wanneer het warmtepercentage aanzienlijk afneemt, met het verbeteren van turbinecomponenten of het implementeren van geavanceerde controlesystemen die de prestaties kunnen herstellen, en de terugverdientijd voor deze investeringen variëren vaak van 2-4 jaar. Nog grotere investeringen kunnen gerechtvaardigd zijn wanneer efficiëntieverliezen aanzienlijk zijn.

Casestudies en resultaten in de reële wereld

Resultaten van het onderhoudsproject

Voorbeeldprojecten omvatten het vervangen van de pomp van de pomp stoom afdichtingen, het herstellen van stoom en water lekken, ketel chemisch reinigen, het herstellen van ketel lucht in-leakage, het reinigen van lucht voorverwarmer spoelen, het herstellen van condensaat pompen, en het herstellen van rookgas ontzwaveling systemen, met warmte reducties variërend van 0,03% tot 1,50% en onderhoud jaarlijkse baten-kosten verhouding variërend van ongeveer een tot meer dan 100.

Deze resultaten tonen aan dat zelfs relatief eenvoudige onderhoudsactiviteiten aanzienlijke efficiëntieverbeteringen kunnen opleveren. De brede waaier van baten-kostenratio's benadrukt het belang van een juiste projectselectie op basis van plantspecifieke omstandigheden en afbraakpatronen.

Succes bij het toezicht op de prestaties

Uit de prestatie-informatie bleek dat een nut in het Midden-Oosten op een lagere capaciteit dan het recht, met de adviseur aanbevelen optimale timing voor offline waterwas reiniging efficiënter te lopen, verbranden minder brandstof, en dus leiden tot lagere emissies, terwijl ook aanvullende prestaties tekort in de installatie apparatuur die de afbraak van warmtesnelheid en capaciteit veroorzaakten, met het team van de installatie analyseren van de vastgestelde punt effecten, volgens de aanbevelingen, en het bereiken van de hoogste gemeten plantcapaciteit.

Een kolengestookte centrale bereidde zich voor om over te schakelen op gas, maar verzocht EPRI een warmtebeoordeling uit te voeren, waarin talrijke acties werden geïdentificeerd om de prestaties van de installatie te verbeteren, en na het nemen van de aanbevolen maatregelen, is de installatie nog steeds actief, terwijl in een ander voorbeeld, EPRI hielp bij het identificeren van de oorzaak van een koelsysteem probleem, het verminderen van een bestaande prestatiestraf met meer dan 50%, wat resulteert in jaarlijkse brandstofkostenbesparing van ongeveer $ 75.000.

Operationele optimalisatiestrategieën

Optimalisatie laden

De meeste installaties hebben een "sweet spot" waar de efficiëntie het hoogst is, meestal tussen 70% en 100% van de nominale capaciteit. Het begrijpen van plantspecifieke efficiëntiecurves stelt de operators in staat om de verzendingsbeslissingen te optimaliseren en de warmtesnelheid te minimaliseren tijdens verschillende belastingsomstandigheden.

Als de installatie flexibel werkt, kan ze nog steeds lagere warmtesnelheid realiseren door gebruik te maken van variabele snelheidsaandrijvingen, prestaties te monitoren, het koelsysteem te optimaliseren en oscillaties voor temperatuur, stroom en druk te minimaliseren. Zelfs wanneer fietsen of belastingsvolgen nodig is, kan zorgvuldige aandacht voor operationele parameters de efficiëntie van de sancties minimaliseren.

Stoomtemperatuur en -drukregeling

De thermische efficiëntie van stoomcentrales is afhankelijk van de temperatuur en druk van de stoom die de turbine binnenkomt, en daarom wordt hoge temperatuur en druk van stoom die de turbine binnenkomen, gebruikt om het thermische rendement te verhogen, terwijl het thermische rendement daarentegen toeneemt door een daling van de temperatuur en de stoomdruk in de condensator.

Voor het behoud van design stoomomstandigheden is het nodig dat het regelsysteem zorgvuldig wordt afgestemd en regelmatig instrumentatie wordt gekalibreerd. Afwijkingen van optimale stoomparameters, of het nu gaat om afbraak van apparatuur of om problemen met het controlesysteem, moeten onmiddellijk worden aangepakt.

Verbrandingoptimalisatie

Optimaliseren van het verbrandingsproces zorgt voor volledige brandstofverbranding en minimalisering van overtollige lucht. Te weinig lucht resulteert in onvolledige verbranding en onverbrande brandstofverliezen, terwijl te veel lucht de verstandige warmteverliezen in het rookgas verhoogt. Moderne verbrandingscontrolesystemen kunnen continu de lucht-brandstofverhoudingen aanpassen om optimale omstandigheden te handhaven.

Regelmatige brander inspecties en aanpassingen handhaven de juiste vlampatronen en mengeigenschappen. Gesleten of beschadigde branders kunnen de verbrandingsefficiëntie aanzienlijk afbreken en moeten worden gerepareerd of vervangen als onderdeel van routineonderhoud.

Prestatiebenchmarking

Prestatiebewaking en benchmarking monitoren en benchmarken regelmatig de warmtesnelheidsprestaties van de installatie aan de hand van industrienormen en beste praktijken om gebieden voor verbetering te identificeren en vooruitgang te volgen. Door de prestaties van de installaties te vergelijken met vergelijkbare eenheden of industrienormen, kunnen mogelijkheden voor verbetering worden geïdentificeerd en wordt de doeltreffendheid van optimalisatie-inspanningen gevalideerd.

Het PCO-beoordelingsproces bestond uit het benchmarken van thermische prestaties van installaties met behulp van historische gegevens van installaties om mogelijke gebieden voor prestatieverbetering te identificeren, waarbij sommige gevallen een aanzienlijke verbetering van de warmtesnelheid bereikten met een hernieuwde inzet voor beste bedrijfspraktijken, en zonder de noodzaak van kapitaalinjecties voor nieuwe technologie. Soms komen de meest effectieve verbeteringen door terug te keren naar fundamentele operationele beginselen in plaats van dure apparatuur-upgrades.

Milieu- en regelgevingsoverwegingen

Een lage efficiëntie leidt tot een verhoogde uitstoot van broeikasgassen en andere verontreinigende stoffen, wat leidt tot milieugevolgen, waaronder lucht- en waterverontreiniging. Verbetering van de efficiëntie van installaties vermindert niet alleen de brandstofkosten, maar vermindert ook de milieueffecten per eenheid opgewekte elektriciteit.

De verbranding van fossiele brandstoffen en biomassabrandstoffen brengt een breed scala aan luchtverontreinigende stoffen vrij die de gezondheid van mensen en natuurlijke systemen schaden, waarbij thermische energiecentrales in de Verenigde Staten goed zijn voor ongeveer 25% van de uitstoot van broeikasgassen, hoewel de drastische verbeteringen in de efficiëntie van thermische energiecentrales de ernst van dergelijke effecten per kWh drastisch hebben verlaagd in vergelijking met een wereld zonder efficiëntieverbeteringen.

Efficiëntieverbeteringen zijn een van de meest kosteneffectieve strategieën om de emissies van bestaande thermische centrales te verminderen. Optimalisatie met een thermische adviesoplossing is een snelle en economische strategie om brandstof en emissies te helpen verminderen, met digitale tweelingen op basis van natuurkunde die prestaties en terugwinning in de installatieapparatuur mogelijk maken om de efficiëntie te verbeteren en de CO2-uitstoot te helpen verminderen.

Gecombineerde cyclustechnologie

De efficiëntie van aardgascentrales is de afgelopen decennia toegenomen door de inzet van zogenaamde gecombineerde cycluscentrales waarin een deel van de afvalwarmte van de verbranding van aardgas in gasturbines wordt opgevangen en gebruikt om extra elektriciteit te genereren in een conventionele stoomturbinecyclus. De gecombineerde cyclustechnologie vormt een van de belangrijkste vooruitgang in de efficiëntie van thermische centrales.

Voor bestaande kolencentrales kunnen warmtekrachtkoppelings- en bodemcycli afvalwarmte opvangen voor productief gebruik, waardoor de totale efficiëntie van de installaties wordt verbeterd, zelfs als de efficiëntie van de elektrische opwekking door bestaande apparatuur wordt beperkt.

Geavanceerde materialen en superkritische stoomomstandigheden

Ultra-superkritische en geavanceerde ultra-superkritische stoomomstandigheden maken hogere thermische efficiëntie door te werken bij verhoogde temperaturen en druk. Strategieën omvatten geavanceerde ontwerpen, gecombineerde warmte- en energiesystemen, en het gebruik van geavanceerde materialen om warmteverlies te minimaliseren en thermodynamische processen te verbeteren. Terwijl de aanpassing van bestaande installaties voor deze omstandigheden niet praktisch is, kunnen nieuwe constructie en belangrijke verbouwingen deze technologieën integreren.

Geavanceerde materialen die bestand zijn tegen hogere temperaturen en druk maken efficiëntere thermodynamische cycli mogelijk. Onderzoek blijft naar materialen die de bedrijfsomstandigheden verder kunnen uitbreiden, en belooft extra efficiëntiewinst in toekomstige plantontwerpen.

Artificiële intelligentie en machine learning

Kunstmatige intelligentie en machine learning toepassingen in de energiecentrale optimalisatie blijven vooruit. Deze systemen kunnen complexe patronen in de operationele gegevens die menselijke operators zouden kunnen missen identificeren, waardoor meer geavanceerde optimalisatie strategieën en voorspellende onderhoudsbenaderingen.

Neurale netwerken en andere AI-technologieën kunnen optimale controlestrategieën leren van historische gegevens, waardoor de prestaties voortdurend worden verbeterd naarmate ze meer operationele ervaring opdoen. Deze systemen bieden bijzondere belofte voor het optimaliseren van complexe, multivariabele processen zoals verbrandingscontrole en stoomcyclusbeheer.

Uitvoering van een programma voor een uitgebreide verbetering van de efficiëntie

Beoordeling en vaststelling van de basisvoorwaarden

De eerste stap in een efficiëntieverbeteringsprogramma is het vaststellen van een nauwkeurige basislijn van de huidige prestaties. Dit vereist uitgebreide gegevensverzameling over alle belangrijke installatiesystemen, waaronder brandstofverbruik, elektrische output, stoomomstandigheden, koelwaterparameters en hulpbelastingen.

Gedetailleerde hittemeting onder gecontroleerde omstandigheden levert de meest nauwkeurige basisgegevens op. Deze test moet worden uitgevoerd op meerdere belastingspunten om de efficiëntiekenmerken over het hele werkingsgebied te begrijpen. Regelmatige herhaling van de prestaties van de testsporen trends en valideert verbeteringsinspanningen.

Prioriteiten en planning

Met de vaststelling van de basisprestaties, moeten mogelijke verbeteringen worden geïdentificeerd en prioriteit gegeven op basis van verwachte voordelen, implementatiekosten en operationele beperkingen. Snelle winsten met minimale kapitaalvereisten moeten eerst worden geïmplementeerd om vroege successen te genereren en een impuls te geven aan het programma.

Grotere kapitaalprojecten vereisen een zorgvuldige economische analyse, waarbij niet alleen rekening wordt gehouden met directe efficiëntievoordelen, maar ook met de gevolgen voor betrouwbaarheid, onderhoudskosten en operationele flexibiliteit. Integratie met geplande onderbrekingsschema's minimaliseert productieverliezen tijdens de uitvoering.

Uitvoering en verificatie

Succesvolle implementatie vereist zorgvuldig projectbeheer, kwaliteitscontrole en inbedrijfstelling. Post-implementatie testen controleert of de verwachte voordelen worden bereikt en identificeert eventuele problemen die correctie vereisen.

Documentatie van de lessen die uit elk project zijn getrokken verbetert de toekomstige implementatie-inspanningen. Het delen van successen en uitdagingen binnen de organisatie bouwt institutionele kennis en capaciteit voor voortdurende efficiëntieverbetering.

Continue verbeteringscultuur

Voor het behoud van efficiëntieverbeteringen is een cultuur van continue verbetering in de hele organisatie nodig, waaronder regelmatige training voor operators en onderhoudspersoneel, duidelijke prestatie-indicatoren en verantwoordingsplicht, en erkenning van efficiëntieprestaties.

Doorlopende monitoring en trending van de belangrijkste prestatie-indicatoren maakt het mogelijk om vroegtijdige detectie van afbraak en tijdige interventie. Regelmatig management review van efficiëntie-metrics houdt organisatorische focus en zorgt ervoor dat middelen beschikbaar zijn voor verbeteringsinitiatieven.

Conclusie

De efficiëntieverliezen van thermische centrales zijn het gevolg van meerdere bronnen over het gehele energieomzettingsproces, van brandstofverbranding door stoomopwekking tot elektrische productie. De gemiddelde efficiëntie van thermische centrales die fossiele brandstoffen gebruiken in de Verenigde Staten is aanzienlijk toegenomen, van 4% in 1900 tot 43% in 2023, met deze verbetering toegeschreven aan het verminderen van warmteverlies in de drie belangrijkste energieomzettingsprocessen: brandstofverbranding, stoomopwekking en elektriciteitsopwekking.

Hoewel er in de afgelopen eeuw aanzienlijke vooruitgang is geboekt, blijven er aanzienlijke mogelijkheden bestaan om de efficiëntie van bestaande thermische centrales te verbeteren. Systematische aanpak voor het oplossen van problemen die specifieke verliesbronnen identificeren, maakt gerichte verbeteringen mogelijk met meetbare voordelen. De combinatie van goed onderhoud, operationele optimalisatie, geavanceerde besturingssystemen en selectieve apparatuur-upgrades kunnen verbeteringen van de warmtesnelheid bereiken variërend van fracties van een procent tot meerdere procentpunten.

De economische voordelen van een verbetering van de efficiëntie zijn aanzienlijk, met een lager brandstofverbruik dat de rentabiliteit van de installaties rechtstreeks verbetert. Milieuvoordelen zijn onder meer vermindering van de uitstoot per eenheid opgewekte elektriciteit, waardoor installaties kunnen voldoen aan steeds strengere regelgevingseisen. Naarmate het landschap van de elektriciteitsopwekking blijft evolueren met een toenemende penetratie van hernieuwbare energiebronnen, wordt het behoud en de verbetering van de efficiëntie van thermische installaties nog belangrijker voor de economische levensvatbaarheid.

Succes vereist inzet van alle niveaus van de organisatie, van de exploitanten van installaties tot senior management. Het opzetten van formele efficiëntieverbeteringsprogramma's, investeren in monitoring en diagnosecapaciteiten, en het handhaven van de focus op continue verbetering stelt thermische energiecentrales in staat om optimale prestaties te bereiken en te behouden.Voor extra bronnen op het gebied van de optimalisatie van de energiecentrale, bezoek de V.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy en het Electric Power Research Institute[.

De weg naar verbeterde efficiëntie is geen eenmalig project maar een voortdurende reis van meting, analyse, verbetering en verificatie. Planten die deze benadering omarmen, stellen zich voor een succes op lange termijn in een steeds concurrerender en milieubewuster energiemarkt. Voor de industrie biedt de American Society of Mechanical Engineers waardevolle normen en middelen voor de exploitatie en optimalisatie van thermische centrales.