火力發電站發電系統節能的研究

王鑄城

摘 要：我國的火力發電規模是全球最大的，為我國的工業建設和居民生活水平的提高做出了卓越的貢獻。然而，我國的火力發電站大型機組相對偏少，技術依然落后，大部分火電站的結構還較為薄弱，這些造成火電站大量的能源浪費和污染問題。因此，加強對火力發電站的節能減排工作已迫在眉睫。本文的主要內容和目的是分析當前我國火力發電站主要系統在節能工作中存在的問題，并對火力發電站改善節能工作進行研究，從發電站的技術和管理環節提出了節能的相應的技術改進方案，并對未來火力發電站的發展趨勢做出了展望。

關鍵詞：火力發電站；發電系統；節能研究

中圖分類號：TM27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0002-02

1 火力發電站的主要結構與生產流程

火力發電站主要由三大主要設備鍋爐、汽輪機、發電機及相應輔助設備組成。它們通過管道或線路相連，構成電力生產主系統，即燃燒系統、汽水系統和電氣系統。燃煤經由輸煤皮帶輸送到鍋爐車間的煤斗，進入磨煤機磨成煤粉，然后與經過空氣預熱器預熱的空氣一起噴入鍋爐爐膛內燃燒，將煤的化學能轉換成熱能。水在鍋爐中加熱后蒸發成蒸汽，經過加熱器進一步加熱，成為具有規定壓力和溫度的過熱蒸汽，經過高壓蒸汽管道送入汽輪機。在汽輪機中蒸汽不斷膨脹，高速流動，沖擊汽輪機的轉子以額定轉速（3000r/min）旋轉，將熱能轉換成機械能，帶動與汽輪機同軸的發電機發電。發電機的機端電壓一般在10～20kV之間，電流可達數千安至20kA。由主變壓器升高電壓后，經變電站高壓電氣設備和輸電線送往電網。

鍋爐設備是火力發電廠中的主要熱力設備之一。由爐膛、煙道、汽水系統（包括受熱面、汽包、聯箱和連接管道）以及爐墻和構架等部分組成的整體，稱為鍋爐本體。它的任務是使燃料通過燃燒將化學能轉變為熱能，加熱鍋爐中的水，使其成為一定壓力和溫度的過熱蒸汽。鍋爐附屬設備主要有制粉設備、送風機、引風機、除灰設備等。

汽輪機本體是完成蒸汽熱能轉換為機械能的汽輪機組的基本部分。本體由固定部分（定子）和轉動部分（轉子）組成。固定部分包括汽缸、隔板、噴嘴、汽封、緊固件和軸承等，轉動部分包括主軸、葉輪或輪鼓、葉片和聯軸器等。固定部分的噴嘴、隔板與轉動部分的葉輪、葉片組成蒸汽熱能轉換為機械能的通流部分。汽缸是約束高壓蒸汽不得外泄的外殼。汽輪機本體還設有汽封系統。它的輔助設備有凝汽器、加熱器、除氧器、給水泵、凝結水泵、循環水泵等。

發電機是將機械能轉變成電能的電氣設備。現在幾乎都是采用三相交流同步發電機。發電機的軸與汽輪機的軸相連接，由汽輪機拖動發電機旋轉，在旋轉過程中，發電機把汽輪機輸出的機械能轉變為電能。發電機發出的三相交流電經輸配電設備（由變壓器、斷路器、隔離開關、桿塔、輸電線路等組成），輸入電力系統或由直配線路送至用戶。

2 我國火力發電站在節能中存在的主要問題

2.1 力發電站技術水平相對落后

目前我國火力發電站大機組比例少，技術參數相對落后，與臨界和超臨界大型機組比較，煤耗指標差約150g/kwh。同時電站系統未進行全面優化設計，主輔機選型及熱力系統設計沒有達到最佳。再加上設備的設計、制造、安裝質量等原因，國產火電機組達不到進口機組先進水平，效率普遍低于設計保證值，20萬千瓦機組效率差5%～7%，早期投產引進型30萬千瓦機組效率差2%～5%，國產60萬千瓦超臨界機組效率差1%～2.5%。

2.2 鍋爐能量損失

燃料在鍋爐內燃燒過程中的能量損失主要包括：固體未完全燃燒熱損失， 可燃氣體未完全燃燒熱損失，鍋爐散熱損失，排煙熱損失，灰渣物理熱損失等。漏風率過大使煙氣溫度水平降低，煙氣與受熱面間熱交換變差，排煙溫度升高；漏風還增大了煙氣容積，其結果造成鍋爐排煙熱損失和引風機電耗都增大，降低鍋爐運行的經濟性。另外鍋爐負荷率、過熱主蒸汽溫度和壓力等參數影響。

2.3 汽輪機能量損失

在汽輪機內蒸汽熱能轉化為機械能的過程中，由于進汽節流，汽流通過噴嘴與葉片摩擦，葉片頂部間隙漏汽等原因，實際只能使蒸汽的一部分變為汽輪機的機械能，造成汽輪機的內部能量損失。造成汽輪機通流部分效率低的原因主要是：噴嘴損失大，調節級效率低，葉片型損和二次流損失大及動靜葉匹配不理想。另外主蒸汽溫度、壓力和凝汽器真空度也是影響機組發電煤耗的主要因素。

2.4 電力系統能量損失

大多數火電廠沒采用變頻調速技術，發電廠廠用電量約占機組容量的5%～l0%，除去制粉系統以外，泵與風機等火電機組的主要輔機設備消耗的電能約占廠用電70%～80%。同時廠用電系統用電負荷的大小、特點，合理設計不合理，變壓器及動力線纜選擇節能等級不夠，以及廠用電設備電機和照明器材的耗能也占有一定比例。

3 火力發電站節能降耗的技術方案和新技術

3.1 提高鍋爐燃燒效率

一是改造鍋爐燃燒器，改善燃燒器的著火穩定性和擴大鍋爐的負荷調節范圍。采用一些新型的燃燒器及燃燒新技術，如在配置正壓直吹式制粉系統的燃煤鍋爐上采用等離子點火燃燒器冷態點火啟動。

二是改造鍋爐受熱面。鍋爐受熱面改造包括過熱器、再熱器、省煤器等受熱面的改造。主要針對鍋爐末級過熱器超溫或爆管，氣溫過低降低機組熱效率，爐膛出口溫差大或者排煙溫度過高等問題。

三是改造鍋爐風機。選擇適合系數的高效風機，進行風機變速調節（變頻電源、液力偶合器、雙速電機）改造。

四是調整鍋爐運行參數。鍋爐負荷率在75%～85%范圍時，其效率最高，稱為經濟負荷。

3.2 提高汽輪機效率

一是通過對汽輪機通流部分及相關熱力系統的改造，提高熱循環效率、降低熱耗。近年來國內各汽輪機制造廠紛紛引進和消化了國外最先進的模塊化設計、全面應用三維氣動設計技術設計機組的通流部分，對通流部分及主汽閥、調節閥、氣缸等各部分主蒸汽流經的部位進行全面系統設計，最大限度地減少流動損失。一些火電廠也有計劃、有規模地進行舊機組通流部分改造，節能降耗效果明顯。例如：2015年某發電廠2#機組320MW汽輪機（型號為K-320-23.5-4型超臨界凝汽式）通流改造后，高、中壓缸效率分別比改造前提高了7.76%、3.5%；汽輪機額定工況熱耗率降低了537kJ/（kW.h）；額定工況時機組供電煤耗降低了約21g/（kW.h）。該機組通流改造前后熱力性能驗收實驗結果如表1。

二是汽輪機運行中，通過調整過熱主蒸汽溫度和壓力等參數影響提高汽輪機效率。主蒸汽溫度每升高1℃，煤耗減少0.8g/（kw.h），但是主蒸汽溫度不能超過允許范圍內，否則溫度過高將導致汽機設備損壞，溫度過低汽輪機的濕汽損失增加，效率降低。主蒸汽壓力每升高1MPa，煤耗減少1.5～2g/（kW.h），但是主蒸汽壓力也不能超過允許范圍，否則主蒸汽壓力過高將引起汽輪機設備部件的應力增加，對管道和汽閥的安全不利，主蒸汽壓力過低，引起煤耗增加，汽輪機的最大出力受到限制。

三是采用了新的膠球清洗裝置改造，提高凝汽器的真空度。國外ALSTOM公司關于凝汽器清洗系統對出力的影響研究結論見表2。

凝汽器真空度降低及真空系統泄漏均會引起熱耗上升，真空每降低1kPa，熱耗增加80kJ/（kw·h），煤耗增加3g/（kw·h）。因此配置較好的膠球清洗設備對經濟性的提高非常可觀。

3.3 電氣系統改造節能

利用變頻技術對火電站用電設備的驅動電源進行變頻改造。對于運行工況變化較大的輔助電氣設備，采用變頻調速可有效降低電力損耗20%～50%。合理設計廠用電系統，降低系統損耗，保證供電質量。選擇節能型變壓器，目前國內推廣的節能變壓器有10、11等系列產品，與S7、S9系列變壓器相比，空載損耗平均降低7%～10%，負載損耗平均降低20%～25%，總損耗平均降低18%左右。廠用電動機應選用效率高的產品。根據電廠生產工藝的需要，合理選擇電機功率，設計中避免大馬拉小車的現象；照明器選用效率高、利用系數高、配光合理、保持率高的綠色環保產品，同時照明設計應充分考慮設備布置影響因素。

3.4 積極推進技術創新，研發新技術

應用現代信息技術、先進控制理論與技術、現代熱力學分析方法與先進檢測與診斷技術等，提高機組的自動化水平，實現全工況節能優化運行控制，也是大型燃煤發電廠節能降耗的重要途徑。不斷研發新技術，把科技創新能力作為火力發電廠發展的核心驅動力，有效提高燃煤發電效率并減少資源消耗。采用大容量、高參數、高效率的潔凈煤發電技術，使供電煤耗持續下降等。

4 電力發展的展望

為實現國強民富的理想，根據相關規劃，2020年我國人均發電量水平將超過意大利目前水平，2050年將超過日本、德國目前水平。今后我國電力將向更清潔、更低碳、更高效持續發展方向，優先規劃建設水電、風電、太陽能發電、光伏發電、核電及其他可再生能源發電，同時根據用電增長需要，增加天然氣發電比重，優化電源結構，提高能效，降低成本，減少溫室氣體排放。

參考文獻

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