燃氣發電廠電氣能耗分析與節能降耗措施研究

楊孝義，張志萍

（1.深圳能源光明電力有限公司，廣東 深圳 518107；2.廣電計量檢測（深圳）有限公司，廣東 深圳 518110）

近年來全球能源市場震蕩加劇，并爆發了新一輪的能源危機。煤炭和天然氣作為發電廠生產的重要燃料，由于能源危機導致的燃料價格持續增長必然造成發電廠的生產和經營成本大幅增加。同時，“碳達峰，碳中和”是黨中央為解決資源問題的重大戰略決策，旨在早日實現中國經濟的可持續發展，并計劃到2025 年，單位國內生產總值能耗比2020 年下降13.5%，重點行業能源利用效率大幅提升；到2030 年，單位國內生產總值能耗大幅下降，重點耗能行業能源利用效率達到國際先進水平；到2060 年，非化石能源消費比重達到80%以上，能源利用效率達到國際先進水平，碳中和目標順利實現。因此節能降耗對于維系發電廠可持續發展已迫在眉睫。

基于節能降耗工作的重要性，國家相繼出臺電力行業節能降耗相關標準法規，旨在規范和細化能耗的計算方法和管理方式。GB/T 28557—2012《電力企業節能降耗主要指標的監管評價》[1]規定了電力企業能源轉化效率與自身能源損耗監管評價方法，對供電標準煤耗、廠用電率、電網綜合線損率等核心參數進行概念定義，并明確了統一的計算公式。GB/T 40370—2021《燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產能耗指標計算方法》[2]細化了燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產能耗指標的計算方法。

燃氣-蒸汽聯合循機組與傳統的燃煤火力發電及新興的風力發電、光伏發電相比，燃氣發電的能量利用率更高，電能輸出功率穩定，環境污染問題大幅改善，同時，機組啟、停靈活、快速，可快速滿足電網需求，提高電網的穩定性。但是隨之而來的天然氣價格逐年攀升、機組啟停頻繁等問題對燃氣發電廠節能降耗提出了更高的挑戰。

1 燃氣發電廠電氣能耗原因分析

1.1 企業生產成本高

近年來我國燃氣發電機組數量迅速增長，到2021年底，全國燃氣發電裝機容量10 859 萬kW，占全國發電裝機總容量的4.6%，主要分布在京津冀、長三角和珠三角等東部經濟發達地區。除部分地區作為供熱機組外，多以調峰調頻為主，約占燃氣發電機組總容量的70%。2021 年，全國燃氣發電機組發電量占全國總發電量的3.4%，燃氣發電利用小時較低，企業經營成本居高不下[3]。最根本的問題在于作為燃料的天然氣價格普遍過高，近年來，燃氣電廠購買的到廠氣價在2.5～3 元/m3，在冬季年暖季節甚至會更高，這就導致氣電機組要想保本，電價須達到0.6 元/kWh 左右，與水電、煤電、核電、風電及光伏發電相比，氣電在價格上缺乏競爭性。同時，大多數燃機按照“兩班制”運行方式，日啟停頻繁，存在日運行時長短、運行負荷率低、設備操作啟停頻繁和設備利用率低等問題，嚴重影響設備使用壽命，造成大量電氣損耗。

1.2 運營管理不規范

電廠自身管理機制不規范也會造成電氣能耗過高。與水電、煤電、核電、風電和光伏發電等企業而言，氣電在上網價格和燃料價格上缺乏競爭性。近年來，面對傳統火電、風電光伏和儲能等新能源企業帶來的沖擊，為了獲取更高的經濟價值，部分燃氣電廠在運營管理方面會違背節能降耗的基本理念，在管理上一味追求利益至上的理念，導致現場工作人員節能降耗意識喪失，缺少相關制度的監督與培訓，在日常監視和操作中不規范，違反操作規程。如設備參數監視不到位、異常參數不重視、長期不進行設備輪換、設備運行周期不均衡、跳步缺項操作、日常檢修和檢查不規范和人員野蠻操作等。這些不規范的操作行為不能及時制止與改正，將造成設備損壞、性能下降、運行效率降低，設備老化加速，設備能耗升高，縮短設備使用壽命，增加設備運行維護成本。

1.3 電磁損耗

電磁損耗是電廠電氣設備運行過程中無法完全避免的損耗，主要分為銅損、鐵損和雜散損耗，也是發電廠能耗的主要部分。在發電機、變壓器、電動機等設備運行時會產生電磁效應，在電磁轉換的過程中，電流流過繞組時因繞組本身電阻的原因消耗能量，使繞組溫度升高，這部分消耗在繞組電阻的上損耗，稱之為銅損，銅損將嚴重影響設備的運行效率、運行性能[4]。同時，磁場在鐵磁材料中產生大小、方向有周期性變化的磁通，從而引起磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗和渦流將轉化為熱能，最直觀的表現形式是鐵心、定子齒或槽的局部溫升，影響鐵磁材料性能，效率降低，影響電氣設備的使用壽命。雜散損耗是漏磁通穿過鋼結構件（如板式夾件、鋼壓板、壓釘螺栓及油箱壁等）引起的損耗[5]。

1.4 輔機電氣損耗

燃氣-蒸汽聯合循機組中的輔機主要包括循環水泵、給水泵、凝結水泵、閉式水泵、天然氣增壓機和空氣機等，在日常運行過程中能耗占比非常高，損耗方式主要分為空載運行期間電氣損耗、設備自然損耗、設備自身運轉過程與空氣摩擦損耗。當這些設備設計配置不合理、運行方式不合理或非正常工況下，會造成設備運行效率低，能耗升高，甚至設備損壞，如設計容量、選擇型不能滿足實際需求，出現“小馬拉大車”或者“大馬拉小車”等情況。同時，在機組夜間停機期間，為了帶走停機后部分輔機運行產生的熱量，需要維持循環水系統、閉式水系統運行，導致相關泵組長時間處于低負荷運行狀態，設備運行效率低，加快了設備老化速度，增加了運行維護成本，從而引起設備能耗升高。

1.5 照明電氣損耗

對發電廠而言，在日常生產運行中，照明規模大，電路回路多，不同季節、天氣、時間、廠房及廠區環境均對照明系統提出不同的要求。不合理的照明設計、照明燈具的選擇等將極大增大廠用電率。其次，廠區內照明燈具的種類型號較多，運行環境復雜，照明燈具的使用壽命比較短，在日常的檢修更換過程中造成電氣損耗及資源浪費。由于部分場所對照明要求較高，工作人員在選擇燈具時沒有合理應用節能燈具以及節能技術，未能發揮照明電氣的節能降耗作用。若工作人員對廠區線路燈具的維護不重視，也將會加快線路燈具的老化，不僅造成電力資源的浪費，加劇環境光污染，同時，對電廠安全運行也存在巨大隱患。

1.6 暖通電氣損耗

在電廠日常生產運行中，由于電力設備分布范圍廣，對運行環境要求各不相同。為了滿足各區域溫度及通風要求，需要由復雜的暖通系統對廠區內各區域溫度機通風進行控制。由于暖通系統規模大且復雜，運行要求高，在生產運營中能耗占比非常高。當暖通系統設計配置不合理、布局分布不均勻，運行方式不合理、運行維護不到位設備老化時，將會造成系統運行效率低，熱源或冷源的損失，通風效果不佳，導致電氣能耗增加，廠用電率升高。若暖通系統故障，嚴重時，降導致設備損壞，影響機組安全運行，如在冬季時，導致水管道結冰，系統無法運行；夏季時，環境溫度較高，若無法及時提供冷源，使設備運行溫度升高，特別是電子間、保護間、配電室等對環境溫度要求較高的區域，將嚴重影響機組安全運行。

2 燃氣發電廠電氣能耗應對措施

2.1 優化市場對策

掌握電力市場實時變化趨勢，調研周邊用電大戶，與電網公司加強溝通，做好產能排期預測管理，爭取最優運行方式及機組啟停政策，降低廠用電率；加強對天然氣供應商的合作與管理，開發新天然氣供應商，充分保障天然氣低價、可持續性供應；根據計劃停機時長，決定是否停運主變及高廠變，以節約變壓器空載損耗。

2.2 規范運營管理

加強員工節能降耗理念，培養員工節能意識，了解節能降耗的重要性；加強工作人員技能培訓，提高工作人員技能水平，避免日常操作事故；建立健全節能降耗技術措施，并制定完善的監督體系，精細化管理，保證節能降耗措施落到實處；制定詳細科學合理的設備輪換制度、詳細的操作細則，避免某些設備長期運行，規范操作行為，嚴禁出現缺項跳步操作；制定詳細的設備檢查檢修細則，避免設備長時間不進行檢修檢查；明確設備定期檢修時間、工藝要求，嚴禁工作人員野蠻操作；定期開展運行分析，對日常運行異常問題及時分析，做好預控措施；結合現代化信息技術，提高運營管理水平，對廠內設備精細化管理，制定詳細的運行臺賬、檢修臺賬，降低設備能耗。從控制邏輯維度優化燃機清吹時長，燃機啟動裝置LCI 或SFC 退出時間，機組冷態（溫態）暖機時間，以便提高機組啟動速度，達到節電的目的[6]；優化啟停過程中各輔機啟停時機，規范啟停操作步驟，加強運維人員技術培訓，提高啟機效率；建立健全完善的節能降耗管理機制。

2.3 降低電磁損耗

降低鐵損方法包括：①采用如高硅鋼片、非晶合金片等高磁導率的鐵心材料降低磁滯和損耗；②優化鐵心制造工藝，采用卷鐵心和立體鐵心結構設計替代疊片鐵心降低損耗；③縮小鐵心尺寸、減小鐵心搭接寬度減小損耗[7]。

降低銅損的方法包括：①采用低損、低電阻、抗腐蝕的無氧銅新型材料，增強抗短路能力；②采取內屏蔽式繞組保護措施，減小體積，降低銅耗；③調整安匝平衡，限制扁線厚度，在繞組的上下部加裝磁屏蔽，在油箱壁上裝設電屏蔽，科學選擇并聯導線的換位方法，降低漏磁引起的銅耗；④采用先進工藝縮小銅導線直徑和主絕緣、縱絕緣結構尺寸，減小繞組交流電阻，降低銅耗[7]。

降低雜散損耗的方法包括：①選用低磁性、非磁性材料材料作為鐵心夾件等結構件；②大電流引線和套管采用銅板屏蔽或非磁性材料降低雜散損耗；③采用變頻調壓式冷卻器等新型冷卻器、節能風扇等方式降低雜散損耗[7]。

2.4 降低變壓器的損耗

設計時要從源頭上降低變壓器銅損和鐵損，詳見2.3 降低電磁損耗措施；另外，可優化變壓器的運行方式。機組運行時，根據變壓器運行溫度及時調整冷卻風扇的運行方式；機組停運時，根據調度及機組啟停時間安排，及時調整運行方式，停運備用變壓器以降低變壓器損耗。如節假日期間機組長期處于停運狀態時，針對發電機出口設置有GCB 開關的機組，可將廠用電切換至高備變運行，向調度申請斷開主變高壓側開關，停運主變和廠變運行，降低變壓器損耗，達到節能降耗的目的。同時，變壓器容量設計選型不合理，偏大或偏小，設備操作不當等因素均會造成不必要的能量損耗，應避免出現“小馬拉大車”或者“大馬拉小車”情況的出現[8]。

2.5 降低輔機損耗

首先從設計上優化輔機配置，在設計之初準確核實各輔機容量、后期運行方式及可能存在的問題，從設備容量、運行方式、設備技術等各方面考量節能降耗的措施；針對容量大、運行工況變化比較頻繁的設備，如給水泵、循環水泵和閉式水泵，可采用變頻控制技術，以降低設備啟動時的啟動轉速，降低電機啟動電流沖擊，減少電機損壞概率，在運行中實時跟蹤系統運行變化情況，及時調整輔機電機轉速，降低運行電流，這對電廠節能降耗具有重大意義[9]。針對啟動電流較大的設備，如空氣機等設備可采用Y-△降壓啟動方式，降低啟動電流沖擊，減小設備啟動時對電機的損害。

燃氣電廠通常是日啟夜停，但在夜間機組停機后仍有部分輔助系統需要維持低負荷運行帶走設備產生的熱量或余熱，如循環水系統、閉式水系統。此情況下可增加輔助水泵，在機組正常運行時采用主泵維持機組所需的水量，在夜間停機時可采用小泵（輔助泵）來維持低負荷運行，降低能耗。此方法也可以減少因主泵頻繁啟停和長期的低負荷對設備帶來的損害，以增加設備使用壽命。另外，更換先進的能耗低設備，也能有效減少企業的能源消耗支出，達到節能降耗的目的。

2.6 降低廠區照明損耗

對于發電廠而言，在日常的生產經營活動中，不同的生產場所對照明的要求不同，會采用多種不同型號的照明燈具。合理的照明設計及燈具選擇對電廠節能降耗也起著至關重要的作用。首先，優化照明設計及布局，在確保滿足顯示指數、光色、照度條件下，選擇節能的燈具和配件。在同等的條件下，選擇節能熒光燈與白熾燈相比，節電效率可達到73%[10]。其次，加強廠區照明燈具、線路的檢查，對老舊燈具、線路及時檢修更換，避免因燈具老化引起電能損耗增加。另外還可以引入基于計算機和通訊總線的智能照明系統，根據環境情景合理利用自然光并智能控制開關燈。數據顯示，引入智能照明系統可節約20%～40%的電能[11]。同時，電壓波動會極大影響燈具壽命，通過穩定照明電壓，可以延長燈具壽命，降低電耗。改善措施為引入照明專用變壓器，在必要的情況下實現穩壓。另外，利用地區和季節優勢，充分利用清潔能源，探索建立風-光互補照明系統，降低廠用電率更換老化的線路。

2.7 優化暖通損耗

在設計上優化暖通系統配置，對采暖、制冷系統可采用集中采暖、制冷系統，如冬季采暖可采用機組輔助蒸汽采暖，夏季制冷可采用溴化鋰制冷機組。當機組停運時可螺桿式冷水機組運行，減少分布式空調布置，有效控制各區域運行溫度，降低電氣損耗。規定辦公區域的環境溫度，避免熱源或冷源的浪費，達到節能降耗的目的。針對各區域通風設備合理配置通風風機，制定詳細的運行規定，優化運行方式。同時，加強各設備運行維護，避免設備老化，降低設備損耗。

3 結束語

目前燃氣電廠受環保政策和經濟因素影響，主要集中在沿海地區，以廣東省為例，燃機電廠裝機容量從2012 年的1 073.9 萬kW 發展至2022 年的3 530.5 萬kW。未來隨著“零碳排放”和循環利用產業生態系統研究的日趨成熟，針對這類能源企業，節能能耗方法需進一步創新，以期構建更加立體多元化的節能降耗結構體系。