火電廠集控運行節能降耗技術研究

國家能源集團宿遷發電有限公司 王政昊

火電廠是我國社會生產的“主力軍”，對人民生活和工業生產起著重要的作用。在我國未來一定時期內，火力發電仍會占據主導地位，國家要繼續發揮火電能源保障的基石作用。但長久以來，火力發電廠能耗高、污染大的問題給企業的綠色可持續發展帶來了不良影響。要主動變革，更要注重漸變發展，近年來隨著社會各界對“綠色、節能、環?！钡年P注度逐步提升，政府針對節能降耗在各行業的運用也相繼出臺了多項政策，國家也將火電廠列為節能減排的重要監管對象，因此火力發電行業必須加大科技創新力度，應將集控運行節能降耗技術列為重要研究內容，提升綠色管理水平，加快提高火電廠的運行效率，降低生產能耗，減少對環境的污染，保證節能減排各項工作順利落地，增強行業綠色競爭力[1]。

1 火電廠集控運行系統概述

集控運行技術簡稱“DCS”，是依托計算機技術將通信技術、控制技術、自動化技術進行有效融合，促進火電廠在整個生產運行過程中的集成化、數字化、自動化和智能化的管理，通過統一的控制管理實現火電廠集控運行。管理技術和操控技術是集控運行系統的核心技術，其中管理技術包括生產設備性能監測、保護、預防和控制生產事故；操控技術將依托工業計算機系統對火電廠自動化水平進行全面提升。

在長期的發展過程中，火電廠集控運行系統逐漸更新為擁有多系統接口的新型控制系統，有效連接了各控制器，并且系統的智能化水平也在不斷提升，為火電廠的生產運營保駕護航。同時，從長期應用實踐中發現，火電廠集控運行系統能耗高的問題依然存在，因此，火電廠還要不斷優化系統配置，從根本上解決問題，降低能耗，盡快達到綠色生產標準，全面提升集控運行系統的經濟性[2]。

2 火電廠集控運行系統節能降耗的現實作用

一是可持續發展。新時期，火力發電廠的可持續發展同樣與環境保護密不可分，相比于西方國家，我國火電廠集控運行節能技術還有較大進步空間。一直以來，綠色生產、可持續發展是火電廠的核心經營目標，也與我國電力行業戰略方向目標相一致，在火力發電廠生產過程中引入環保理念，應用節能技術措施，可實現火電廠長期、穩定、可持續的發展目標，并有效平衡資源使用與自然之間的關系，為社會創造更多價值。

二是減少資本。隨著我國能源儲備量的不斷下降，火電廠的生產成本持續上升，為了更好地平衡好技術發展與經濟效益兩者之間的關系，火電廠要加快落實綠色生產要求，踐行集控運行系統節能技術，通過科學、合理的技術措施來提高火電廠能源利用率，提高發電質量，降低生產成本。

3 火電廠集控運行節能降耗技術分析

3.1 真空系統節能技術

隨著機組調峰力度的加大，機組負荷變化范圍也隨之加大，因此迫切需要對真空泵等輔機設備出力進行調節，來減少能源的浪費，達到節能降耗的目標。調查研究表明，機組真空系統節能潛力巨大，凝汽器真空每提高1kPa，機組發電量就會提高1%[3]。目前，一些汽輪機組真空系統大多都在200Pa/min以下，具有較大的節能空間，并且常規的水環式真空泵水力損失較大，浪費了大量的廠用電，因此更換高效率的抽真空設備對火電廠集控運行節能具有重要意義。在正常運行情況下，火電廠凝汽器維持真空的時間大約占80%以上，可從該環節進行改造，提高抽真空設備作功效率和凝汽器的真空度，進而提升機組運行效率，降低能耗。

3.1.1 節能方案設計

可選用ZJL1200羅茨-水環式真空泵組取代水環泵，對其進行節能改造，通常羅茨泵與前級泵抽速比為4:1～10:1，另外為了提升羅茨泵的最大排氣壓力，還要加裝冷凝器，有效降低排氣口處的氣體溫度，進而減少羅茨泵轉子在壓縮氣體時產生的熱量，效率可以提高70%左右。

3.1.2 節能效果分析

改造前后真空系統參數對比見表1。由表1可以看出，改造前后排氣溫度相差不大，因此沒好相差不明顯，但改造后機組真空改善效果明顯，表面改造后作用能力得到了提升。

表1 節能改造前后真空系統參數對比分析

以機組負荷300MW 進行計算，改造前水環泵每臺需要消耗51.8m3/h 閉式冷卻水，改造后新節能真空泵組僅消耗17.5m3/h，有效節約了用水量，另外改造后每臺機組每年節省電量在450450kWh 左右，相當于減少CO2排放373t，按照15年使用期限計算，共可降低CO2排放量5595t，社會效益顯著。

3.2 變頻調速技術

鍋爐系統是火力發電廠的高能耗設備，特別是與鍋爐配套的輔機設備如引風機、一次風機、二次風機、送風機等，當機組負荷作出改變時，輔機輸出風量也要不斷調整進而實現能耗的降低。目前，鍋爐風機節能改造主要選用調速技術，既可以減少能源消耗還能有效控制風量。

3.2.1 變頻調速技術基本原理

當改變電源頻率f1時，由于同步轉速n1與頻率f1之間存在下列關系（1）：

由式（1）可知，當頻率方式發生改變時，轉速也隨之改變，因此改變電源頻率和平滑調節電動機的轉速。變頻調速技術具有調速范圍大、穩定性好等優勢，在火電機組集控運行中得到普遍應用。以風機為例，通過利用變頻技術，風機的出口壓力減小，當機組負荷降低時，可保持風機管路特性在節流最小工況下運行，這樣可大大減少節流損失，減少能耗。

3.2.2 變頻器應用實例分析

經過長期的發展，變頻調速技術取得了重要進步，例如SCR 變頻器、IGBT、IGCT、SGCT 等變頻器中的一些器件都實現了規模化生產，新技術、新工藝的涌現也促進了一些高端的多個功能的變頻器的出現。以300MW 機組為例，對一次、二次風機進行變頻控制設計，采用變頻控制調節后，一次、二次風機運行電耗較擋板節流調節有明顯降低，節能效率可達50%以上。實現了一二次風機變頻控制的變頻器啟動、停運、變頻切工頻、工頻切變頻，保障發電機組安全穩定運行，還有效降低了機組發電能耗。

3.2.3 變頻改造中的注意事項

以火電廠集控運行風機系統變頻改造為例，在改造中需要注意的問題有以下三點：一是低頻搶風問題。停運引風機啟動并入系統時偶爾發生搶風現象，在低頻下，只要控制引風機的流量，使其大于極限流量，就會有效避免低頻搶風問題。二是低轉速風機軸系共振問題。變頻運行改變了風機轉速，導致在低頻時部分區段軸系振動偏高，發現引風機可能存在扭曲共振的現象導致在低頻時部分區段軸系振動偏高，可采用引風機調節過程中盡快躲過臨界轉速，減小風機振動。三是電機低頻發熱問題。變頻調速控制后，電動機轉速將下降，電動機發熱有可能成了突出問題，為解決此問題，對電動機的冷卻系統進行改造升級，增強電動機冷卻風量[4]。

3.3 煙氣余熱利用技術

火力發電廠鍋爐能源消耗較高，鍋爐排煙溫度高會造成大量的熱能浪費和損失，鍋爐尾部煙氣的排煙損失最為嚴重，約占整個鍋爐熱損失的70%以上，因此降低排煙溫度，減少排煙熱損失，是降低火力發電廠機組運行能耗的重要技術措施之一，因此要利用煙氣余熱利用技術對鍋爐加以改造，達到節能的效果。常用的鍋爐尾部煙氣余熱技術方案有以下幾點。

一是低溫省煤器。在鍋爐尾部的飲水位置安裝低低溫煤器，一方面實現了對余熱的收集，另一方面還節約了煤炭資源，提升了鍋爐運行效率。低溫省煤器的設計與安裝應結合鍋爐機組實際情況考慮，并合理選擇安裝位置，低溫省煤器還應選擇高性能抗腐蝕性材料，來延長設備使用壽命，保證節能效果。

二是熱管換熱器。熱管換熱器屬于一種高效的傳熱元件，其技術使用安全性高，有效避免了低溫腐蝕的問題，最重要的是可以將分散的熱流加以集中，或將集中的熱流進行分散，顯著降低能耗。

三是相變換熱器。相變換熱器是對熱管換熱器進行相變所得，該設備具備較高的一體化程度。相變換熱器余熱回收的適應性較強，能明顯控制和降低排煙的溫度，減少能源資源的消耗，能夠有效處理不凝結氣體等問題，對提升鍋爐運行質量和效率具有重要作用。

3.4 智能控制技術

集控運行控制系統應與時俱進，立足于最新的信號處理和網絡技術，提升系統的智能化、自動化水平。在火電廠集控運行過程中，通過遠程智能化監控模式對系統進行監控可降低人員工作量，還能夠提高工作精度和效率。

一是信號處理首先要保證的是全面、及時，這就要求控制系統中不但要配置大量的I/O 測點，信號接收、整合、發送也都應實時、可靠，以保障系統穩定性。

二是利用網絡計算機大數據分析和云端計算處理等各項技術進行規范和統一，實現不同技術等級的結合和職能劃分，保證了信息交流與共享，通過現代化的監測設備和大數據技術進行數據的采集、分類和處理，再進一步根據設備性能定制化的打造順控邏輯。集控系統中創建的智能化邏輯，能夠對聯鎖設備的狀態實時監測，進行自動化的條件分析和流程判定，執行設備的啟停、開關的投切、系統的調節等操作，最終只需簡單的指令輸入即可實現運行狀態的智能化控制和調整。

三是以信息化技術替代傳統的人工判斷、干預和操作，提升了工作效率，也兼顧了運行的安全，在確保電廠設備安全穩定啟動、運行、停機的前提下，智能化地降低人為失誤造成的風險。另外，通過大量的云端數據分析，改進系統中的不足，實現對系統的動態化管理和標準化控制，進而實現集控運行節能降耗的目標。

3.5 降低廠用電率

在火電廠生產運行過程中，除了應用必備的發電機組外還會使用到大量的輔助設備，這些輔助設備在運行中會消耗掉大量電能，因此集控運行節能管理也應將輔機系統列為重要節能對象，對于降低輔機廠用電率可從以下幾方面。

一是設備優化。鍋爐給水泵配置和凝結水泵的優化，通常300MW 級機組汽泵組臺數可采用2×50%，即兩臺半容量的主給水泵并列運行，也可以采用1×100%的主給水泵，變頻調速的凝結水泵，降低廠用電和煤耗，實現節能效果。

二是改善主機和輔機運行方式。啟停機期間輔機的運行優化措施，要采取有效手段來縮短啟停時間，降低機組能耗，在汽輪機沖轉及暖機期間停運一臺真空泵運行，適當提高汽輪機的背壓，進而有效提升汽輪機和暖機進汽量和排汽溫度。

三是優化廠區照明。遵循節能原則加強對火電廠照明情況管控，應用綠色照明系統代替傳統光源，可采用智能感光控制技術實現照度的合理控制，達到良好節能效果[5]。

綜上所述，火電廠在社會建設與經濟發展中發揮了重要作用，隨著能源危機的日益嚴峻，節能降耗是當下電力企業面臨的首要任務。在火電廠集控運行節能降耗技術研究中，要立足我國火電廠實際情況制定相應的節能減排策略，以技術優化來真正推動火電廠的節能降耗發展，從根本上解決火電廠集控系統能耗高的問題。