火電廠電氣設備的能效提升與環保改造研究

摘要：火電廠電氣設備的能效和環保性對實現可持續能源目標至關重要。首先概述了火電廠電氣設備，包括發電機、變壓器、開關設備、電力互感器和輸電線路。提出高效燃燒技術、余熱回收技術和節能改造技術等能效提升技術，提高了能源利用效率，降低了生產成本。討論了先進脫硫脫硝技術、廢水處理與循環利用及固體廢物處理與資源化等環保改造措施，有助于減少火電廠的大氣污染、溫室氣體排放、廢水排放和固體廢物處理問題。

關鍵詞：火電廠 電氣設備 能效提升 環保改造

Research on Energy Efficiency Improvement and Environmental Protection Retrofit of Electrical Equipment in Thermal Power Plant[A2]

XIANG Hao

Huanggang Dabie Mountain Second Power Generation Co.， Ltd， Huanggang， Hubei Province， 438304 China

Abstract： The energy efficiency and environmental friendliness of the electrical equipment of thermal power plants are critical to achieve sustainable energy goals. Firstly， an overview of electrical equipment in thermal power plant was provided， including generators， transformers， switchgear， power transformers and transmission lines. Energy efficiency improvement technologies such as high-efficiency combustion technology， waste heat recovery technology and energy-saving retrofit technology are proposed to improve energy utilization efficiency and reduce production costs. Environmental improvement measures such as advanced desulfurization and denitrification technologies， wastewater treatment and recycling， and solid waste treatment and resource utilization are discussed， which can help to reduce air pollution， greenhouse gas emissions， wastewater discharges， and solid waste treatment issues in thermal power plants.

Key Words： Thermal power plants; Electrical equipment; Energy efficiency improvement; Environmental retrofit

火電廠作為主要的電力供應來源，面臨著提高能效和減少環境污染的雙重挑戰。火電廠發電機、變壓器、開關設備、電力互感器和輸電線路等電氣設備是電力系統穩定運行的關鍵。然而，在長期運行過程中，火電廠電氣設備常面臨著能源利用效率低下、設備老化、環境污染等問題，不僅限制了火電廠的發展潛力，也對實現可持續發展構成障礙。因此，對火電廠電氣設備進行能效提升和環保改造已成為電力行業的重點關注對象。

1火電廠電氣設備概述

1.1 火電廠電氣設備及其功能

火電廠的電氣設備種類繁多，包括發電機、變壓器、開關設備、電力互感器等^[1]。各類電氣設備各自承擔著其關鍵功能，以確保整個發電系統的穩定運行。

（1）發電機是火電廠中的核心設備，負責將熱能轉化為電能，主要由定子和轉子組成。當汽輪機帶動發電機轉子旋轉時，發電機通過電磁感應原理在定子繞組中產生電流，從而實現電能產生，并且其輸出的電壓和頻率取決于轉速和功率。

（2）變壓器能夠將發電機產生的高壓電力轉化為適合輸送和使用的低壓電力，同時也能根據電網需求提高或降低外送電壓，從而減小輸電線損，在火電廠中起著調整電壓和電流的重要作用。變壓器的三相繞組按同心圓的方式套在鐵芯外，并且鐵芯和繞組都安裝在絕緣和散熱的油箱中。

（3）開關設備包括斷路器、隔離開關等，是火電廠中進行電氣設備的投入、退出、事故發生時進行切除的關鍵設備。其中，斷路器可以串接在電路中，通過操縱機構控制觸頭的接通與斷開，實現電路的斷開與閉合。

（4）電力互感器包括電壓互感器和電流互感器，可以將電路中的高電壓、大電流變換成測量儀表、繼電保護與控制裝置可用的低電壓、小電流，不僅可以保護測量儀表和控制裝置免受高電壓、大電流沖擊，還可以提高測量的準確性和可靠性。電力互感器根據電磁感應原理實現電壓和電流的變換，其工作原理與變壓器相似。

1.2 火電廠電氣設備存在的問題

火電廠電氣設備在運行過程中面臨著多種問題，如能源利用效率低下、設計與制造缺陷、設備老化與損壞、環境污染、電氣故障等，不僅影響設備的正常運行，還對電力供應的穩定性和安全性造成威脅。隨著“碳中和”和“碳達峰”目標[A3]"的提出，能源利用效率低下問題和環境污染問題受到廣泛關注。

能效問題主要由燃料效率低、設備老化、熱能損失等原因造成^[2]，具體原因可以總結為以下幾方面。（1）燃料效率低。火電廠主要依賴煤炭等化石燃料，其燃燒效率受煤炭質量、燃燒設備性能、操作技術等多種因素的影響。對于煤炭而言，其中的灰分、硫分等雜質的含量高時會降低其總熱值，且不充分燃燒也會導致部分燃料能量直接損失，從而降低整體燃料能效。（2）設備老化。火電廠中的鍋爐、汽輪機等關鍵設備在長期使用過程中會出現磨損、腐蝕等問題，導致熱效率和機械效率下降。（3）熱能損失。火電廠在發電過程中會產生大量的熱，但其中一部分熱能未能被有效利用，而是通過煙氣、冷卻水等方式散失到環境中，這不僅降低了火電廠的發電效率，還增加了對環境的熱污染。

環境問題主要由大氣污染、廢水排放、固體廢棄物處理不當等原因造成^[3] ，具體原因可以總結為以下幾方面。（1）大氣污染。火電廠在燃燒過程中會產生大量的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等污染物，排放到大氣中會對環境造成嚴重的污染，影響空氣質量，甚至引發酸雨等環境問題。（2）廢水排放。火電廠產生的大量廢水，包括冷卻水、沖洗水等，若未經處理或處理不達標就排放到環境中，則會對水體造成污染，影響水生生物的生存和繁衍。（3）固體廢棄物處理不當。火電廠在運行過程中會產生大量的粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，若處理不當，則不僅會占用大量土地資源，還會對土壤和地下水造成污染。

2 火電廠電氣設備的能效提升技術

2.1 高效燃燒技術

高效燃燒技術通過改造鍋爐和汽輪機來優化燃燒過程，可以使燃料更充分燃燒，提高燃料的燃燒效率，降低污染物排放^[4]。這類技術主要包括煤高效燃燒技術和高溫空氣燃燒技術。其中，煤高效燃燒技術通過采用低氮燃燒、煙氣再循環、煤粉噴射等手段，可以增大煤顆粒與氧氣的接觸面積，提高煤的燃燒效率；高溫空氣燃燒技術將高溫空氣噴射入爐膛以維持內部的低氧狀態，同時將燃料輸送到氣流中以燃燒，需要將空氣溫度預熱到800～1 000 °C以上，燃燒區空氣含氧量在2%～21%之間，具有節省燃料、減少CO₂和NO_x排放、降低燃燒噪音的優點。

2.2 余熱回收技術

余熱回收技術旨在利用生產過程中產生的未被充分利用的顯熱和潛熱，如高溫廢氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱等，通過合理的技術手段，將這些熱量回收再利用^[5]。這種技術不僅能顯著提高能源利用效率，還能降低生產成本，減少環境污染，對實現可持續發展具有重要意義。在火電廠中，余熱回收系統通常包括余熱鍋爐、換熱器等設備，可以利用火電機組燃燒過程中產生的高溫廢氣進行余熱回收。同時，回收的余熱還可以用于驅動汽輪發電機等電氣設備，從而進一步提高能源利用效率。

2.3 節能改造技術

節能改造技術通過對火電廠的供電、供氣、水處理等電氣設備進行直接升級或替換，包括替換高效節能設備、優化系統配置等，以此實現全面的節能改造。例如：通過優化發電機的設計、提高制造工藝、改進勵磁系統等措施，將低效的電動機更換為高效節能型電動機，以此降低電動機能耗；對變壓器進行節能改造，降低空載和負載損耗；優化開關設備的配置和控制策略，減少電能損失。

2.4 運行優化技術

運行優化技術精細調整發電機、變壓器、開關設備等電氣設備的運行參數，以實現系統整體運行效率和性能的最大化，不僅有助于降低能耗、提高能源利用率，還能增強系統的穩定性和可靠性。對于發電機而言，通過調整其勵磁電流和電壓，可以優化發電機與電網之間的無功功率交換，減少電網中的無功流動，降低線路損耗。由于變壓器在輸電過程中會產生損耗，通過優化變壓器運行方式，如合理設置分接頭位置、減少空載和負載損耗等，可以優化電壓分布和降低線損，提高能效。

3 火電廠電氣設備的環保改造措施

3.1 先進脫硫、脫硝技術

火電廠的污染氣體排放嚴重影響了大氣狀態，可以通過采用先進的脫硫、脫硝技術來提高火電廠氣體排放的清潔度，實現對火電廠廢氣的高效處理^[4]。一方面，通過調整吸收塔的pH值、液面高度和液體密度等方式對脫硫設施進行優化，可以提高脫硫效率。采用脫硫添加劑或采用濕法脫硫技術、托盤/雙托盤塔技術、旋匯耦合塔技術等先進脫硫技術，可以進一步提升脫硫效果。另一方面，通過升級或優化脫硝裝置，可以減少NO?的排放。例如：采用選擇性催化還原脫硝系統，并通過全壽命模式以優化管理過程，可以確保催化劑的高效運行，實施噴氨優化調整和流場優化，提高脫硝效率，并減少氨逃逸。

3.2 廢水處理與循環利用

火電廠在發電過程中會產生多種類型的廢水，包括灰水、脫硫廢水、工業廢水、生活污水等，其中含有懸浮物、重金屬離子、酸堿物質、鹽分等難降解的有機物，若其未經處理直接排放，則會對環境造成嚴重污染。火電廠廢水處理與循環利用旨在減少環境污染、節約水資源，并提高經濟效益。

對于廢水處理方法而言，可以采用初步沉淀、澄清技術，通過重力沉降、氣浮設備去除大部分灰水中的懸浮固體；可以采用超濾、反滲透等膜分離技術，去除脫硫廢水中的細微顆粒和溶解性鹽分；可以采用活性污泥法、生物接觸氧化法等生物處理技術，對工業廢水和生活污水中的有機物進行降解。在采用物理化學處理方法時，可以使用絮凝劑對固體污染物進行絮凝沉淀，并利用化學沉淀劑對硫酸鹽、氯化物等進行沉淀去除，以提高工業廢水的清潔度。

經處理后的標準廢水可以循環回到冷卻塔補水，可以用于農田灌溉、市政綠化、灰渣場抑塵等領域，從而實現水資源的多元化利用。

3.3 固體廢物處理與資源化

火電廠的固體廢物處理與資源化是一個重要的環保和資源再利用領域。火電廠固體廢物的主要類型包括煤灰、爐渣、脫硫石膏等。其中，煤灰是火電廠排放的主要固體廢棄物之一，主要由煤炭燃燒后的殘留物組成；爐渣是煤炭燃燒過程中產生的固體廢物，主要由煤炭中的不燃礦物質和燃燒產生的灰分組成；脫硫石膏是火電廠進行煙氣脫硫過程中產生的固體廢棄物，主要成分為硫酸鈣。

資源化利用主要包括以下幾個方面。（1）作為建材原料。粉煤灰等固體廢物可以作為水泥或混凝土的摻料，提高材料的強度和耐久性。（2）制磚。粉煤灰與黏土、頁巖等混合后可以制成蒸養粉煤灰磚、泡沫磚等燒結磚。（3）空心砌塊。利用粉煤灰等固體廢物制成的空心砌塊具有輕質、保溫、隔熱等性能。此外，在工業上，粉煤灰等固體廢物可以用于路面路基、低洼地或荒地填充、廢礦井或塌陷區充填等工程填筑項目。在農業上，粉煤灰經過處理后可以用作復合肥、磁化肥的原料，也可以作為土壤改良劑使用。

4結語

本文全面分析了火電廠的電氣設備，包括發電機、變壓器、開關設備、電力互感器和輸電線路，并針對火電廠能源效率低下、環境污染嚴重等問題開展分析。為了提高能效，提出采用高效燃燒技術、余熱回收技術和節能改造技術，通過優化燃燒過程、回收利用余熱和升級設備來提升能源利用效率。在環保改造方面，討論了先進脫硫脫硝技術、廢水處理與循環利用、固體廢物處理與資源化，有助于減少火電廠的大氣污染、溫室氣體排放、廢水排放和固體廢物處理問題，促進火電廠向更環保、高效和可持續方向發展。

參考文獻 [A4]

[1] 張良虎. 火電廠電氣設備運行安全管理與故障處理分析[J]. 電力設備管理，2024（3）：211-213.

[2] 張建南.優化火電廠輸煤系統的能效與可靠性分析[J].今日制造與升級， 2023（11）：174-176.

[3] 劉旭.火電廠大氣污染物監測及空氣質量預測系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2022.

[4] 高雨琪.600 MW亞臨界機組鍋爐節能降耗存在的問題分析[J].上海節能， 2023（10）：1534-1537.

[5] 尹太琨.基于灰渣余熱回收的殼式載熱球制備及性能研究[D].鄭州：河南農業大學，2023.