火力發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能的研究

王鑄城

摘 要：我國的火力發(fā)電規(guī)模是全球最大的，為我國的工業(yè)建設(shè)和居民生活水平的提高做出了卓越的貢獻(xiàn)。然而，我國的火力發(fā)電站大型機(jī)組相對偏少，技術(shù)依然落后，大部分火電站的結(jié)構(gòu)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(qiáng)對火力發(fā)電站的節(jié)能減排工作已迫在眉睫。本文的主要內(nèi)容和目的是分析當(dāng)前我國火力發(fā)電站主要系統(tǒng)在節(jié)能工作中存在的問題，并對火力發(fā)電站改善節(jié)能工作進(jìn)行研究，從發(fā)電站的技術(shù)和管理環(huán)節(jié)提出了節(jié)能的相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案，并對未來火力發(fā)電站的發(fā)展趨勢做出了展望。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電站；發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能研究

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

1 火力發(fā)電站的主要結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)流程

火力發(fā)電站主要由三大主要設(shè)備鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及相應(yīng)輔助設(shè)備組成。它們通過管道或線路相連，構(gòu)成電力生產(chǎn)主系統(tǒng)，即燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。燃煤經(jīng)由輸煤皮帶輸送到鍋爐車間的煤斗，進(jìn)入磨煤機(jī)磨成煤粉，然后與經(jīng)過空氣預(yù)熱器預(yù)熱的空氣一起噴入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能。水在鍋爐中加熱后蒸發(fā)成蒸汽，經(jīng)過加熱器進(jìn)一步加熱，成為具有規(guī)定壓力和溫度的過熱蒸汽，經(jīng)過高壓蒸汽管道送入汽輪機(jī)。在汽輪機(jī)中蒸汽不斷膨脹，高速流動，沖擊汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動與汽輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓一般在10～20kV之間，電流可達(dá)數(shù)千安至20kA。由主變壓器升高電壓后，經(jīng)變電站高壓電氣設(shè)備和輸電線送往電網(wǎng)。

鍋爐設(shè)備是火力發(fā)電廠中的主要熱力設(shè)備之一。由爐膛、煙道、汽水系統(tǒng)（包括受熱面、汽包、聯(lián)箱和連接管道）以及爐墻和構(gòu)架等部分組成的整體，稱為鍋爐本體。它的任務(wù)是使燃料通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜徨仩t中的水，使其成為一定壓力和溫度的過熱蒸汽。鍋爐附屬設(shè)備主要有制粉設(shè)備、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、除灰設(shè)備等。

汽輪機(jī)本體是完成蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的汽輪機(jī)組的基本部分。本體由固定部分（定子）和轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動部分包括主軸、葉輪或輪鼓、葉片和聯(lián)軸器等。固定部分的噴嘴、隔板與轉(zhuǎn)動部分的葉輪、葉片組成蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jī)本體還設(shè)有汽封系統(tǒng)。它的輔助設(shè)備有凝汽器、加熱器、除氧器、給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等。

發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的電氣設(shè)備?，F(xiàn)在幾乎都是采用三相交流同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的軸與汽輪機(jī)的軸相連接，由汽輪機(jī)拖動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)電機(jī)把汽輪機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)輸配電設(shè)備（由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、桿塔、輸電線路等組成），輸入電力系統(tǒng)或由直配線路送至用戶。

2 我國火力發(fā)電站在節(jié)能中存在的主要問題

2.1 力發(fā)電站技術(shù)水平相對落后

目前我國火力發(fā)電站大機(jī)組比例少，技術(shù)參數(shù)相對落后，與臨界和超臨界大型機(jī)組比較，煤耗指標(biāo)差約150g/kwh。同時電站系統(tǒng)未進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計，主輔機(jī)選型及熱力系統(tǒng)設(shè)計沒有達(dá)到最佳。再加上設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量等原因，國產(chǎn)火電機(jī)組達(dá)不到進(jìn)口機(jī)組先進(jìn)水平，效率普遍低于設(shè)計保證值，20萬千瓦機(jī)組效率差5%～7%，早期投產(chǎn)引進(jìn)型30萬千瓦機(jī)組效率差2%～5%，國產(chǎn)60萬千瓦超臨界機(jī)組效率差1%～2.5%。

2.2 鍋爐能量損失

燃料在鍋爐內(nèi)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?xì)怏w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(fēng)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(fēng)還增大了煙氣容積，其結(jié)果造成鍋爐排煙熱損失和引風(fēng)機(jī)電耗都增大，降低鍋爐運行的經(jīng)濟(jì)性。另外鍋爐負(fù)荷率、過熱主蒸汽溫度和壓力等參數(shù)影響。

2.3 汽輪機(jī)能量損失

在汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，由于進(jìn)汽節(jié)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?yōu)槠啓C(jī)的機(jī)械能，造成汽輪機(jī)的內(nèi)部能量損失。造成汽輪機(jī)通流部分效率低的原因主要是：噴嘴損失大，調(diào)節(jié)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(jī)組發(fā)電煤耗的主要因素。

2.4 電力系統(tǒng)能量損失

大多數(shù)火電廠沒采用變頻調(diào)速技術(shù)，發(fā)電廠廠用電量約占機(jī)組容量的5%～l0%，除去制粉系統(tǒng)以外，泵與風(fēng)機(jī)等火電機(jī)組的主要輔機(jī)設(shè)備消耗的電能約占廠用電70%～80%。同時廠用電系統(tǒng)用電負(fù)荷的大小、特點，合理設(shè)計不合理，變壓器及動力線纜選擇節(jié)能等級不夠，以及廠用電設(shè)備電機(jī)和照明器材的耗能也占有一定比例。

3 火力發(fā)電站節(jié)能降耗的技術(shù)方案和新技術(shù)

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(wěn)定性和擴(kuò)大鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。采用一些新型的燃燒器及燃燒新技術(shù)，如在配置正壓直吹式制粉系統(tǒng)的燃煤鍋爐上采用等離子點火燃燒器冷態(tài)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(jī)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(fēng)機(jī)。選擇適合系數(shù)的高效風(fēng)機(jī)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)（變頻電源、液力偶合器、雙速電機(jī)）改造。

四是調(diào)整鍋爐運行參數(shù)。鍋爐負(fù)荷率在75%～85%范圍時，其效率最高，稱為經(jīng)濟(jì)負(fù)荷。

3.2 提高汽輪機(jī)效率

一是通過對汽輪機(jī)通流部分及相關(guān)熱力系統(tǒng)的改造，提高熱循環(huán)效率、降低熱耗。近年來國內(nèi)各汽輪機(jī)制造廠紛紛引進(jìn)和消化了國外最先進(jìn)的模塊化設(shè)計、全面應(yīng)用三維氣動設(shè)計技術(shù)設(shè)計機(jī)組的通流部分，對通流部分及主汽閥、調(diào)節(jié)閥、氣缸等各部分主蒸汽流經(jīng)的部位進(jìn)行全面系統(tǒng)設(shè)計，最大限度地減少流動損失。一些火電廠也有計劃、有規(guī)模地進(jìn)行舊機(jī)組通流部分改造，節(jié)能降耗效果明顯。例如：2015年某發(fā)電廠2#機(jī)組320MW汽輪機(jī)（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(jī)額定工況熱耗率降低了537kJ/（kW.h）；額定工況時機(jī)組供電煤耗降低了約21g/（kW.h）。該機(jī)組通流改造前后熱力性能驗收實驗結(jié)果如表1。

二是汽輪機(jī)運行中，通過調(diào)整過熱主蒸汽溫度和壓力等參數(shù)影響提高汽輪機(jī)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(nèi)，否則溫度過高將導(dǎo)致汽機(jī)設(shè)備損壞，溫度過低汽輪機(jī)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(jī)設(shè)備部件的應(yīng)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(jī)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(guān)于凝汽器清洗系統(tǒng)對出力的影響研究結(jié)論見表2。

凝汽器真空度降低及真空系統(tǒng)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(shè)備對經(jīng)濟(jì)性的提高非?？捎^。

3.3 電氣系統(tǒng)改造節(jié)能

利用變頻技術(shù)對火電站用電設(shè)備的驅(qū)動電源進(jìn)行變頻改造。對于運行工況變化較大的輔助電氣設(shè)備，采用變頻調(diào)速可有效降低電力損耗20%～50%。合理設(shè)計廠用電系統(tǒng)，降低系統(tǒng)損耗，保證供電質(zhì)量。選擇節(jié)能型變壓器，目前國內(nèi)推廣的節(jié)能變壓器有10、11等系列產(chǎn)品，與S7、S9系列變壓器相比，空載損耗平均降低7%～10%，負(fù)載損耗平均降低20%～25%，總損耗平均降低18%左右。廠用電動機(jī)應(yīng)選用效率高的產(chǎn)品。根據(jù)電廠生產(chǎn)工藝的需要，合理選擇電機(jī)功率，設(shè)計中避免大馬拉小車的現(xiàn)象；照明器選用效率高、利用系數(shù)高、配光合理、保持率高的綠色環(huán)保產(chǎn)品，同時照明設(shè)計應(yīng)充分考慮設(shè)備布置影響因素。

3.4 積極推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)新技術(shù)

應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)控制理論與技術(shù)、現(xiàn)代熱力學(xué)分析方法與先進(jìn)檢測與診斷技術(shù)等，提高機(jī)組的自動化水平，實現(xiàn)全工況節(jié)能優(yōu)化運行控制，也是大型燃煤發(fā)電廠節(jié)能降耗的重要途徑。不斷研發(fā)新技術(shù)，把科技創(chuàng)新能力作為火力發(fā)電廠發(fā)展的核心驅(qū)動力，有效提高燃煤發(fā)電效率并減少資源消耗。采用大容量、高參數(shù)、高效率的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，使供電煤耗持續(xù)下降等。

4 電力發(fā)展的展望

為實現(xiàn)國強(qiáng)民富的理想，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，2020年我國人均發(fā)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(xù)發(fā)展方向，優(yōu)先規(guī)劃建設(shè)水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、光伏發(fā)電、核電及其他可再生能源發(fā)電，同時根據(jù)用電增長需要，增加天然氣發(fā)電比重，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，提高能效，降低成本，減少溫室氣體排放。

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