電廠電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

賴毅林

（福建華電邵武能源有限公司， 福建 南平 354000）

0 引言

在工業(yè)化與城市化建設(shè)進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的背景下，我國(guó)的能源瓶頸逐漸顯現(xiàn)出來，加速建設(shè)資源型與環(huán)境友好型社會(huì)成為了一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針。電能具有生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換形式較為簡(jiǎn)單、傳輸與分配便捷、使用與操控技術(shù)含量低等特點(diǎn)，在社會(huì)各行業(yè)發(fā)展中均得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，電力行業(yè)是我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)的大戶，應(yīng)將節(jié)能理念滲透到發(fā)電、輸電、變電、配電與用電整個(gè)過程，以使各個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)電工作大有作為，幫助電廠更快速地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

1 電廠電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用意義

電能是一種高品質(zhì)的二次能源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的能源類型，近些年我國(guó)電力資源處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，全國(guó)30 個(gè)省份全社會(huì)用電總量實(shí)現(xiàn)了正增長(zhǎng)，圖1 是2016—2021 年全國(guó)發(fā)電量及全社會(huì)用電量統(tǒng)計(jì)?；痣娧b機(jī)容量在我國(guó)的發(fā)電裝機(jī)總量中占比始終較高。有資料記載[1]，2011 年時(shí)，6 000 kW 及以上電廠發(fā)電生產(chǎn)及供熱消耗了19.87 億t 原煤，為了響應(yīng)及落實(shí)節(jié)能減排政策，近些年，火電裝機(jī)的比重逐漸降低，2017 年時(shí)占發(fā)電裝機(jī)總量的58%。結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公開的數(shù)據(jù)，2022 年我國(guó)的發(fā)電量累計(jì)達(dá)到83 886.3 億kW·h，和2021 年度相比較增長(zhǎng)2.2%。其中火力發(fā)電量58 531.3 億kW·h，火力發(fā)電裝機(jī)量占比降到52%。

圖1 2016—2021 年全國(guó)發(fā)電量及全社會(huì)用電量統(tǒng)計(jì)

電廠運(yùn)營(yíng)中加大電廠電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，能進(jìn)一步提高供配電的運(yùn)行效率，使電能調(diào)節(jié)作用發(fā)揮到最大化，增加供配電效益。每個(gè)行業(yè)發(fā)展中均會(huì)消耗大量資源，這是自然資源儲(chǔ)存空間逐漸減小的最直接原因，陸續(xù)滋生出各種問題。國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了節(jié)能與環(huán)保相關(guān)政策法律，大范圍推廣節(jié)能技術(shù)以應(yīng)對(duì)以上狀況。電廠電氣設(shè)備老舊或工作人員技術(shù)應(yīng)用不規(guī)范等，不利于資源的充分利用，增加了資源損耗量。電廠電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用能幫助電廠節(jié)省電能成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，減少環(huán)境污染問題，促進(jìn)電廠電氣管理工作有序、高效化運(yùn)作，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙贏的基礎(chǔ)上，增加生態(tài)效益。

2 電廠電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行電力計(jì)量管理

首先，盡早完善電力計(jì)量管理體系。發(fā)電廠為了提升自身的現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)和管理能力，就一定要?jiǎng)?chuàng)建一套完整的管理制度，充分結(jié)合電廠計(jì)量管理的要求，以原有管理體系為基礎(chǔ)，整合相應(yīng)制度，精簡(jiǎn)管理體系規(guī)定，及時(shí)廢止不滿足發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)要求的管理體系，循序漸進(jìn)建立出更為完善的計(jì)量管理體系等。對(duì)電力計(jì)量管理工作實(shí)現(xiàn)全過程、動(dòng)態(tài)化監(jiān)管，通過這種方式確保電能計(jì)量管理過程公開、公正。

其次，增強(qiáng)電力統(tǒng)計(jì)工作的綜合化管理能力。為了能大幅度增加電能計(jì)量工作及裝置的準(zhǔn)確度與安全性，一定要嚴(yán)格落實(shí)電能計(jì)量裝置管理相關(guān)規(guī)定。定期組織職工參與培訓(xùn)活動(dòng)，積極學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)的管理知識(shí)和管理工作經(jīng)驗(yàn)，并摸索全新的管理措施，以持續(xù)完善自身的職業(yè)素養(yǎng)，進(jìn)而提升電能計(jì)量水平，使電能計(jì)量工作實(shí)現(xiàn)高效化、制度化與科學(xué)化。

最后，加強(qiáng)對(duì)創(chuàng)新型電能計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前主要有兩種[2]：一為遠(yuǎn)程抄表技術(shù)，遠(yuǎn)程抄表融合了現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操控以自動(dòng)采集、分析數(shù)據(jù)，增加工作效率，降低出錯(cuò)率：二是智能抄表技術(shù)，在智能科技持續(xù)發(fā)展的背景下，電力統(tǒng)計(jì)核查工作和智能科技之間深度融合，成功開發(fā)了智能電表。和傳統(tǒng)電力計(jì)量方式相比較，其確保了電力數(shù)據(jù)采集的完整度與多樣性，且能顯著減少能源損耗，是電力行業(yè)貫徹節(jié)能降耗理念的一種可行辦法。

2.2 建立節(jié)能型供配電系統(tǒng)

關(guān)于供配電系統(tǒng)的節(jié)能問題，可以將其理解成最大限度地減少電力輸送、轉(zhuǎn)換等過程中的能源損耗量。故而，電廠電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用過程中要做好如下工作。

2.2.1 合理選用變壓器

變壓器的損耗主要體現(xiàn)在空載損耗、負(fù)載損耗兩個(gè)方面，電力行業(yè)應(yīng)著力減少空載損耗，空載損耗是變壓器設(shè)備的一種固定損耗，是由變壓器內(nèi)的鐵芯產(chǎn)生的損耗，所以也被叫做鐵芯損耗，建議發(fā)電廠盡可能選用節(jié)能型的油浸或干式變壓器，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，要選用合理的磁路設(shè)計(jì)方案并優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于減少磁通漏磁與鐵芯損耗。此外，也要不斷降低負(fù)載的損耗。流經(jīng)變壓器線圈的電流是負(fù)載損耗形成的最直接原因，變壓器繞組的電阻與電流大小影響負(fù)載損耗多少。鑒于此，電廠為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，應(yīng)選用阻值偏低的銅芯繞組變壓器，以提升整個(gè)變壓器的運(yùn)行效率。結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整變壓器的運(yùn)行參數(shù)，比如變壓器容量、變比與匝數(shù)等，以實(shí)現(xiàn)空載損耗的最小化。當(dāng)前，很多火電廠安裝高壓?jiǎn)?dòng)備用變壓器作為備用啟動(dòng)電源，其容量普遍較大，空載運(yùn)行時(shí)耗能大。以2×300 MW 電廠啟/備變?yōu)槔?，設(shè)備容量、空載損耗分別為40 MW、46 kW，全年、年總耗電37 kW·h 左右。為了減少耗電量，可以將其設(shè)計(jì)成冷備用，有助于減少電能損耗及成本支出。對(duì)于其他類型的電氣設(shè)備，例如低壓廠用備用變、除塵變等，在實(shí)現(xiàn)用電可靠的基礎(chǔ)上通過互為備用的方式接線，使兩臺(tái)變壓器均承載一半的負(fù)荷量，在這樣的工況下，單臺(tái)變壓器的負(fù)載損耗與之前相比至少降低75%，取得較理想的節(jié)能效果[3]。

2.2.2 科學(xué)合理地選擇供電電壓

火電廠選擇供電電壓時(shí)要綜合分析電容量、用電負(fù)荷等各種因素。若火電廠運(yùn)用的電氣設(shè)備基本上都是6 kV 設(shè)備，容量較大，要考慮運(yùn)用6 kV 電壓等級(jí)。但對(duì)于6～10 kV 的配電電壓，因?yàn)?0 kV 的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均較好，有助于供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，故而10 kV 高壓配電成為了大多數(shù)火電廠的首選。

2.2.3 持續(xù)提升供電系統(tǒng)的功率因數(shù)

功率因數(shù)是影響火電廠實(shí)際運(yùn)行效率及效益的主要因素之一，增加功率因數(shù)有助于減少無功能耗。在電網(wǎng)內(nèi)安裝無功補(bǔ)償裝置能延緩無功功率的流動(dòng)速度，進(jìn)而減少線路損耗。現(xiàn)實(shí)中因?yàn)闊o功補(bǔ)償直接是由電路提供的，故而易出現(xiàn)電路功率損耗的問題，所以建議把各種功率補(bǔ)償控制裝置安裝在供電系統(tǒng)內(nèi)，以提高系統(tǒng)功率補(bǔ)償因數(shù)，自動(dòng)補(bǔ)償供電系統(tǒng)要消耗的功率，能取得良好的節(jié)能效果。

2.3 加大電廠設(shè)備的改造力度

火電廠是我國(guó)的重要電能消耗大戶，火電廠內(nèi)的輔機(jī)，比如引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵等都配備了大功率電機(jī)，其總耗電量約占廠總用電量的50%。這些電機(jī)通常在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)依照電廠真實(shí)狀況留有較大的裕度，并且會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)定速運(yùn)行，電能損失較多，以致電廠發(fā)電成本顯著增加。其中，電動(dòng)給水泵是火電廠內(nèi)重要的一種輔機(jī)設(shè)備，被叫做發(fā)電機(jī)組“心臟”，電動(dòng)給水泵的耗電量占全廠用電總量的20%～30%，是耗電量最大的輔機(jī)。現(xiàn)對(duì)一600 MW 火電機(jī)組配備的3 臺(tái)50%額定容量電動(dòng)給水泵組進(jìn)行汽動(dòng)給水泵的技術(shù)改造。

改造方案如下：保留1 臺(tái)電動(dòng)給水泵作備用，其余2 臺(tái)拆除后另裝2 臺(tái)50%額定容量的汽動(dòng)給水泵組。購(gòu)置的設(shè)備較多，包括給水泵汽輪機(jī)、給水泵及相應(yīng)的供汽和排汽管道及閥門等，前置泵利舊，以減少投資。給水泵汽輪機(jī)汽源由中低壓連通管打孔抽汽提供，100%負(fù)荷時(shí)抽汽量需要80t/h 左右，改造期間要著重分析給水泵汽輪機(jī)抽汽后機(jī)組通流量是否達(dá)到機(jī)組滿發(fā)需求。

結(jié)合給水泵汽輪機(jī)排汽的冷卻方式，以上改造方案有可分成如下兩種，具體見圖2。

圖2 不同給水泵汽輪機(jī)排汽方式

1）方案一。直接把給水泵汽輪機(jī)的排汽排進(jìn)主機(jī)凝汽器，間接空冷塔來冷卻主機(jī)與給水泵汽輪機(jī)協(xié)同完成排汽，以上這種排汽方式影響主機(jī)真空狀態(tài)，給水泵汽輪機(jī)排汽壓力偏高，有助于減少能耗、成本較低。

2）方案二。布設(shè)了單獨(dú)的主機(jī)凝汽器、濕冷循環(huán)水系統(tǒng)、機(jī)力冷卻塔、循環(huán)水泵、膠球清洗系統(tǒng)；給水泵汽輪機(jī)的排汽直接進(jìn)到獨(dú)立的凝汽器，開式循環(huán)水冷卻處理后，凝結(jié)水流進(jìn)主機(jī)的凝結(jié)水系統(tǒng)；這種排汽方式不會(huì)導(dǎo)致主機(jī)真空有變化，給水泵汽輪機(jī)排汽壓力較小，對(duì)應(yīng)能耗也偏少，但投資大，電廠水耗增加，且后期維護(hù)成本較多。

3 電廠電氣節(jié)能技術(shù)的發(fā)展前景

3.1 新能源的使用

在電廠電氣節(jié)能設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，核能、地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽能發(fā)電等技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)使用了可控?zé)岷?、磁流體、高溫巖體、生物質(zhì)能等高端的節(jié)能技術(shù)。英國(guó)國(guó)際熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，可控?zé)岷税l(fā)電能夠在短時(shí)間內(nèi)維持20 000 MW 的發(fā)電功率，反應(yīng)堆在24 h 小時(shí)內(nèi)出力能保持在10 000 MW 上下?，F(xiàn)如今，世界上很多國(guó)家引進(jìn)了以色列開發(fā)的地?zé)帷U熱發(fā)電技術(shù)，不單純是利用地?zé)崮苓M(jìn)行發(fā)電，也存在著應(yīng)用工業(yè)各種廢棄載熱體的作業(yè)模式，比如廢氣、熱油、廢熱氣等。

3.2 運(yùn)用柔性交流輸電（FACTS）與高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)

火電廠運(yùn)用大功率電力電子器件，和其他電力設(shè)備組裝成FACTS 裝置，其能快速、連續(xù)地調(diào)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，通過這種方式顯著增加了輸電線路的運(yùn)行能力，把輸電損耗控制到最低水平，當(dāng)前在國(guó)內(nèi)部分國(guó)家電力行業(yè)獲得應(yīng)用。國(guó)內(nèi)500 kV 輸電線的輸送功率一般為300～400 MW，最高能達(dá)到700 MW，明顯低于北美水平。故而，未來火電廠要著重提升輸電線路的輸電能力，應(yīng)用FACTS 技術(shù)是可行辦法之一，F(xiàn)ACTS 技術(shù)能在較大范圍內(nèi)有效控制潮流，能使線路的輸送能力增加到接近導(dǎo)線的熱極限，比如對(duì)于一條500 kV 線路，其安全送電極限1 000～2 000 MW，線路的熱極限3 000 MW，應(yīng)用FACTS 技術(shù)以后，能使輸送能力至少提高50%；在這樣的工況下，備用發(fā)電機(jī)組容量能從典型的18%降低到15%甚至更低；還能防控線路串級(jí)跳閘情況，規(guī)避電力事故范圍擴(kuò)大[5]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)建成了220 kV 的超高壓可控串補(bǔ)示范項(xiàng)目，正積極建設(shè)靜止同步補(bǔ)償器、飛輪儲(chǔ)能等FACTS 示范工程。HVDC 技術(shù)有線路造價(jià)低、運(yùn)行電能損耗低、改善直流輸電性能、遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢(shì)顯著等特點(diǎn)，未來HVDC 將會(huì)有廣袤的發(fā)展空間，有代替?zhèn)鹘y(tǒng)不間斷供電電源的潛力。

4 結(jié)語

新的社會(huì)形勢(shì)下，節(jié)能降耗已經(jīng)成為國(guó)家的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，是維護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、改善環(huán)境、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)重要舉措?；痣姀S作為能源消耗大戶，更應(yīng)積極落實(shí)國(guó)家節(jié)能政策要求，從自身做起，站在可持續(xù)發(fā)展的視角，主動(dòng)扭轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，在電氣節(jié)能技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用方面加大投入，研發(fā)出全新的節(jié)能策略，以最大限度地提升電廠節(jié)能水平，在運(yùn)營(yíng)過程中創(chuàng)造出更理想的效益，開辟出更廣闊的發(fā)展空間。