火力發(fā)電廠的節(jié)能和運行經(jīng)濟性分析

趙小兵

（黃陵礦業(yè)集團有限責任公司，陜西 延安 727307）

0 引 言

火力發(fā)電作為我國主要的電力生產(chǎn)方式之一，是保障經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的基礎(chǔ)設施。隨著能源危機、環(huán)境污染等問題日益突出，如何提高火力發(fā)電廠的節(jié)能和運行經(jīng)濟性已成為當前亟待解決的問題。一方面，火力發(fā)電廠的能源消耗量巨大，其排放的廢氣、廢水等環(huán)境污染物對環(huán)境和人體健康造成不良影響。在保證電力供應的前提下，降低火力發(fā)電廠的能源消耗和環(huán)境污染，提高其節(jié)能和環(huán)保水平，對于實現(xiàn)能源清潔化、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。另一方面，火力發(fā)電廠的運行成本占據(jù)其生產(chǎn)成本的重要部分，提高火力發(fā)電廠的經(jīng)濟性，降低運行成本，提高企業(yè)效益，對于維護能源安全、推動經(jīng)濟發(fā)展也具有重要意義[1]。

1 火力發(fā)電廠運行存在的問題分析

1.1 能源浪費

在火力發(fā)電廠中，由于熱力發(fā)電的工藝特點，很大一部分能量都以廢氣和余熱的形式散失。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在火力發(fā)電過程中，大約有50%的能源被浪費，即有約50%的能量變成了無用的余熱和廢氣，這是能源浪費的主要表現(xiàn)之一。其中，余熱指在火力發(fā)電的熱能轉(zhuǎn)化過程中，未被充分利用而排放到環(huán)境中的熱能?；鹆Πl(fā)電廠中主要產(chǎn)生的余熱有煙氣余熱、廢水余熱、凝汽器余熱等，如果這些余熱不能得到合理的回收和利用，就會造成大量的能源浪費。廢氣指在火力發(fā)電的燃燒過程中，未被充分燃燒而排放到環(huán)境中的氣體。其中，二氧化碳等溫室氣體的排放會對全球氣候變化產(chǎn)生負面影響，而硫化物、氮氧化物等氣體會對環(huán)境和人體健康造成不良影響。如果不能有效回收和利用廢氣，不僅會造成能源浪費，還會對環(huán)境和人體造成不良影響[2]。

1.2 熱效率低

火力發(fā)電廠的熱效率指在火力發(fā)電過程中將化石燃料轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化效率，即單位時間內(nèi)發(fā)電量和燃料熱值的比值。目前，我國火力發(fā)電廠的平均熱效率為35%～40%，較發(fā)達國家存在一定的差距?；鹆Πl(fā)電廠熱效率低的原因主要有以下3 點。

（1）鍋爐的燃燒效率低?；鹆Πl(fā)電廠的鍋爐是借助煤等燃料燃燒產(chǎn)生高溫氣體，然后將熱能轉(zhuǎn)化為水蒸氣，最后驅(qū)動汽輪機發(fā)電。鍋爐燃燒過程中，燃料的燃燒并不完全，因此產(chǎn)生的熱能并未被充分利用。

（2）汽輪機效率低。汽輪機是火力發(fā)電廠的核心設備，其效率直接影響著發(fā)電效率。目前，國內(nèi)的汽輪機效率普遍較低，主要原因是技術(shù)水平不高、生產(chǎn)制造工藝不成熟等[3]。

（3）熱損失大?；鹆Πl(fā)電廠在熱能轉(zhuǎn)化過程中存在許多熱損失，整體熱能損失較大。

1.3 能耗高

火力發(fā)電作為我國主要的電力生產(chǎn)方式之一，其能源消耗巨大，主要表現(xiàn)在以下2 個方面。

（1）煤耗高。火力發(fā)電廠是通過燃燒煤等化石燃料來產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電，而煤炭是不可再生資源，其產(chǎn)量有限[4]。

（2）水耗大。火力發(fā)電廠需要大量的水來產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國每發(fā)電1 kW·h 需要消耗2.5 ～3.5 kg 的水，水資源消耗量較大。

1.4 運行成本高

火力發(fā)電廠的運行成本包括燃料成本、設備維護成本以及運行管理成本等方面，這些成本對于火力發(fā)電廠的經(jīng)濟效益具有重要影響。

（1）燃料成本。火力發(fā)電廠通過燃燒煤等化石燃料來產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電，煤炭等原材料價格的上漲使得火力發(fā)電廠的燃料成本不斷增加。此外，火力發(fā)電廠要購買一定量的原材料作為儲備，以應對市場價格波動等因素[5]。

（2）設備維護成本。火力發(fā)電廠的設備較為復雜，需要經(jīng)常進行檢修和維護，以確保設備正常運行。設備維護需要耗費大量的人力、物力、財力，增加了企業(yè)的運營成本。

（3）運行管理成本?；鹆Πl(fā)電廠的運行管理成本主要包括人員工資、管理費用、保險費用等，這些成本在火力發(fā)電廠的經(jīng)營過程中是必須的支出。

2 火力發(fā)電廠節(jié)能和運行經(jīng)濟性的改善措施

2.1 優(yōu)化鍋爐燃燒

優(yōu)化鍋爐燃燒是提高火力發(fā)電廠熱效率和節(jié)能效果的重要措施之一，具體方法如下。

（1）采用先進的燃燒技術(shù)。采用先進的燃燒技術(shù)，如噴射燃燒器、低氮燃燒器等，可以使煤粉更加充分地燃燒，減少煤炭的消耗量，提高熱效率。

（2）優(yōu)化燃燒工藝。通過優(yōu)化燃燒工藝，如調(diào)整入爐煤的粒度、風煤配比等參數(shù)，可以提高燃燒效率，減少煤炭的消耗量，同時降低污染物的排放量。

（3）加強爐內(nèi)熱傳遞。加強爐內(nèi)熱傳遞，提高爐膛中部差壓，使爐內(nèi)中部返料灰更充分地與受熱面接觸，從而提高熱效率和節(jié)能效果。

（4）減少過剩空氣。通過減少過剩空氣的量，可以使入爐煤更加充分地燃燒，減少煤炭消耗量，提高熱效率和節(jié)能效果[6]。

2.2 余熱回收利用

通過余熱回收技術(shù)回收利用鍋爐廢氣、凝汽器廢熱等余熱，將其轉(zhuǎn)化為有用的熱能，從而減少煤炭等資源的消耗，提高熱效率，達到節(jié)能效果。

（1）鍋爐廢氣余熱回收。將鍋爐排出的高溫廢氣經(jīng)過余熱回收器回收，利用其中的熱能加熱進入鍋爐的空氣和水，減少煤炭等資源的消耗，提高熱效率。

（2）空冷凝汽器廢熱回收。回收利用汽輪機排出的凝汽器廢熱，將其轉(zhuǎn)化為有用的熱能，加熱進入鍋爐的空氣和水，減少煤炭等資源的消耗，提高熱效率[7]。

（3）煙氣余熱回收。將煙氣中的余熱通過換熱器回收利用，將其轉(zhuǎn)化為有用的熱能，加熱進入鍋爐的空氣和水，減少煤炭等資源的消耗，提高熱效率。

2.3 優(yōu)化汽輪機設計

（1）采用先進的葉片形狀。汽輪機采用先進的葉片形狀，如彎曲葉片、多級分級葉片等，可以使葉片在轉(zhuǎn)動過程中能夠更加充分地利用氣流的能量，提高汽輪機的效率。

（2）優(yōu)化葉片布局。優(yōu)化葉片布局，如增加葉片數(shù)目、調(diào)整葉片安裝角度等，可以使汽輪機葉片能夠更好地捕捉氣流能量，提高汽輪機的輸出功率[8]。

（3）采用高溫高壓技術(shù)。采用高溫高壓技術(shù)，如超超臨界技術(shù)、高溫再熱技術(shù)等，可以提高汽輪機的熱效率和發(fā)電效率，從而提高經(jīng)濟效益。

（4）優(yōu)化汽輪機部件材料。優(yōu)化汽輪機部件材料，如采用高溫合金材料、超導材料等，可以提高汽輪機的耐熱性和抗腐蝕性，延長汽輪機的使用壽命，降低運行成本。

2.4 優(yōu)化運行管理模式

（1）采用先進的自動化控制系統(tǒng)。通過采用先進的自動化控制系統(tǒng)，可以對火力發(fā)電廠的運行過程進行全面、準確的監(jiān)控和管理，降低人員工資和管理費用。

（2）采用保養(yǎng)管理系統(tǒng)。通過采用保養(yǎng)管理系統(tǒng)，可以對火力發(fā)電廠的設備進行定期維護和保養(yǎng)，減少設備故障的發(fā)生，降低維修成本和保險費用。

（3）實施全面預算管理。通過實施全面預算管理，對火力發(fā)電廠的各項經(jīng)費進行全面預算和管理，確保運營成本的可控性和透明度。

（4）推行員工培訓計劃。通過推行員工培訓計劃，加強員工的職業(yè)技能培訓，提高員工的工作效率，降低管理成本和人力成本[9]。

2.5 引入智能化技術(shù)

（1）引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對火力發(fā)電廠的設備進行智能化監(jiān)控和管理，實現(xiàn)設備狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)等信息的實時采集和分析，以便對設備進行精確的維護和保養(yǎng)，提高設備的運行效率和安全性。

（2）引入人工智能技術(shù)。通過引入人工智能技術(shù)，對火力發(fā)電廠的設備運行數(shù)據(jù)進行分析和預測，實現(xiàn)設備故障的預警，增強設備的可靠性和穩(wěn)定性，降低設備的維護成本和運行成本。

（3）引入虛擬仿真技術(shù)。通過引入虛擬仿真技術(shù)，對火力發(fā)電廠的運行模式進行模擬和分析，實現(xiàn)運行模式的優(yōu)化和改進，提高火力發(fā)電廠的效率和經(jīng)濟性，降低運行成本和維護成本[10]。

3 火力發(fā)電廠節(jié)能運行案例

3.1 鍋爐概況

某火力發(fā)電廠的鍋爐為2×1 058 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，配備2×300 MW 亞臨界中間再熱單軸雙缸雙排汽、直接空冷式汽輪發(fā)電機組，主要設計參數(shù)如表1 所示。

3.2 節(jié)能和運行經(jīng)濟性的優(yōu)化措施

該廠在長期運營中存在能源浪費、熱效率低、能耗高以及運行成本高等問題，為了解決這些問題，廠方采取了一系列的節(jié)能優(yōu)化措施和運行經(jīng)濟性優(yōu)化措施。

3.2.1 優(yōu)化鍋爐燃燒

針對循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率不高的問題，該廠采用優(yōu)化鍋爐燃燒的措施，包括使用分倉上煤、調(diào)整風煤配比、調(diào)整燃燒參數(shù)、改進下二次風入口角度、提高給煤機落煤管進爐膛高度以及改進播煤風管角度等。通過這些措施，燃燒效率得到了明顯提高，鍋爐的熱效率也得到了提高，減少了煤的消耗，降低了能耗和運行成本。

3.2.2 余熱回收利用

通過對鍋爐廢氣、空冷凝汽器廢熱等余熱的回收利用，該廠成功實現(xiàn)了對余熱的高效利用，提高了發(fā)電效率，減少了二氧化碳等氣體的排放，從而達到節(jié)能減排的目的。對廢氣、空冷凝汽器廢熱等余熱進行回收利用，每年可回收余熱轉(zhuǎn)化為約500 000 t 標準煤，相當于減少二氧化碳排放量1 500 000 t。

3.2.3 優(yōu)化汽輪機設計

該廠通過優(yōu)化汽輪機設計，通過采用先進的葉片形狀、增加葉片數(shù)目、調(diào)整葉片安裝角度等措施，提高汽輪機的效率和輸出功率，從而提高發(fā)電效率和經(jīng)濟效益，降低了運行成本。

3.2.4 引入智能化技術(shù)

該廠引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等智能化技術(shù)，實現(xiàn)設備的智能化監(jiān)控和管理，提高設備的運行效率和安全性，降低運行成本和維護成本。通過這些技術(shù)可實現(xiàn)設備狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)等信息的實時采集和分析，以便對設備進行準確的維護和保養(yǎng)，提高設備的運行效率和安全性。經(jīng)過優(yōu)化后，鍋爐的平均負荷率提高了10%，煤耗降低了2%，發(fā)電效率提高了1%。

綜上所述，通過優(yōu)化鍋爐燃燒、余熱回收利用、優(yōu)化汽輪機設計以及引入智能化技術(shù)等措施，有效解決了火力發(fā)電廠存在的能源浪費、熱效率低、能耗高以及運行成本高等問題，提高了其經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結(jié) 論

基于火力發(fā)電廠節(jié)能和運行經(jīng)濟性的研究，不僅是技術(shù)創(chuàng)新和環(huán)保的需要，也是適應市場需求、提高企業(yè)競爭力的重要途徑。通過對火力發(fā)電廠的節(jié)能技術(shù)和運行經(jīng)濟性進行深入研究和探索，采取相應的措施可以有效提高火力發(fā)電廠的節(jié)能環(huán)保水平和經(jīng)濟效益，更好地適應市場需求，為實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。