燃氣發(fā)電廠電氣能耗分析與節(jié)能降耗措施研究

楊孝義，張志萍

（1.深圳能源光明電力有限公司，廣東 深圳 518107；2.廣電計量檢測（深圳）有限公司，廣東 深圳 518110）

近年來全球能源市場震蕩加劇，并爆發(fā)了新一輪的能源危機。煤炭和天然氣作為發(fā)電廠生產(chǎn)的重要燃料，由于能源危機導(dǎo)致的燃料價格持續(xù)增長必然造成發(fā)電廠的生產(chǎn)和經(jīng)營成本大幅增加。同時，“碳達峰，碳中和”是黨中央為解決資源問題的重大戰(zhàn)略決策，旨在早日實現(xiàn)中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，并計劃到2025 年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2020 年下降13.5%，重點行業(yè)能源利用效率大幅提升；到2030 年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗大幅下降，重點耗能行業(yè)能源利用效率達到國際先進水平；到2060 年，非化石能源消費比重達到80%以上，能源利用效率達到國際先進水平，碳中和目標順利實現(xiàn)。因此節(jié)能降耗對于維系發(fā)電廠可持續(xù)發(fā)展已迫在眉睫。

基于節(jié)能降耗工作的重要性，國家相繼出臺電力行業(yè)節(jié)能降耗相關(guān)標準法規(guī)，旨在規(guī)范和細化能耗的計算方法和管理方式。GB/T 28557—2012《電力企業(yè)節(jié)能降耗主要指標的監(jiān)管評價》[1]規(guī)定了電力企業(yè)能源轉(zhuǎn)化效率與自身能源損耗監(jiān)管評價方法，對供電標準煤耗、廠用電率、電網(wǎng)綜合線損率等核心參數(shù)進行概念定義，并明確了統(tǒng)一的計算公式。GB/T 40370—2021《燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)能耗指標計算方法》[2]細化了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)能耗指標的計算方法。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循機組與傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)電及新興的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電相比，燃氣發(fā)電的能量利用率更高，電能輸出功率穩(wěn)定，環(huán)境污染問題大幅改善，同時，機組啟、停靈活、快速，可快速滿足電網(wǎng)需求，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但是隨之而來的天然氣價格逐年攀升、機組啟停頻繁等問題對燃氣發(fā)電廠節(jié)能降耗提出了更高的挑戰(zhàn)。

1 燃氣發(fā)電廠電氣能耗原因分析

1.1 企業(yè)生產(chǎn)成本高

近年來我國燃氣發(fā)電機組數(shù)量迅速增長，到2021年底，全國燃氣發(fā)電裝機容量10 859 萬kW，占全國發(fā)電裝機總?cè)萘康?.6%，主要分布在京津冀、長三角和珠三角等東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。除部分地區(qū)作為供熱機組外，多以調(diào)峰調(diào)頻為主，約占燃氣發(fā)電機組總?cè)萘康?0%。2021 年，全國燃氣發(fā)電機組發(fā)電量占全國總發(fā)電量的3.4%，燃氣發(fā)電利用小時較低，企業(yè)經(jīng)營成本居高不下[3]。最根本的問題在于作為燃料的天然氣價格普遍過高，近年來，燃氣電廠購買的到廠氣價在2.5～3 元/m3，在冬季年暖季節(jié)甚至?xí)撸@就導(dǎo)致氣電機組要想保本，電價須達到0.6 元/kWh 左右，與水電、煤電、核電、風(fēng)電及光伏發(fā)電相比，氣電在價格上缺乏競爭性。同時，大多數(shù)燃機按照“兩班制”運行方式，日啟停頻繁，存在日運行時長短、運行負荷率低、設(shè)備操作啟停頻繁和設(shè)備利用率低等問題，嚴重影響設(shè)備使用壽命，造成大量電氣損耗。

1.2 運營管理不規(guī)范

電廠自身管理機制不規(guī)范也會造成電氣能耗過高。與水電、煤電、核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等企業(yè)而言，氣電在上網(wǎng)價格和燃料價格上缺乏競爭性。近年來，面對傳統(tǒng)火電、風(fēng)電光伏和儲能等新能源企業(yè)帶來的沖擊，為了獲取更高的經(jīng)濟價值，部分燃氣電廠在運營管理方面會違背節(jié)能降耗的基本理念，在管理上一味追求利益至上的理念，導(dǎo)致現(xiàn)場工作人員節(jié)能降耗意識喪失，缺少相關(guān)制度的監(jiān)督與培訓(xùn)，在日常監(jiān)視和操作中不規(guī)范，違反操作規(guī)程。如設(shè)備參數(shù)監(jiān)視不到位、異常參數(shù)不重視、長期不進行設(shè)備輪換、設(shè)備運行周期不均衡、跳步缺項操作、日常檢修和檢查不規(guī)范和人員野蠻操作等。這些不規(guī)范的操作行為不能及時制止與改正，將造成設(shè)備損壞、性能下降、運行效率降低，設(shè)備老化加速，設(shè)備能耗升高，縮短設(shè)備使用壽命，增加設(shè)備運行維護成本。

1.3 電磁損耗

電磁損耗是電廠電氣設(shè)備運行過程中無法完全避免的損耗，主要分為銅損、鐵損和雜散損耗，也是發(fā)電廠能耗的主要部分。在發(fā)電機、變壓器、電動機等設(shè)備運行時會產(chǎn)生電磁效應(yīng)，在電磁轉(zhuǎn)換的過程中，電流流過繞組時因繞組本身電阻的原因消耗能量，使繞組溫度升高，這部分消耗在繞組電阻的上損耗，稱之為銅損，銅損將嚴重影響設(shè)備的運行效率、運行性能[4]。同時，磁場在鐵磁材料中產(chǎn)生大小、方向有周期性變化的磁通，從而引起磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗和渦流將轉(zhuǎn)化為熱能，最直觀的表現(xiàn)形式是鐵心、定子齒或槽的局部溫升，影響鐵磁材料性能，效率降低，影響電氣設(shè)備的使用壽命。雜散損耗是漏磁通穿過鋼結(jié)構(gòu)件（如板式夾件、鋼壓板、壓釘螺栓及油箱壁等）引起的損耗[5]。

1.4 輔機電氣損耗

燃氣-蒸汽聯(lián)合循機組中的輔機主要包括循環(huán)水泵、給水泵、凝結(jié)水泵、閉式水泵、天然氣增壓機和空氣機等，在日常運行過程中能耗占比非常高，損耗方式主要分為空載運行期間電氣損耗、設(shè)備自然損耗、設(shè)備自身運轉(zhuǎn)過程與空氣摩擦損耗。當(dāng)這些設(shè)備設(shè)計配置不合理、運行方式不合理或非正常工況下，會造成設(shè)備運行效率低，能耗升高，甚至設(shè)備損壞，如設(shè)計容量、選擇型不能滿足實際需求，出現(xiàn)“小馬拉大車”或者“大馬拉小車”等情況。同時，在機組夜間停機期間，為了帶走停機后部分輔機運行產(chǎn)生的熱量，需要維持循環(huán)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)運行，導(dǎo)致相關(guān)泵組長時間處于低負荷運行狀態(tài)，設(shè)備運行效率低，加快了設(shè)備老化速度，增加了運行維護成本，從而引起設(shè)備能耗升高。

1.5 照明電氣損耗

對發(fā)電廠而言，在日常生產(chǎn)運行中，照明規(guī)模大，電路回路多，不同季節(jié)、天氣、時間、廠房及廠區(qū)環(huán)境均對照明系統(tǒng)提出不同的要求。不合理的照明設(shè)計、照明燈具的選擇等將極大增大廠用電率。其次，廠區(qū)內(nèi)照明燈具的種類型號較多，運行環(huán)境復(fù)雜，照明燈具的使用壽命比較短，在日常的檢修更換過程中造成電氣損耗及資源浪費。由于部分場所對照明要求較高，工作人員在選擇燈具時沒有合理應(yīng)用節(jié)能燈具以及節(jié)能技術(shù)，未能發(fā)揮照明電氣的節(jié)能降耗作用。若工作人員對廠區(qū)線路燈具的維護不重視，也將會加快線路燈具的老化，不僅造成電力資源的浪費，加劇環(huán)境光污染，同時，對電廠安全運行也存在巨大隱患。

1.6 暖通電氣損耗

在電廠日常生產(chǎn)運行中，由于電力設(shè)備分布范圍廣，對運行環(huán)境要求各不相同。為了滿足各區(qū)域溫度及通風(fēng)要求，需要由復(fù)雜的暖通系統(tǒng)對廠區(qū)內(nèi)各區(qū)域溫度機通風(fēng)進行控制。由于暖通系統(tǒng)規(guī)模大且復(fù)雜，運行要求高，在生產(chǎn)運營中能耗占比非常高。當(dāng)暖通系統(tǒng)設(shè)計配置不合理、布局分布不均勻，運行方式不合理、運行維護不到位設(shè)備老化時，將會造成系統(tǒng)運行效率低，熱源或冷源的損失，通風(fēng)效果不佳，導(dǎo)致電氣能耗增加，廠用電率升高。若暖通系統(tǒng)故障，嚴重時，降導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響機組安全運行，如在冬季時，導(dǎo)致水管道結(jié)冰，系統(tǒng)無法運行；夏季時，環(huán)境溫度較高，若無法及時提供冷源，使設(shè)備運行溫度升高，特別是電子間、保護間、配電室等對環(huán)境溫度要求較高的區(qū)域，將嚴重影響機組安全運行。

2 燃氣發(fā)電廠電氣能耗應(yīng)對措施

2.1 優(yōu)化市場對策

掌握電力市場實時變化趨勢，調(diào)研周邊用電大戶，與電網(wǎng)公司加強溝通，做好產(chǎn)能排期預(yù)測管理，爭取最優(yōu)運行方式及機組啟停政策，降低廠用電率；加強對天然氣供應(yīng)商的合作與管理，開發(fā)新天然氣供應(yīng)商，充分保障天然氣低價、可持續(xù)性供應(yīng)；根據(jù)計劃停機時長，決定是否停運主變及高廠變，以節(jié)約變壓器空載損耗。

2.2 規(guī)范運營管理

加強員工節(jié)能降耗理念，培養(yǎng)員工節(jié)能意識，了解節(jié)能降耗的重要性；加強工作人員技能培訓(xùn)，提高工作人員技能水平，避免日常操作事故；建立健全節(jié)能降耗技術(shù)措施，并制定完善的監(jiān)督體系，精細化管理，保證節(jié)能降耗措施落到實處；制定詳細科學(xué)合理的設(shè)備輪換制度、詳細的操作細則，避免某些設(shè)備長期運行，規(guī)范操作行為，嚴禁出現(xiàn)缺項跳步操作；制定詳細的設(shè)備檢查檢修細則，避免設(shè)備長時間不進行檢修檢查；明確設(shè)備定期檢修時間、工藝要求，嚴禁工作人員野蠻操作；定期開展運行分析，對日常運行異常問題及時分析，做好預(yù)控措施；結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)，提高運營管理水平，對廠內(nèi)設(shè)備精細化管理，制定詳細的運行臺賬、檢修臺賬，降低設(shè)備能耗。從控制邏輯維度優(yōu)化燃機清吹時長，燃機啟動裝置LCI 或SFC 退出時間，機組冷態(tài)（溫態(tài)）暖機時間，以便提高機組啟動速度，達到節(jié)電的目的[6]；優(yōu)化啟停過程中各輔機啟停時機，規(guī)范啟停操作步驟，加強運維人員技術(shù)培訓(xùn)，提高啟機效率；建立健全完善的節(jié)能降耗管理機制。

2.3 降低電磁損耗

降低鐵損方法包括：①采用如高硅鋼片、非晶合金片等高磁導(dǎo)率的鐵心材料降低磁滯和損耗；②優(yōu)化鐵心制造工藝，采用卷鐵心和立體鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計替代疊片鐵心降低損耗；③縮小鐵心尺寸、減小鐵心搭接寬度減小損耗[7]。

降低銅損的方法包括：①采用低損、低電阻、抗腐蝕的無氧銅新型材料，增強抗短路能力；②采取內(nèi)屏蔽式繞組保護措施，減小體積，降低銅耗；③調(diào)整安匝平衡，限制扁線厚度，在繞組的上下部加裝磁屏蔽，在油箱壁上裝設(shè)電屏蔽，科學(xué)選擇并聯(lián)導(dǎo)線的換位方法，降低漏磁引起的銅耗；④采用先進工藝縮小銅導(dǎo)線直徑和主絕緣、縱絕緣結(jié)構(gòu)尺寸，減小繞組交流電阻，降低銅耗[7]。

降低雜散損耗的方法包括：①選用低磁性、非磁性材料材料作為鐵心夾件等結(jié)構(gòu)件；②大電流引線和套管采用銅板屏蔽或非磁性材料降低雜散損耗；③采用變頻調(diào)壓式冷卻器等新型冷卻器、節(jié)能風(fēng)扇等方式降低雜散損耗[7]。

2.4 降低變壓器的損耗

設(shè)計時要從源頭上降低變壓器銅損和鐵損，詳見2.3 降低電磁損耗措施；另外，可優(yōu)化變壓器的運行方式。機組運行時，根據(jù)變壓器運行溫度及時調(diào)整冷卻風(fēng)扇的運行方式；機組停運時，根據(jù)調(diào)度及機組啟停時間安排，及時調(diào)整運行方式，停運備用變壓器以降低變壓器損耗。如節(jié)假日期間機組長期處于停運狀態(tài)時，針對發(fā)電機出口設(shè)置有GCB 開關(guān)的機組，可將廠用電切換至高備變運行，向調(diào)度申請斷開主變高壓側(cè)開關(guān)，停運主變和廠變運行，降低變壓器損耗，達到節(jié)能降耗的目的。同時，變壓器容量設(shè)計選型不合理，偏大或偏小，設(shè)備操作不當(dāng)?shù)纫蛩鼐鶗斐刹槐匾哪芰繐p耗，應(yīng)避免出現(xiàn)“小馬拉大車”或者“大馬拉小車”情況的出現(xiàn)[8]。

2.5 降低輔機損耗

首先從設(shè)計上優(yōu)化輔機配置，在設(shè)計之初準確核實各輔機容量、后期運行方式及可能存在的問題，從設(shè)備容量、運行方式、設(shè)備技術(shù)等各方面考量節(jié)能降耗的措施；針對容量大、運行工況變化比較頻繁的設(shè)備，如給水泵、循環(huán)水泵和閉式水泵，可采用變頻控制技術(shù)，以降低設(shè)備啟動時的啟動轉(zhuǎn)速，降低電機啟動電流沖擊，減少電機損壞概率，在運行中實時跟蹤系統(tǒng)運行變化情況，及時調(diào)整輔機電機轉(zhuǎn)速，降低運行電流，這對電廠節(jié)能降耗具有重大意義[9]。針對啟動電流較大的設(shè)備，如空氣機等設(shè)備可采用Y-△降壓啟動方式，降低啟動電流沖擊，減小設(shè)備啟動時對電機的損害。

燃氣電廠通常是日啟夜停，但在夜間機組停機后仍有部分輔助系統(tǒng)需要維持低負荷運行帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量或余熱，如循環(huán)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)。此情況下可增加輔助水泵，在機組正常運行時采用主泵維持機組所需的水量，在夜間停機時可采用小泵（輔助泵）來維持低負荷運行，降低能耗。此方法也可以減少因主泵頻繁啟停和長期的低負荷對設(shè)備帶來的損害，以增加設(shè)備使用壽命。另外，更換先進的能耗低設(shè)備，也能有效減少企業(yè)的能源消耗支出，達到節(jié)能降耗的目的。

2.6 降低廠區(qū)照明損耗

對于發(fā)電廠而言，在日常的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，不同的生產(chǎn)場所對照明的要求不同，會采用多種不同型號的照明燈具。合理的照明設(shè)計及燈具選擇對電廠節(jié)能降耗也起著至關(guān)重要的作用。首先，優(yōu)化照明設(shè)計及布局，在確保滿足顯示指數(shù)、光色、照度條件下，選擇節(jié)能的燈具和配件。在同等的條件下，選擇節(jié)能熒光燈與白熾燈相比，節(jié)電效率可達到73%[10]。其次，加強廠區(qū)照明燈具、線路的檢查，對老舊燈具、線路及時檢修更換，避免因燈具老化引起電能損耗增加。另外還可以引入基于計算機和通訊總線的智能照明系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境情景合理利用自然光并智能控制開關(guān)燈。數(shù)據(jù)顯示，引入智能照明系統(tǒng)可節(jié)約20%～40%的電能[11]。同時，電壓波動會極大影響燈具壽命，通過穩(wěn)定照明電壓，可以延長燈具壽命，降低電耗。改善措施為引入照明專用變壓器，在必要的情況下實現(xiàn)穩(wěn)壓。另外，利用地區(qū)和季節(jié)優(yōu)勢，充分利用清潔能源，探索建立風(fēng)-光互補照明系統(tǒng)，降低廠用電率更換老化的線路。

2.7 優(yōu)化暖通損耗

在設(shè)計上優(yōu)化暖通系統(tǒng)配置，對采暖、制冷系統(tǒng)可采用集中采暖、制冷系統(tǒng)，如冬季采暖可采用機組輔助蒸汽采暖，夏季制冷可采用溴化鋰制冷機組。當(dāng)機組停運時可螺桿式冷水機組運行，減少分布式空調(diào)布置，有效控制各區(qū)域運行溫度，降低電氣損耗。規(guī)定辦公區(qū)域的環(huán)境溫度，避免熱源或冷源的浪費，達到節(jié)能降耗的目的。針對各區(qū)域通風(fēng)設(shè)備合理配置通風(fēng)風(fēng)機，制定詳細的運行規(guī)定，優(yōu)化運行方式。同時，加強各設(shè)備運行維護，避免設(shè)備老化，降低設(shè)備損耗。

3 結(jié)束語

目前燃氣電廠受環(huán)保政策和經(jīng)濟因素影響，主要集中在沿海地區(qū)，以廣東省為例，燃機電廠裝機容量從2012 年的1 073.9 萬kW 發(fā)展至2022 年的3 530.5 萬kW。未來隨著“零碳排放”和循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的日趨成熟，針對這類能源企業(yè)，節(jié)能能耗方法需進一步創(chuàng)新，以期構(gòu)建更加立體多元化的節(jié)能降耗結(jié)構(gòu)體系。