火力发电站发电系统节能的研究

王铸城

摘 要：我国的火力发电规模是全球最大的，为我国的工业建设和居民生活水平的提高做出了卓越的贡献。然而，我国的火力发电站大型机组相对偏少，技术依然落后，大部分火电站的结构还较为薄弱，这些造成火电站大量的能源浪费和污染问题。因此，加强对火力发电站的节能减排工作已迫在眉睫。本文的主要内容和目的是分析当前我国火力发电站主要系统在节能工作中存在的问题，并对火力发电站改善节能工作进行研究，从发电站的技术和管理环节提出了节能的相应的技术改进方案，并对未来火力发电站的发展趋势做出了展望。

关键词：火力发电站；发电系统；节能研究

中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0002-02

1 火力发电站的主要结构与生产流程

火力发电站主要由三大主要设备锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成。它们通过管道或线路相连，构成电力生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。燃煤经由输煤皮带输送到锅炉车间的煤斗，进入磨煤机磨成煤粉，然后与经过空气预热器预热的空气一起喷入锅炉炉膛内燃烧，将煤的化学能转换成热能。水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过加热器进一步加热，成为具有规定压力和温度的过热蒸汽，经过高压蒸汽管道送入汽轮机。在汽轮机中蒸汽不断膨胀，高速流动，冲击汽轮机的转子以额定转速（3000r/min）旋转，将热能转换成机械能，带动与汽轮机同轴的发电机发电。发电机的机端电压一般在10～20kV之间，电流可达数千安至20kA。由主变压器升高电压后，经变电站高压电气设备和输电线送往电网。

锅炉设备是火力发电厂中的主要热力设备之一。由炉膛、烟道、汽水系统（包括受热面、汽包、联箱和连接管道）以及炉墙和构架等部分组成的整体，称为锅炉本体。它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转变为热能，加热锅炉中的水，使其成为一定压力和温度的过热蒸汽。锅炉附属设备主要有制粉设备、送风机、引风机、除灰设备等。

汽轮机本体是完成蒸汽热能转换为机械能的汽轮机组的基本部分。本体由固定部分（定子）和转动部分（转子）组成。固定部分包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封、紧固件和轴承等，转动部分包括主轴、叶轮或轮鼓、叶片和联轴器等。固定部分的喷嘴、隔板与转动部分的叶轮、叶片组成蒸汽热能转换为机械能的通流部分。汽缸是约束高压蒸汽不得外泄的外壳。汽轮机本体还设有汽封系统。它的辅助设备有凝汽器、加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、循环水泵等。

发电机是将机械能转变成电能的电气设备。现在几乎都是采用三相交流同步发电机。发电机的轴与汽轮机的轴相连接，由汽轮机拖动发电机旋转，在旋转过程中，发电机把汽轮机输出的机械能转变为电能。发电机发出的三相交流电经输配电设备（由变压器、断路器、隔离开关、杆塔、输电线路等组成），输入电力系统或由直配线路送至用户。

2 我国火力发电站在节能中存在的主要问题

2.1 力发电站技术水平相对落后

目前我国火力发电站大机组比例少，技术参数相对落后，与临界和超临界大型机组比较，煤耗指标差约150g/kwh。同时电站系统未进行全面优化设计，主辅机选型及热力系统设计没有达到最佳。再加上设备的设计、制造、安装质量等原因，国产火电机组达不到进口机组先进水平，效率普遍低于设计保证值，20万千瓦机组效率差5%～7%，早期投产引进型30万千瓦机组效率差2%～5%，国产60万千瓦超临界机组效率差1%～2.5%。

2.2 锅炉能量损失

燃料在锅炉内燃烧过程中的能量损失主要包括：固体未完全燃烧热损失， 可燃气体未完全燃烧热损失，锅炉散热损失，排烟热损失，灰渣物理热损失等。漏风率过大使烟气温度水平降低，烟气与受热面间热交换变差，排烟温度升高；漏风还增大了烟气容积，其结果造成锅炉排烟热损失和引风机电耗都增大，降低锅炉运行的经济性。另外锅炉负荷率、过热主蒸汽温度和压力等参数影响。

2.3 汽轮机能量损失

在汽轮机内蒸汽热能转化为机械能的过程中，由于进汽节流，汽流通过喷嘴与叶片摩擦，叶片顶部间隙漏汽等原因，实际只能使蒸汽的一部分变为汽轮机的机械能，造成汽轮机的内部能量损失。造成汽轮机通流部分效率低的原因主要是：喷嘴损失大，调节级效率低，叶片型损和二次流损失大及动静叶匹配不理想。另外主蒸汽温度、压力和凝汽器真空度也是影响机组发电煤耗的主要因素。

2.4 电力系统能量损失

大多数火电厂没采用变频调速技术，发电厂厂用电量约占机组容量的5%～l0%，除去制粉系统以外，泵与风机等火电机组的主要辅机设备消耗的电能约占厂用电70%～80%。同时厂用电系统用电负荷的大小、特点，合理设计不合理，变压器及动力线缆选择节能等级不够，以及厂用电设备电机和照明器材的耗能也占有一定比例。

3 火力发电站节能降耗的技术方案和新技术

3.1 提高锅炉燃烧效率

一是改造锅炉燃烧器，改善燃烧器的着火稳定性和扩大锅炉的负荷调节范围。采用一些新型的燃烧器及燃烧新技术，如在配置正压直吹式制粉系统的燃煤锅炉上采用等离子点火燃烧器冷态点火启动。

二是改造锅炉受热面。锅炉受热面改造包括过热器、再热器、省煤器等受熱面的改造。主要针对锅炉末级过热器超温或爆管，气温过低降低机组热效率，炉膛出口温差大或者排烟温度过高等问题。

三是改造锅炉风机。选择适合系数的高效风机，进行风机变速调节（变频电源、液力偶合器、双速电机）改造。

四是调整锅炉运行参数。锅炉负荷率在75%～85%范围时，其效率最高，称为经济负荷。

3.2 提高汽轮机效率

一是通过对汽轮机通流部分及相关热力系统的改造，提高热循环效率、降低热耗。近年来国内各汽轮机制造厂纷纷引进和消化了国外最先进的模块化设计、全面应用三维气动设计技术设计机组的通流部分，对通流部分及主汽阀、调节阀、气缸等各部分主蒸汽流经的部位进行全面系统设计，最大限度地减少流动损失。一些火电厂也有计划、有规模地进行旧机组通流部分改造，节能降耗效果明显。例如：2015年某发电厂2#机组320MW汽轮机（型号为K-320-23.5-4型超临界凝汽式）通流改造后，高、中压缸效率分别比改造前提高了7.76%、3.5%；汽轮机额定工况热耗率降低了537kJ/（kW.h）；额定工况时机组供电煤耗降低了约21g/（kW.h）。该机组通流改造前后热力性能验收实验结果如表1。

二是汽轮机运行中，通过调整过热主蒸汽温度和压力等参数影响提高汽轮机效率。主蒸汽温度每升高1℃，煤耗减少0.8g/（kw.h），但是主蒸汽温度不能超过允许范围内，否则温度过高将导致汽机设备损坏，温度过低汽轮机的湿汽损失增加，效率降低。主蒸汽压力每升高1MPa，煤耗减少1.5～2g/（kW.h），但是主蒸汽压力也不能超过允许范围，否则主蒸汽压力过高将引起汽轮机设备部件的应力增加，对管道和汽阀的安全不利，主蒸汽压力过低，引起煤耗增加，汽轮机的最大出力受到限制。

三是采用了新的膠球清洗装置改造，提高凝汽器的真空度。国外ALSTOM公司关于凝汽器清洗系统对出力的影响研究结论见表2。

凝汽器真空度降低及真空系统泄漏均会引起热耗上升，真空每降低1kPa，热耗增加80kJ/（kw·h），煤耗增加3g/（kw·h）。因此配置较好的胶球清洗设备对经济性的提高非常可观。

3.3 电气系统改造节能

利用变频技术对火电站用电设备的驱动电源进行变频改造。对于运行工况变化较大的辅助电气设备，采用变频调速可有效降低电力损耗20%～50%。合理设计厂用电系统，降低系统损耗，保证供电质量。选择节能型变压器，目前国内推广的节能变压器有10、11等系列产品，与S7、S9系列变压器相比，空载损耗平均降低7%～10%，负载损耗平均降低20%～25%，总损耗平均降低18%左右。厂用电动机应选用效率高的产品。根据电厂生产工艺的需要，合理选择电机功率，设计中避免大马拉小车的现象；照明器选用效率高、利用系数高、配光合理、保持率高的绿色环保产品，同时照明设计应充分考虑设备布置影响因素。

3.4 积极推进技术创新，研发新技术

应用现代信息技术、先进控制理论与技术、现代热力学分析方法与先进检测与诊断技术等，提高机组的自动化水平，实现全工况节能优化运行控制，也是大型燃煤发电厂节能降耗的重要途径。不断研发新技术，把科技创新能力作为火力发电厂发展的核心驱动力，有效提高燃煤发电效率并减少资源消耗。采用大容量、高参数、高效率的洁净煤发电技术，使供电煤耗持续下降等。

4 电力发展的展望

为实现国强民富的理想，根据相关规划，2020年我国人均发电量水平将超过意大利目前水平，2050年将超过日本、德国目前水平。今后我国电力将向更清洁、更低碳、更高效持续发展方向，优先规划建设水电、风电、太阳能发电、光伏发电、核电及其他可再生能源发电，同时根据用电增长需要，增加天然气发电比重，优化电源结构，提高能效，降低成本，减少温室气体排放。

参考文献

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