火力发电节能研究

摘要：火力发电厂或称火力发电站，是以燃烧煤、石油、天然气等化石燃料，加热于水产生蒸汽推动发电机，藉以输出电力的发电厂。特征是都有巨大的烟囱，火力发电厂最大的区别是燃料的来源不同，如何提高火力发电的效率及降低发电的所有设备的耗电，是火力发电产业重要的营运目标。

关键词：火力发电；节能降耗；电力生产；节能减碳；发电机组 文献标识码：A

中图分类号：TM621 文章编号：1009-2374（2016）10-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.039

1 火力发电原理

火力发电产生电能的步骤，首先燃烧煤、石油等高化学能的燃料，产生燃气热能，再藉由锅炉水墙管将燃气热能传递给水，水吸收热能产生水蒸汽内能，水蒸汽内能在一定的体积内膨胀产生压力，成为水蒸汽动能，水蒸汽动能经由管路导引至设计的叶轮，使被冲击的叶轮产生高速转动，高速转动的叶轮带动汽机转轴，成为机械能，机械能藉由转轴带动发电机发电，成为最终的电能。燃料与空气混合燃烧，产生高温燃气，提升锅炉内的水和水蒸汽温度及压力，推动汽轮机主转轴，使发电机发电供入系统；使用过的蒸汽则送至冷凝器，由冷却循环水将其冷却成水，再送至锅炉重复使用，如图1所示：

图1 火力发电原理示意图

2 火力发电厂电力生产流程

大型火力电厂电力生产流程：首先确认冷凝器热井水位保持在70%以上，水位不足手动补足，低于50%会自动启动除矿水泵补水，冷凝水泵从冷凝器热井取水送至第1～第4低压加热器提升温度至138℃，再到除氧器除去水中氧气后送至锅炉饲水泵，再由锅炉饲水泵将水送至第6～第8高压加热器提升温度至273℃，再经过省煤器至汽水鼓温度上升至375℃，至此汽水鼓汽水分离，20%蒸汽送至过热器，80%高压循环水继续经由降水管送至进口歧管再到炉水循环泵，炉水循环泵将循环水打入供水鼓加压，供水鼓由炉底平均将循环水分配供给水墙管，水墙管经过吸收炉内燃烧温度产生大量蒸汽集合在上升管，上升管再将蒸汽送至汽水鼓，至此汽水鼓再度产生汽水分离，80%蒸汽送至过热器，20%未蒸发循环水在汽水鼓继续循环，由汽水鼓汽水分离后的蒸汽送至过热器，过热器是装设在锅炉燃气出口通道中央的悬吊式锅炉管，过热器吸收的温度最高，蒸汽流经过热器将375℃的饱和蒸汽继续加温至成为过热蒸汽，此时的过热蒸汽温度为538℃，压力为176kg/cm2，送至高压汽机作功推动汽机回转带动发电机发电，过热蒸汽在高压段汽机作完功后温度降至334℃，压力38kg/cm2，此时过热蒸汽排汽从低温再热器回到锅炉提升温度至538℃，压力35kg/cm2，成为再热蒸汽送至中压段汽机作功推动汽机，再热蒸汽在中压段汽机完成作功后，排入低压段汽机继续作功，蒸汽在低压段汽机作完功后温度降至235℃，压力12kg/cm2。直接排入冷凝器，经过冷凝器铜管内冷却循环水带走热量，使蒸汽温度与压力下降变成温度45℃、压力51mmHg的冷凝水，储存于低压汽机下方的热井，继续循环使用供应锅炉燃烧产生热量推动汽轮机带动发电机不间断发电。

3 火力发电“节能减碳”原理

“节能减碳”简单解释为：节约能源或提升能源使用效率，并且减少二氧化碳排放量。我国能源的使用以石油及电力为最大宗，尤其电力能源因安全方便使用最多也最广泛，同时所排放温室气体对环境的影响也最大；电力能源属高阶能源，一度电的产生需经燃料、设备、人员、水等多重资源的转换才能产生，所耗费的成本相当多，虽然它是生活上最安全方便的能源，但也是所有能源里面最消耗资源的一种，每度电会制造出0.75kg二氧化碳，所以节能就是减碳一体两面的意义。

火力发电机组设备庞大人员机具繁多，大致造成能源浪费有两方面：一方面为厂内用电，分生产性用电及非生产性用电两种，生产性用电所使用的动力回转机及大型马达均使用大量燃料和电能如果运转效率不佳，会造成很大的能源浪费，因此如何提升发电机组运转效率，降低能源浪费，即是节能减碳直接有效的方法，而非生产性用电为油、电、水如交通车用油、办公室电灯冷气用电、生活用水等也要耗用电能；另一方面为机组净热耗率损失，分可控制及不可控制损失两种，如果热耗率损失无法控制就会影响发电效率，造成更大的能源损失和浪费。本文研究即针对上述事项研究如何降低用电量，提升能源使用效率，达到T电厂整体规划到节能减碳的总目标。

4 火力发电机组的效率

“电厂机组净厂效率”的高低直接影响电厂的营运绩效，因而提高净厂效率是电厂运转及维护人员的重大责任，其实影响机组效率的因素非常多，有可控制与不可控制因素两方面。

可控制因素方面有：（1）汽轮机低压排汽压力；（2）汽轮机入口蒸汽温度；（3）汽轮机入口蒸汽压力；（4）汽轮机再热蒸汽温度；（5）汽轮机再热蒸汽压力降；（6）空气预热器漏气、堵塞；（7）煤炭烧失率；（8）给水温度；（9）厂内用电。

不可控制因素方面有：（1）负载调度要求；（2）机组的停机检修、启动、待机；（3）大气温度；（4）冷却水温度；（5）机组本身特性及性能。

5 有关效率的解释

发电量：发电机的毛发电出力。

供电量：发电机实际供至系统的电力。

厂内用电：所有与发电有关的设备所用的电力。

毛热耗率：每发一度电所需的热量以KCAL/kWh表示。

5.1 厂效率（%）

毛热耗率=锅炉输入总热量÷发电量。

毛厂效率=860KCAL/kWh÷毛热耗率KCAL/kWh×100%。

净厂效率：输入锅炉的热能实际转换为输入系统电能之比。

计算式=860KCAL/kWh÷净热耗率KCAL/kWh×100%。

5.2 输入锅炉总热量

投入锅炉的固体、液体、气体燃料依其热值计算而得的总热量。以烧煤锅炉来说其计算式=燃煤量（kg）×（1-表面水分）×煤热值（KCAL/kg）。

5.3 净厂效率计算实例

大一机供电量100054500kWh、用煤量38500Tons、煤发热量6500KCAL/kg。

净热耗率=38500×1000×（1-0.05）×6500÷100054500

=2376KCAL/kWh

净厂效率=860KCAL/kWh÷2376KCAL/kWh×100=36.19%

5.4 锅炉效率（%）

有输出输入及热损失两种算法。

输出输入法=输出总热量÷输入总热量×100%

热损失法=1-热量总损失%

5.5 锅炉热损失项目与占比

干烟气带走的热损失为4.44%

燃料中氢气与水分的热损失为4.55%

燃烧空气中所含水分的热损失为0.22%

燃料未燃损失为0.3%

辐射热损失为0.18%

无法计算的热损失为0.5%

总热损失=10.19%

故：

锅炉效率=1-10.19%=89.81%

以上是使用特低硫煤所产生的数据，如煤质不同会改变300MW出力时依设计输入锅炉的总热量为640×106KCAL/H，则锅炉热量损失每小时为65.2×106KCAL，输入至汽机有效的热量为（640-65.2）×106KCAL/H。

5.6 汽机热损失

以冷却循环水带走的热量为最大，节流损失、叶片泄漏损失及辅助蒸汽系统等损失，依设计值汽机于300MW时其毛热耗率为1901KCAL/kWh，效率为45.24%，则汽机的热损失574.8×106KCAL/H×（100%-45.2%）=314.4KCAL/H，占输入锅炉的热量比=314.4×106÷640×106×100%=49.1%，由汽机吸收转换为电能的热量=574.8×106-314.4×106=260.4×106KCAL/H。

5.7 汽机的焓降

汽机效率试验不宜以输入输出测试，皆采用焓降试验：

高压段效率=（高压进汽的热焓-高压排汽的热焓）÷（高压进汽的热焓-高压段等熵变化的热焓）

中压段效率=（中压进汽的热焓-中压排汽的热焓）÷（中压进汽的热焓-中压段等熵变化的热焓）

5.8 空气预热器（AirHeater，AH）效率

实例空气预热器GAS入口温度368℃、出口温度159.5℃、AIR入口温度46℃、出口温度325℃。

计算式=（GAS入口温度-GAS出口温）÷（GAS入口温度-AIR入口温度）×100%效率=（368-159.5）÷（368-46）=64.75%

5.9 效率提高的有形效益

依T电厂第1号机300MW机组，净发电量280MW/hr，用煤量110T/hr，煤价1600元/顿，煤热值6500KCAL/kg，若净厂效率由35.5%提高为36.5%，净厂效率提高1%，35.5%净热耗率2423KCAL/kWh，36.5%净热耗率2356KCAL/kWh，净热耗率降低67KCAL/kWh，一天节省燃料费=1600×67×280÷6500×24=110828元/天。

6 结语

随着全球暖化气候异常的问题日益突显，传统能源加速耗竭，世界主要国已将“节能减碳”纳为施政新思维，进行能源布局、发展绿能产业、施行绿色新政，以营造永续的低碳社会与发展低碳经济。传统火力发电均以半自动化仪器控制，耗时费力，现代的火力发电应该走向e化控制，就发电流程及设备进行研究、改善、控制及管理而言，导入应用PDM系统正是e化的第一步；产品数据管理（Product Data Management，PDM），从技术观念上，意指在企业内所有与产品相关的数据以及与这些数据相关的作业，经由产品数据管理系统做有效的整合性管制与运用，以达到生产研究设计e化管理，促进信息共享并提升企业效能与获利能力。

参考文献

[1] 任玉珑.面向协调发展的火电行业效率综合评价[J].华东经济管理，2011，（4）.

[2] 刘丽珍.火电行业清洁生产评价与体会[J].能源环境保护，2011，（1）.

[3] 路路.电力行业低碳减排对策的研究进展[J].环境科学与技术，2010，（S2）.

作者简介：赵万帅（1985-），男，供职于大唐国际下花园发电厂，研究方向：发电厂电力系统设备运行、检修技术。

（责任编辑：蒋建华）