火电厂集控运行节能降耗技术研究

国家能源集团宿迁发电有限公司 王政昊

火电厂是我国社会生产的“主力军”，对人民生活和工业生产起着重要的作用。在我国未来一定时期内，火力发电仍会占据主导地位，国家要继续发挥火电能源保障的基石作用。但长久以来，火力发电厂能耗高、污染大的问题给企业的绿色可持续发展带来了不良影响。要主动变革，更要注重渐变发展，近年来随着社会各界对“绿色、节能、环保”的关注度逐步提升，政府针对节能降耗在各行业的运用也相继出台了多项政策，国家也将火电厂列为节能减排的重要监管对象，因此火力发电行业必须加大科技创新力度，应将集控运行节能降耗技术列为重要研究内容，提升绿色管理水平，加快提高火电厂的运行效率，降低生产能耗，减少对环境的污染，保证节能减排各项工作顺利落地，增强行业绿色竞争力[1]。

1 火电厂集控运行系统概述

集控运行技术简称“DCS”，是依托计算机技术将通信技术、控制技术、自动化技术进行有效融合，促进火电厂在整个生产运行过程中的集成化、数字化、自动化和智能化的管理，通过统一的控制管理实现火电厂集控运行。管理技术和操控技术是集控运行系统的核心技术，其中管理技术包括生产设备性能监测、保护、预防和控制生产事故；操控技术将依托工业计算机系统对火电厂自动化水平进行全面提升。

在长期的发展过程中，火电厂集控运行系统逐渐更新为拥有多系统接口的新型控制系统，有效连接了各控制器，并且系统的智能化水平也在不断提升，为火电厂的生产运营保驾护航。同时，从长期应用实践中发现，火电厂集控运行系统能耗高的问题依然存在，因此，火电厂还要不断优化系统配置，从根本上解决问题，降低能耗，尽快达到绿色生产标准，全面提升集控运行系统的经济性[2]。

2 火电厂集控运行系统节能降耗的现实作用

一是可持续发展。新时期，火力发电厂的可持续发展同样与环境保护密不可分，相比于西方国家，我国火电厂集控运行节能技术还有较大进步空间。一直以来，绿色生产、可持续发展是火电厂的核心经营目标，也与我国电力行业战略方向目标相一致，在火力发电厂生产过程中引入环保理念，应用节能技术措施，可实现火电厂长期、稳定、可持续的发展目标，并有效平衡资源使用与自然之间的关系，为社会创造更多价值。

二是减少资本。随着我国能源储备量的不断下降，火电厂的生产成本持续上升，为了更好地平衡好技术发展与经济效益两者之间的关系，火电厂要加快落实绿色生产要求，践行集控运行系统节能技术，通过科学、合理的技术措施来提高火电厂能源利用率，提高发电质量，降低生产成本。

3 火电厂集控运行节能降耗技术分析

3.1 真空系统节能技术

随着机组调峰力度的加大，机组负荷变化范围也随之加大，因此迫切需要对真空泵等辅机设备出力进行调节，来减少能源的浪费，达到节能降耗的目标。调查研究表明，机组真空系统节能潜力巨大，凝汽器真空每提高1kPa，机组发电量就会提高1%[3]。目前，一些汽轮机组真空系统大多都在200Pa/min以下，具有较大的节能空间，并且常规的水环式真空泵水力损失较大，浪费了大量的厂用电，因此更换高效率的抽真空设备对火电厂集控运行节能具有重要意义。在正常运行情况下，火电厂凝汽器维持真空的时间大约占80%以上，可从该环节进行改造，提高抽真空设备作功效率和凝汽器的真空度，进而提升机组运行效率，降低能耗。

3.1.1 节能方案设计

可选用ZJL1200罗茨-水环式真空泵组取代水环泵，对其进行节能改造，通常罗茨泵与前级泵抽速比为4:1～10:1，另外为了提升罗茨泵的最大排气压力，还要加装冷凝器，有效降低排气口处的气体温度，进而减少罗茨泵转子在压缩气体时产生的热量，效率可以提高70%左右。

3.1.2 节能效果分析

改造前后真空系统参数对比见表1。由表1可以看出，改造前后排气温度相差不大，因此没好相差不明显，但改造后机组真空改善效果明显，表面改造后作用能力得到了提升。

表1 节能改造前后真空系统参数对比分析

以机组负荷300MW 进行计算，改造前水环泵每台需要消耗51.8m3/h 闭式冷却水，改造后新节能真空泵组仅消耗17.5m3/h，有效节约了用水量，另外改造后每台机组每年节省电量在450450kWh 左右，相当于减少CO2排放373t，按照15年使用期限计算，共可降低CO2排放量5595t，社会效益显著。

3.2 变频调速技术

锅炉系统是火力发电厂的高能耗设备，特别是与锅炉配套的辅机设备如引风机、一次风机、二次风机、送风机等，当机组负荷作出改变时，辅机输出风量也要不断调整进而实现能耗的降低。目前，锅炉风机节能改造主要选用调速技术，既可以减少能源消耗还能有效控制风量。

3.2.1 变频调速技术基本原理

当改变电源频率f1时，由于同步转速n1与频率f1之间存在下列关系（1）：

由式（1）可知，当频率方式发生改变时，转速也随之改变，因此改变电源频率和平滑调节电动机的转速。变频调速技术具有调速范围大、稳定性好等优势，在火电机组集控运行中得到普遍应用。以风机为例，通过利用变频技术，风机的出口压力减小，当机组负荷降低时，可保持风机管路特性在节流最小工况下运行，这样可大大减少节流损失，减少能耗。

3.2.2 变频器应用实例分析

经过长期的发展，变频调速技术取得了重要进步，例如SCR 变频器、IGBT、IGCT、SGCT 等变频器中的一些器件都实现了规模化生产，新技术、新工艺的涌现也促进了一些高端的多个功能的变频器的出现。以300MW 机组为例，对一次、二次风机进行变频控制设计，采用变频控制调节后，一次、二次风机运行电耗较挡板节流调节有明显降低，节能效率可达50%以上。实现了一二次风机变频控制的变频器启动、停运、变频切工频、工频切变频，保障发电机组安全稳定运行，还有效降低了机组发电能耗。

3.2.3 变频改造中的注意事项

以火电厂集控运行风机系统变频改造为例，在改造中需要注意的问题有以下三点：一是低频抢风问题。停运引风机启动并入系统时偶尔发生抢风现象，在低频下，只要控制引风机的流量，使其大于极限流量，就会有效避免低频抢风问题。二是低转速风机轴系共振问题。变频运行改变了风机转速，导致在低频时部分区段轴系振动偏高，发现引风机可能存在扭曲共振的现象导致在低频时部分区段轴系振动偏高，可采用引风机调节过程中尽快躲过临界转速，减小风机振动。三是电机低频发热问题。变频调速控制后，电动机转速将下降，电动机发热有可能成了突出问题，为解决此问题，对电动机的冷却系统进行改造升级，增强电动机冷却风量[4]。

3.3 烟气余热利用技术

火力发电厂锅炉能源消耗较高，锅炉排烟温度高会造成大量的热能浪费和损失，锅炉尾部烟气的排烟损失最为严重，约占整个锅炉热损失的70%以上，因此降低排烟温度，减少排烟热损失，是降低火力发电厂机组运行能耗的重要技术措施之一，因此要利用烟气余热利用技术对锅炉加以改造，达到节能的效果。常用的锅炉尾部烟气余热技术方案有以下几点。

一是低温省煤器。在锅炉尾部的饮水位置安装低低温煤器，一方面实现了对余热的收集，另一方面还节约了煤炭资源，提升了锅炉运行效率。低温省煤器的设计与安装应结合锅炉机组实际情况考虑，并合理选择安装位置，低温省煤器还应选择高性能抗腐蚀性材料，来延长设备使用寿命，保证节能效果。

二是热管换热器。热管换热器属于一种高效的传热元件，其技术使用安全性高，有效避免了低温腐蚀的问题，最重要的是可以将分散的热流加以集中，或将集中的热流进行分散，显著降低能耗。

三是相变换热器。相变换热器是对热管换热器进行相变所得，该设备具备较高的一体化程度。相变换热器余热回收的适应性较强，能明显控制和降低排烟的温度，减少能源资源的消耗，能够有效处理不凝结气体等问题，对提升锅炉运行质量和效率具有重要作用。

3.4 智能控制技术

集控运行控制系统应与时俱进，立足于最新的信号处理和网络技术，提升系统的智能化、自动化水平。在火电厂集控运行过程中，通过远程智能化监控模式对系统进行监控可降低人员工作量，还能够提高工作精度和效率。

一是信号处理首先要保证的是全面、及时，这就要求控制系统中不但要配置大量的I/O 测点，信号接收、整合、发送也都应实时、可靠，以保障系统稳定性。

二是利用网络计算机大数据分析和云端计算处理等各项技术进行规范和统一，实现不同技术等级的结合和职能划分，保证了信息交流与共享，通过现代化的监测设备和大数据技术进行数据的采集、分类和处理，再进一步根据设备性能定制化的打造顺控逻辑。集控系统中创建的智能化逻辑，能够对联锁设备的状态实时监测，进行自动化的条件分析和流程判定，执行设备的启停、开关的投切、系统的调节等操作，最终只需简单的指令输入即可实现运行状态的智能化控制和调整。

三是以信息化技术替代传统的人工判断、干预和操作，提升了工作效率，也兼顾了运行的安全，在确保电厂设备安全稳定启动、运行、停机的前提下，智能化地降低人为失误造成的风险。另外，通过大量的云端数据分析，改进系统中的不足，实现对系统的动态化管理和标准化控制，进而实现集控运行节能降耗的目标。

3.5 降低厂用电率

在火电厂生产运行过程中，除了应用必备的发电机组外还会使用到大量的辅助设备，这些辅助设备在运行中会消耗掉大量电能，因此集控运行节能管理也应将辅机系统列为重要节能对象，对于降低辅机厂用电率可从以下几方面。

一是设备优化。锅炉给水泵配置和凝结水泵的优化，通常300MW 级机组汽泵组台数可采用2×50%，即两台半容量的主给水泵并列运行，也可以采用1×100%的主给水泵，变频调速的凝结水泵，降低厂用电和煤耗，实现节能效果。

二是改善主机和辅机运行方式。启停机期间辅机的运行优化措施，要采取有效手段来缩短启停时间，降低机组能耗，在汽轮机冲转及暖机期间停运一台真空泵运行，适当提高汽轮机的背压，进而有效提升汽轮机和暖机进汽量和排汽温度。

三是优化厂区照明。遵循节能原则加强对火电厂照明情况管控，应用绿色照明系统代替传统光源，可采用智能感光控制技术实现照度的合理控制，达到良好节能效果[5]。

综上所述，火电厂在社会建设与经济发展中发挥了重要作用，随着能源危机的日益严峻，节能降耗是当下电力企业面临的首要任务。在火电厂集控运行节能降耗技术研究中，要立足我国火电厂实际情况制定相应的节能减排策略，以技术优化来真正推动火电厂的节能降耗发展，从根本上解决火电厂集控系统能耗高的问题。