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任重道远！漫谈大型火力发电机组节能降耗那些事

近年来 ， 能源的节能降耗和可持续利用成为了新的话题 ， 各种新能源层出不穷 ， 从最早的生物质发电到垃圾发电 ， 从光伏发电到光热发电 ， 从海洋潮汐能到最近我听人介绍的海洋波浪能 。 可以说 ， 目前能源的产生形式多种多样 ， 但是在目前国内 ， 燃煤发电仍然是电力的主要来源 ， 而在欧洲 ， 核电、生物质能等成为了主流 ， 日本目前核电、天然气发电是主流 ， 不过最近两年燃煤发电势头重新崛起 。
总结来看 ， 目前第三世界发展中国家基本上以燃煤发电为主 ， 中国、东南亚、印度等都是燃煤发电的重要国家和地区 。 燃煤发电技术成熟、能量利用率高、发电量大 ， 目前全世界最大的燃煤发电机组高达1400MW 。 但是燃煤发电的劣势同样突出 ， 排碳量高、煤炭日益枯竭等 ， 这都威胁着煤电在未来市场的发展前景 。
目前仍在大规模建设燃煤发电的国家集中在东南亚 ， 当然中国的脚步只是放缓 ， 但是体量巨大 。 中国的企业在南亚、东南亚、南美和非洲都在参建大量的电力设施 ， 包括发电厂、电网等 。 按照目前发展态势 ， 燃煤电厂在未来很长一段时间仍将是我国以及发展中国家电力的主要来源 ， 并将深刻影响着世界电力上下游的生产关系 。 虽然近年核电、生物质发电、垃圾发电、太阳能发电以及水电、风电等在急剧增加 ， 但是其整体的性能和装机容量与燃煤发电不可同日而语 。
以垃圾发电来说 ， 目前垃圾发电的单机容量在30MW左右 ， 部分机组可以做到60MW以上 ， 而“上大压小”建成的火力发电机组大都在600MW以上 。 垃圾发电存在主要的使命是处理废弃物 ， 发电只是对其热源综合利用的一种形式 ， 它的其它利用形式还包括供热 。 对于大型燃煤发电机组主要的考核指标就是发电 ， 而其它形式的火力发电其实更是一种热电联产的模式 ， 产品包括电和热两部分 。
2017年我在陕西华能某电厂调试 ， 当时该公司上马了一组供热机组 ， 为周边居民用户供热 。 其热源主要来自大机的某段抽汽 ， 对其进行减温减压之后通过供热管道输送到千家万户 。 而据我了解 ， 该公司2*660MW机组几乎做不到两台同时满发 ， 甚至更多的时候会是一用一备 。 这是目前我国西部燃煤发电厂的一个缩影 ， 因此单从电的角度讲 ， 特高压西电东输具有重大意义 。
除去战略上的部署无法改变以外 ， 目前火力发电厂都在积极推进节能降耗工作 ， 降低厂用电率、降低单位发电煤耗、优化风水煤三者之间的关系成为了很多燃煤电厂积极推进的工作 。 我们利用一定的篇幅对燃煤电厂目前的节能降耗工作进行盘点 ， 不足之处还望留言补充！
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燃煤电厂考核指标基本围绕节能降耗来的 ， 主要体现在降低厂用电率、降低汽机热耗、提高锅炉效率、提高发电机效率、降低变压器损耗 。 在这几方面 ， 除了变压器损耗 ， 其它基本都是可控 。
为了降低厂用电率 ， 大型火力发电机组在部分设备采用负荷可调的方式 ， 比如采取变频、汽动等方式 。 一般电厂主要的耗电设备包括引风机、送风机、一次风机、给水泵、循环水泵、真空泵、凝结水泵、磨煤机等 。 由于大型火电机组都存在峰谷平的发电时段 ， 因此牵涉到负荷的设备一般也都具备负荷调整功能 。 比如风机使用变频风机或者使用可调的进出口挡板进行调节 。 给水泵一般会采用汽动给水泵 ， 这样可以很大程度上节省一部分电量 。 通过采用变频、可调挡板以及汽动调节等方式 ， 可以有效降低厂用电率 ， 提高机组效益 。
降低厂用电率的方式还有很多 ， 从宏观方面讲 ， 保证机组长期稳定维持在一个满负荷或者高负荷状态 ， 其实是提高机组经济性最可靠的保障 。 但是由于目前我国的电力环境 ， 中西部很多火电机组没有那么多的负荷指标 ， 所以在中低负荷降低厂用电率成为了新的研究课题 。 但是 ， 如果机组不能在额定负荷下工作 ， 其厂用电率一定会维持在一个较高水平 ， 这是直接影响电厂经济效益的关键所在 。
为了提高电厂整体的经济效益 ， 除了降低厂用电率 ， 降低汽机热耗、提高锅炉效率和发电机效率就需要另做研究 。 这里面我总结了三个大的方面 ， 第一是优化机组整体工艺 ， 第二是优化机组管道设计 ， 第三是优化机组辅助系统 。
上述三个方面很多时候需要在机组前期设计和改造阶段执行 ， 我们只做总结 ， 希望大家可以理解 。
先说第一个方面 ， 如何优化机组整体工艺 。 这里面包含了很多方面 ， 大家首先想到的是提高机组的蒸汽参数 。 我查了一些资料 ， 一般超临界机组设计参数为24.2MPa/566℃/566℃,超超临界机组为26.2MPa/600℃/600℃ ， 而在超超临界机组之上 ， 我们每提高1MPa蒸汽压力 ， 汽机热耗降低0.1% ， 而再热温度提高10℃ ， 降低热耗0.15% ， 对应参数下煤耗将降低1.5~2.5g/Kw*h 。 根据这个计算结果 ， 在电厂设计之初 ， 我们就可以对设计参数进行高效设计 。
当然由于受到管道材料对温度和压力的限制 ， 我们不可能无休止的对设计参数进行提高 。 我目前查到的资料是 ， 安徽田集电厂二期2*660MW机组工程 ， 该工程3号机组采用先进的27MPa/600℃/620℃的装机方案 ， 是世界首台66万千瓦等级再热蒸汽温度达到623℃超超临界π型锅炉燃煤机组 。 这样的参数设计 ， 对于超超临界机组来讲已经是极致 ， 该机组目前已经稳定运行多年 ， 可以说经受住了时间的检验 。
在机组工艺设计方面 ， 采用二次再热的超临界或者超超临界机组目前也有案例 ， 所谓二次再热就是在一次再热的基础上再增加一段回热 。 具体来说 ， 汽轮机在原来高中压三个缸的基础上增加一个超高压缸 ， 超高压缸排汽经锅炉加热后进入高压缸为一次再热 ， 高压缸排汽经锅炉加热后进行中压缸为二次再热 。 拥有二次再热的机组比一次再热机组效率可以提高2% ， 降低煤耗8g/Kw*h 。
大唐东营电厂采用六缸六排汽方案(机组采用一个高压缸、一个超高压缸、一个中压缸和三个低压缸串联的布置方式) ， 超超临界、二次再热、纯凝汽轮发电机组 。 这在国内 ， 属于首创 。 可以预见的是 ， 随着一批二次再热机组的诞生 ， 未来大型火力发电机组将更倾向于这种工艺 。
优化机组整体工艺 ， 还包括其它部分 ， 比如采用低温省煤器、对汽轮机通流部分和汽封部分进行改造 。 对汽轮机通流部分和汽封部分进行改造这个很好理解 ， 无非就是增加蒸汽在汽轮机内部做功的效率 ， 同时减少蒸汽泄露 ， 据说对一些老机组改造首煤耗能降低10g/Kw*h 。 我没有找到很合适的案例 ， 不过按照相关参数计算 ， 理论上是可以达到这样的目标 。 不过 ， 这也是要建立在机组新建设计或者汽轮机整体改造的基础之上的 ， 对于运行机组很难实现这一点 。
【任重道远！漫谈大型火力发电机组节能降耗那些事】而采用低温省煤器的方式在目前锅炉工艺中较为常见 ， 一般是在除尘器入口增加低温省煤器 ， 用凝结水（或者其它工业水）回收烟气余热 。 这样做不仅可以降低烟气整体温度 ， 从而降低引风机出力 ， 同时可以将凝结水提前进行加热 ， 整体上可以降低煤耗1g/Kw*h 。
第二个方面 ， 关于优化机组管道设计 ， 其实这个问题是与第一个方面相呼应的 ， 我们甚至可以将汽轮机也看作整个管道的一部分 。 在提高机组蒸汽参数的同时 ， 对于机组管道材质、硬度、长度、通流设计等都有了新的更高的要求 。 在管道设计过程当中 ， 应该尽量避免管道过多的弯道、可以适当放大管径等方式 。
对于机组四大管道 ， 除了安全因素考虑外 ， 管道的整体布置应该以蒸汽的流畅同行为目的 。 管道周边建筑物、设备的安装设计 ， 应该避开四大管道的行走路线 ， 尽量保证蒸汽管道的畅行无阻 。
管道的优化设计给设计院提出了更高的要求 ， 这里面不仅仅是管道走向的一个问题 ， 更牵涉到管道固定、管道长度等方方面面 。 特别是四大管道设计参数较高 ， 成本较高 ， 合理的设计和布置也是机组节能降耗的一部分 。
第三个方面是机组辅助系统的优化 。 前文说的是机组的本体设备 ， 辅助系统很大程度上也会影响机组的整体效率 。 前文我们提到了对机组的风机系统使用变频改造 ， 其实就是辅机系统的一种优化 。 这种优化不仅仅是降低了辅机电耗 ， 通过变频或者其它模拟量的控制方式 ， 可以合理降低排烟温度 ， 排烟温度的降低其实也是提高机组效率的一种体现 ， 根据能力守恒定律 ， 排烟温度降低说明有更多的热量被机组消化吸收 。
我查过一些资料 ， 目前大型火力发电机组的自耗电部分 ， 电除尘的耗电占了很大的比例 。 目前电厂使用的电除尘设备是一般是可调或者设置多台电除尘设备 ， 根据机组负荷的变化在保证除尘效果的情况下合理安排电除尘设备参数 ， 这也算是在考虑环保的情况下对节能降耗的一种优化 。
此外 ， 像采用更低温的冷却水系统、高效的管道保温方式等也是机组节能降耗的一部分 。
02
上面所说的这些情况算是目前电厂节能降耗的一个大类 ， 节能降耗的方式有很多方面 ， 我们很难区分很细 。 下面我要给大家看一组数据 。
任重道远！漫谈大型火力发电机组节能降耗那些事
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这是某资料的数据总结 ， 这本书成书较早 ， 可能部分参数与现今的一些参数有出入 ， 但是整体是没有争议的 。 通过这个数据 ， 我们可以得出一个结论 ， 即便是设计参数较高的电厂 ， 机组整体效率也没超过50% ， 也就是说目前发电厂能量的损失远大于能量的利用 。
针对这个问题 ， 目前国内各电科院都积极开展了工作 ， 目前的机组效率来看 ， 优化上升的空间还是很大的 。 对于设计阶段的电厂 ， 可以通过提高机组整体参数来提高效率 ， 而对于运行电厂就只能采用工艺改造或者运行优化来达到预期的效果 。
去年有个新闻引爆了电力行业 ， 说京东强势进入火电优化领域 ， 利用电厂大数据对火电厂的运行进行优化 。 具体来说就是利用AI算法 ， 通过收集机组的参数 ， 对于机组实时送多少煤、送多少风、送多少水尽量算到精确 。 据说经过试验 ， 相关专家在验收时明确写到“锅炉系统运行参数达到了现有工况下最优”、“锅炉热效率提高0.5%” 。
我从来不排斥新技术进入火电行业甚至改变格局的可能 ， 但是这个报道之后没有了下文 ， 我想效果可能在性价比上可能并不完美 。 其实利用大数据对机组进行优化并非京东首创 ， 目前国内进行机组优化控制的相关部门也是通过采集数据进行分析后进行的 。 之前我也参与部分相关工作 ， 主要是对CCS逻辑参数、一次调频参数、各自动PID参数进行优化 ， 对于大部分机组来说 ， 效果其实不能说好 。 因为我看到的现象是 ， 一些运行稳定的机组 ， 运行人员经验丰富的机组 ， 机组效率把控的已经非常好 ， 优化控制更多的是在做着锦上添花的工作 。
这里面我遇到过一个意外 ， 大型火力发电厂一般采用氨法脱硝的方式 ， 而喷氨自动的整定就是目前很多电厂的一个难点 。 脱硝效果的好坏不仅仅影响的是环保参数 ， 还需要对环保成本进行控制 。 很多情况下 ， 为了保证脱硝效果 ， 氨水使用过多 ， 造成了浪费 ， 这也是电厂成本的一部分 。 因此 ， 我一些朋友目前专门做电厂喷氨自动方面的研究 ， 据我所知其实整体效果一般 。
我在这方面的见解是 ， 在保证环保参数的情况下 ， 为了保证经济性 ， 还是要在自动的基础上增加人工干预 。 这一点 ， 电厂的一些老师傅做的比较好 ， 经验法也是决定机组效益的重要方面 。
机组优化控制的空间个人认为还是很大 ， 如果能将机组整体效率提高 ， 那么对于节能降耗或者减排都意义重大！
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关于机组节能降耗 ， 我目前在做的工作就是对于余热、废热、废汽的回收利用 ， 这不仅在电力行业 ， 也在钢铁、水泥、化工等高耗能行业 。 今天我们重点说的是电力行业 。
其实电厂整体“两废一余”的利用已经做的非常到位 ， 但是从整个工业领域来讲 ， 我们目前对于100℃以下的废水、300℃以下的烟气利用率并不高 ， 甚至是无法利用的状态 。 以电厂为例 ， 我们对于烟气的利用一般是增加回热（低温省煤器） ， 这是很好的利用方式 ， 但是效率其实并不高 。 因为我们知道一般烟气从脱硝系统出来之后仍然有300℃的高温 ， 但是经过脱硫塔之后温度会急剧降到100℃ 。 这其中大部分的热量被喷淋系统等强制带走 ， 是非常大的损失 。
如果可以对这部分烟气进行合理规划 ， 那么也将取得不错的节能降耗的效果 。 比如利用有机朗肯循环设备进行发电 ， 可以整体提高10%的机组效率 。 包括电厂部分循环水系统等废水 ， 其实均可以使用朗肯循环的原理进行发电 。
前几天我去安徽某水泥企业考察 ， 他们对余热的利用应该是做到了极致 ， 该企业进口了日本的一套设备 ， 利用300℃的蒸汽进行发电 ， 排汽再次回收进行循环利用 ， 大大提高了机组效益 。
其实对于低温余热的利用方式很多 ， 目前在大型高耗能企业该类能量丰富 ， 但是限于各方面的原因没有进行充分利用 。 单就火力发电机组 ， 可以预见的是优化空间和再利用空间还是非常值得期待 。


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