火力發(fā)電節(jié)能研究

摘要：火力發(fā)電廠或稱火力發(fā)電站，是以燃燒煤、石油、天然氣等化石燃料，加熱于水產(chǎn)生蒸汽推動發(fā)電機，藉以輸出電力的發(fā)電廠。特征是都有巨大的煙囪，火力發(fā)電廠最大的區(qū)別是燃料的來源不同，如何提高火力發(fā)電的效率及降低發(fā)電的所有設(shè)備的耗電，是火力發(fā)電產(chǎn)業(yè)重要的營運目標。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電；節(jié)能降耗；電力生產(chǎn)；節(jié)能減碳；發(fā)電機組 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2016）10-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.039

1 火力發(fā)電原理

火力發(fā)電產(chǎn)生電能的步驟，首先燃燒煤、石油等高化學能的燃料，產(chǎn)生燃氣熱能，再藉由鍋爐水墻管將燃氣熱能傳遞給水，水吸收熱能產(chǎn)生水蒸汽內(nèi)能，水蒸汽內(nèi)能在一定的體積內(nèi)膨脹產(chǎn)生壓力，成為水蒸汽動能，水蒸汽動能經(jīng)由管路導引至設(shè)計的葉輪，使被沖擊的葉輪產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動，高速轉(zhuǎn)動的葉輪帶動汽機轉(zhuǎn)軸，成為機械能，機械能藉由轉(zhuǎn)軸帶動發(fā)電機發(fā)電，成為最終的電能。燃料與空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫燃氣，提升鍋爐內(nèi)的水和水蒸汽溫度及壓力，推動汽輪機主轉(zhuǎn)軸，使發(fā)電機發(fā)電供入系統(tǒng)；使用過的蒸汽則送至冷凝器，由冷卻循環(huán)水將其冷卻成水，再送至鍋爐重復使用，如圖1所示：

圖1 火力發(fā)電原理示意圖

2 火力發(fā)電廠電力生產(chǎn)流程

大型火力電廠電力生產(chǎn)流程：首先確認冷凝器熱井水位保持在70%以上，水位不足手動補足，低于50%會自動啟動除礦水泵補水，冷凝水泵從冷凝器熱井取水送至第1～第4低壓加熱器提升溫度至138℃，再到除氧器除去水中氧氣后送至鍋爐飼水泵，再由鍋爐飼水泵將水送至第6～第8高壓加熱器提升溫度至273℃，再經(jīng)過省煤器至汽水鼓溫度上升至375℃，至此汽水鼓汽水分離，20%蒸汽送至過熱器，80%高壓循環(huán)水繼續(xù)經(jīng)由降水管送至進口歧管再到爐水循環(huán)泵，爐水循環(huán)泵將循環(huán)水打入供水鼓加壓，供水鼓由爐底平均將循環(huán)水分配供給水墻管，水墻管經(jīng)過吸收爐內(nèi)燃燒溫度產(chǎn)生大量蒸汽集合在上升管，上升管再將蒸汽送至汽水鼓，至此汽水鼓再度產(chǎn)生汽水分離，80%蒸汽送至過熱器，20%未蒸發(fā)循環(huán)水在汽水鼓繼續(xù)循環(huán)，由汽水鼓汽水分離后的蒸汽送至過熱器，過熱器是裝設(shè)在鍋爐燃氣出口通道中央的懸吊式鍋爐管，過熱器吸收的溫度最高，蒸汽流經(jīng)過熱器將375℃的飽和蒸汽繼續(xù)加溫至成為過熱蒸汽，此時的過熱蒸汽溫度為538℃，壓力為176kg/cm2，送至高壓汽機作功推動汽機回轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電，過熱蒸汽在高壓段汽機作完功后溫度降至334℃，壓力38kg/cm2，此時過熱蒸汽排汽從低溫再熱器回到鍋爐提升溫度至538℃，壓力35kg/cm2，成為再熱蒸汽送至中壓段汽機作功推動汽機，再熱蒸汽在中壓段汽機完成作功后，排入低壓段汽機繼續(xù)作功，蒸汽在低壓段汽機作完功后溫度降至235℃，壓力12kg/cm2。直接排入冷凝器，經(jīng)過冷凝器銅管內(nèi)冷卻循環(huán)水帶走熱量，使蒸汽溫度與壓力下降變成溫度45℃、壓力51mmHg的冷凝水，儲存于低壓汽機下方的熱井，繼續(xù)循環(huán)使用供應(yīng)鍋爐燃燒產(chǎn)生熱量推動汽輪機帶動發(fā)電機不間斷發(fā)電。

3 火力發(fā)電“節(jié)能減碳”原理

“節(jié)能減碳”簡單解釋為：節(jié)約能源或提升能源使用效率，并且減少二氧化碳排放量。我國能源的使用以石油及電力為最大宗，尤其電力能源因安全方便使用最多也最廣泛，同時所排放溫室氣體對環(huán)境的影響也最大；電力能源屬高階能源，一度電的產(chǎn)生需經(jīng)燃料、設(shè)備、人員、水等多重資源的轉(zhuǎn)換才能產(chǎn)生，所耗費的成本相當多，雖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資源的一種，每度電會制造出0.75kg二氧化碳，所以節(jié)能就是減碳一體兩面的意義。

火力發(fā)電機組設(shè)備龐大人員機具繁多，大致造成能源浪費有兩方面：一方面為廠內(nèi)用電，分生產(chǎn)性用電及非生產(chǎn)性用電兩種，生產(chǎn)性用電所使用的動力回轉(zhuǎn)機及大型馬達均使用大量燃料和電能如果運轉(zhuǎn)效率不佳，會造成很大的能源浪費，因此如何提升發(fā)電機組運轉(zhuǎn)效率，降低能源浪費，即是節(jié)能減碳直接有效的方法，而非生產(chǎn)性用電為油、電、水如交通車用油、辦公室電燈冷氣用電、生活用水等也要耗用電能；另一方面為機組凈熱耗率損失，分可控制及不可控制損失兩種，如果熱耗率損失無法控制就會影響發(fā)電效率，造成更大的能源損失和浪費。本文研究即針對上述事項研究如何降低用電量，提升能源使用效率，達到T電廠整體規(guī)劃到節(jié)能減碳的總目標。

4 火力發(fā)電機組的效率

“電廠機組凈廠效率”的高低直接影響電廠的營運績效，因而提高凈廠效率是電廠運轉(zhuǎn)及維護人員的重大責任，其實影響機組效率的因素非常多，有可控制與不可控制因素兩方面。

可控制因素方面有：（1）汽輪機低壓排汽壓力；（2）汽輪機入口蒸汽溫度；（3）汽輪機入口蒸汽壓力；（4）汽輪機再熱蒸汽溫度；（5）汽輪機再熱蒸汽壓力降；（6）空氣預(yù)熱器漏氣、堵塞；（7）煤炭燒失率；（8）給水溫度；（9）廠內(nèi)用電。

不可控制因素方面有：（1）負載調(diào)度要求；（2）機組的停機檢修、啟動、待機；（3）大氣溫度；（4）冷卻水溫度；（5）機組本身特性及性能。

5 有關(guān)效率的解釋

發(fā)電量：發(fā)電機的毛發(fā)電出力。

供電量：發(fā)電機實際供至系統(tǒng)的電力。

廠內(nèi)用電：所有與發(fā)電有關(guān)的設(shè)備所用的電力。

毛熱耗率：每發(fā)一度電所需的熱量以KCAL/kWh表示。

5.1 廠效率（%）

毛熱耗率=鍋爐輸入總熱量÷發(fā)電量。

毛廠效率=860KCAL/kWh÷毛熱耗率KCAL/kWh×100%。

凈廠效率：輸入鍋爐的熱能實際轉(zhuǎn)換為輸入系統(tǒng)電能之比。

計算式=860KCAL/kWh÷凈熱耗率KCAL/kWh×100%。

5.2 輸入鍋爐總熱量

投入鍋爐的固體、液體、氣體燃料依其熱值計算而得的總熱量。以燒煤鍋爐來說其計算式=燃煤量（kg）×（1-表面水分）×煤熱值（KCAL/kg）。

5.3 凈廠效率計算實例

大一機供電量100054500kWh、用煤量38500Tons、煤發(fā)熱量6500KCAL/kg。

凈熱耗率=38500×1000×（1-0.05）×6500÷100054500

=2376KCAL/kWh

凈廠效率=860KCAL/kWh÷2376KCAL/kWh×100=36.19%

5.4 鍋爐效率（%）

有輸出輸入及熱損失兩種算法。

輸出輸入法=輸出總熱量÷輸入總熱量×100%

熱損失法=1-熱量總損失%

5.5 鍋爐熱損失項目與占比

干煙氣帶走的熱損失為4.44%

燃料中氫氣與水分的熱損失為4.55%

燃燒空氣中所含水分的熱損失為0.22%

燃料未燃損失為0.3%

輻射熱損失為0.18%

無法計算的熱損失為0.5%

總熱損失=10.19%

故：

鍋爐效率=1-10.19%=89.81%

以上是使用特低硫煤所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如煤質(zhì)不同會改變300MW出力時依設(shè)計輸入鍋爐的總熱量為640×106KCAL/H，則鍋爐熱量損失每小時為65.2×106KCAL，輸入至汽機有效的熱量為（640-65.2）×106KCAL/H。

5.6 汽機熱損失

以冷卻循環(huán)水帶走的熱量為最大，節(jié)流損失、葉片泄漏損失及輔助蒸汽系統(tǒng)等損失，依設(shè)計值汽機于300MW時其毛熱耗率為1901KCAL/kWh，效率為45.24%，則汽機的熱損失574.8×106KCAL/H×（100%-45.2%）=314.4KCAL/H，占輸入鍋爐的熱量比=314.4×106÷640×106×100%=49.1%，由汽機吸收轉(zhuǎn)換為電能的熱量=574.8×106-314.4×106=260.4×106KCAL/H。

5.7 汽機的焓降

汽機效率試驗不宜以輸入輸出測試，皆采用焓降試驗：

高壓段效率=（高壓進汽的熱焓-高壓排汽的熱焓）÷（高壓進汽的熱焓-高壓段等熵變化的熱焓）

中壓段效率=（中壓進汽的熱焓-中壓排汽的熱焓）÷（中壓進汽的熱焓-中壓段等熵變化的熱焓）

5.8 空氣預(yù)熱器（AirHeater，AH）效率

實例空氣預(yù)熱器GAS入口溫度368℃、出口溫度159.5℃、AIR入口溫度46℃、出口溫度325℃。

計算式=（GAS入口溫度-GAS出口溫）÷（GAS入口溫度-AIR入口溫度）×100%效率=（368-159.5）÷（368-46）=64.75%

5.9 效率提高的有形效益

依T電廠第1號機300MW機組，凈發(fā)電量280MW/hr，用煤量110T/hr，煤價1600元/頓，煤熱值6500KCAL/kg，若凈廠效率由35.5%提高為36.5%，凈廠效率提高1%，35.5%凈熱耗率2423KCAL/kWh，36.5%凈熱耗率2356KCAL/kWh，凈熱耗率降低67KCAL/kWh，一天節(jié)省燃料費=1600×67×280÷6500×24=110828元/天。

6 結(jié)語

隨著全球暖化氣候異常的問題日益突顯，傳統(tǒng)能源加速耗竭，世界主要國已將“節(jié)能減碳”納為施政新思維，進行能源布局、發(fā)展綠能產(chǎn)業(yè)、施行綠色新政，以營造永續(xù)的低碳社會與發(fā)展低碳經(jīng)濟。傳統(tǒng)火力發(fā)電均以半自動化儀器控制，耗時費力，現(xiàn)代的火力發(fā)電應(yīng)該走向e化控制，就發(fā)電流程及設(shè)備進行研究、改善、控制及管理而言，導入應(yīng)用PDM系統(tǒng)正是e化的第一步；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM），從技術(shù)觀念上，意指在企業(yè)內(nèi)所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)以及與這些數(shù)據(jù)相關(guān)的作業(yè)，經(jīng)由產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)做有效的整合性管制與運用，以達到生產(chǎn)研究設(shè)計e化管理，促進信息共享并提升企業(yè)效能與獲利能力。

參考文獻

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作者簡介：趙萬帥（1985-），男，供職于大唐國際下花園發(fā)電廠，研究方向：發(fā)電廠電力系統(tǒng)設(shè)備運行、檢修技術(shù)。

（責任編輯：蔣建華）