[科普中国]-发电节能技术

发电节能技术是为降低能源使用量、减少环境污染物的排放量与提高发电效率，需在发电过程中应用的技术，如改善机组设计方法、制造质量及运行水平等 。

燃煤发电节能技术浅析燃煤发电过程中常用的节能技术①IGCC节能技术

IGCC（整体煤气化联合循环发电系统）技术具有高效及清洁的特点，能有效减少燃煤发电能耗，在燃煤发电领域中得到了广泛应用。在应用 IGCC技术的过程中可对含碳燃料，包括重渣油、石油焦、生物质及煤炭等进行气化处理，经过气化处理后将会得到可用于发电的合成气，在发电前需对合成气进行净化处理，以确保蒸汽、燃气可实现联合循环。IGCC技术的机组设备主要包括两大部分，第一部分中的设备有煤气净化装置、空分设备及气化炉等，余热锅炉、燃气轮机系统及蒸汽轮机系统则属于另一部分。从 IGCC技术的发电设备制造与系统构成角度来看，该发电技术融合了燃煤发电系统中的多种先进技术，能优化集成燃气轮机循环技术、煤气净化工艺、煤气化工艺及空气分离工艺等。因此可优化整个发电系统的运行状态，同时可梯级利用燃煤化学能，减少燃煤能耗，具有减少污染物如 、S等排放的优势，在火电企业中应用不但可有效解决发电效率低下的问题，同时有利于保护环境，符合节能减排的发展要求。

②煤粉炉节能运行技术

煤粉炉是常用的火力发电设备，该设备的燃烧效率较高，因此被许多发电厂引进使用。煤炭质量、煤种波动等外界因素可对煤粉炉运行质量产生影响，在煤炭质量降低时还可能导致设备无法正常运行，进而造成设备燃烧效率降低，这样就会增加用电量，不利于节能。因此，可根据发电要求对煤粉炉运行状态进行适当调整或改造锅炉设计结构，以实现节能运行。以300MW煤粉炉为例，为实现节能运行，则可合理调整送风量、引风量。在调节引风量时需要考虑煤粉炉运行负荷情况，在需增加煤粉炉运行负荷时，应提前加大引风量，以免造成炉膛内部出现正压，加大引风量之后才能增加燃料量与送风量，以提高燃料利用率及确保煤粉炉实现节能运行。在降低煤粉炉的运行负荷前，先将送风量与燃料量减少，随后再将引风量减少。在调整煤粉炉送风量时应将氧量作为参考依据，确保送风后煤粉炉中氧量为3%～6%；同时在送风后观察火焰变化情况，如火焰处于炽白刺眼状态或暗红不稳状态，则表明风量不合理，需及时调整送风量。在煤粉炉改造方面，首先可优化选择煤粉炉的型号，在发电时采用性能相对稳定，燃烧效率较高的W型火焰炉或R型火焰炉，同时采用反向切圆、反吹风等方法优化射流配置，或将烟气回流装置安装在燃烧器出口处等，确保煤粉在局部富集，并在燃烧过程中充分利用火热。此外，可通过改造煤粉炉辅助设备，如磨煤机等确保煤粉炉实现节能运行。

燃煤发电节能技术的应用以青海华电大通发电有限公司中的燃煤发电机组为例，深入分析节能技术的应用情况。该公司中的1号发电机组与2号发电机组煤粉炉存在粉管积粉及堵管问题，且炉渣含碳量较高，不但会对机组安全运行构成威胁，还会导致煤粉化学能利用率降低，不利于实现节能。对煤粉炉进行检修后发现其辅助设备磨煤机中的分离器存在设计缺陷，因此为使煤粉炉实现节能运行，决定适当改造及优化分离器的设计形式。该公司采用的锅炉为悬吊式、单炉膛及平衡通风亚临界汽包炉，机组容量为 2×300 MW。煤粉炉中配备的磨煤机为BBD 4054型，共为 6 台，分离器共为 6 台。分离器的直径为 290 cm，出口温度为70 ℃，入口温度为 330 ℃，出口风压为 2.8kPa，入口风压为 9.2kPa，总风压为 12.4kPa，一次风温为70 ℃，一次风速为 24m/s。磨煤机的电机型号为YTM710- 6，额定出力为54t/h，额定电流为163A，额定电压为6000V，额定功率为1300kW，煤粉细度在18%～20%之间。

①分离器存在的问题

由于分离器与磨煤机不属于同一生产厂家的产品，在使用过程中难以实现配套，主要表现为分离器实际容积过大，利用率偏低，且在工作过程中需克服较大阻力，在燃煤杂质含量较大时，分离器极容易发生堵塞问题，且分离煤粉效果不理想。同时需增大磨煤机负荷才能有效分离煤粉，造成能耗量增加 。另一方面，分离器在回粉过程中入口气流可将帘板吹起，造成含尘气流进入到帘板下部内椎体中，内椎体中煤粉无法得到有效分离，直接进入到风管道当中，因此炉膛中煤粉均匀性就会受到影响，粗大颗粒煤粉比例增加，造成燃烧效率明显降低。

②分离器的节能改造

1）需对分离器进行合理选型。合理选择分离器的目的在于有效调节煤粉细度，降低循环倍率、减少分离后粗大颗粒所占比例，进而提高燃烧效率与实现节能 。由于磨煤机的风量为 80 t/h，风煤比为1.4，出力为 55t，出口温度为70℃，因此将分离器煤粉细度调整为15%，选择直径为310cm的分离器。

2）选择好与磨煤机运行工况相符合的分离器后，采用以下方法进行安装：在粉管入口与磨煤机的出口之间安装好分离器，同时适当增加挡板角度，以便加快分离器流速；根据煤粉炉运行需要适当增加回粉管直径，以避免回粉管出现堵塞，还将耐磨性能良好的陶瓷粘贴于椎体内侧，以增强分离器抗磨损能力，进而起到改善运行工况及节约煤炭能源的作用。

煤炭资源具有不可再生的特点，提高煤炭资源利用率有助于保证能源供应稳定性，同时可减轻使用煤炭能源时产生的大气污染。在火力发电中需使用大量煤炭，因此要注重应用节能发电技术，包括IGCC节能技术及空冷节能技术。此外，在应用节能技术的过程中重视强化发电节能管理，如在启动发电机组时应做到连续监督大气疏水过程，从而降低启动机组时的能耗。1

风力发电节能技术的设计与应用风能是一种清洁的可再生能源，其蕴量很多，可开发性强。风能很早就被人们开发利用，主要是风车来抽水、磨面等，现如今人们更关心的是如何用风能进行发电。风的潜能巨大，地球上可利用的风能资源约有 ，约是水力发电的10倍，世界上每年燃煤所获得能量也不过是风能1a内所提供能量的1/3。因此，全世界都十分重视风力发电，希望能突破原有技术，将风能作为主要发电方式之一，降低能源成本，缓解能源压力和环境压力，达到节能减排的效果。

风力技术的发展现状随着科技的深入发展，风力发电技术得到了很大提高，就中国现状而言，风力发电的规模正逐渐扩大，风力发电这一方式在整个发电行业中占有的比例也越来越大。风力发电技术的增强使得风力发电技术中的单机容量不断增多，整个行业正往稳定化和商业化方向转变。虽然风力发电的成本较高，但是在正常运行中所需的运营费和维修费却很少。风力中海风具有很强的稳定性和低干扰性，风速较快，在风力发电中占有重要地位。

在中国风力发电形势一片大好，但还有些关键性问题需改进。在中国风力资源的分布中，能广泛运用风能的地区集中在东南沿海和西北部地区，这些地区由于风力较强，风力发电企业分布密集，技术也比较成熟，企业聚集风力发电，可能会产生过剩或窝电现象。此外，随着风力行业的不断发展，技术方面的建设显得越来越重要。中国的机械零件发展迅速，但在核心部件上发展却不理想，风力发电的产业链不够完善，没有专门的整机设计，在运输、维护、咨询和监测等多个方面没有系统的体系，管理工作也做得不够到位，这些都阻碍了风力发电行业的发展。由于核心技术的不完善，加上风力技术研究推广时间较短，在风能发电机组上还存在着一些不足，安全性能不高，尤其是在并网和运输方面。机组事故发生多在装机阶段，这是由于对各个环节没有足够重视造成的，给风力发电的可靠性和安全性产生了很大影响。

风力发电常用的并网方式常用的风力发电并网方式有直接并网方式、准同期并网方式、降压并网方式、双馈异步发电机组并网技术、同步发电机的并网技术等。

a) 直接并网方式要求发电机与电网程序相同，异步发电机转速达到同步发电机的90% 以上就可由测速设备输出发电自动并网信号，空气开关合闸时实现自动并网；

b) 准同期并网方式是当其转速与同步转速接近时，利用电容实现额定电压的建立，对发电机的频率和电压进行校正实现系统同步；

c) 降压并网方式需在发电机和电网之间实现串联电阻、变压器、电抗器等，降低并网运行时对电流的冲击，减低电压下降速度；

d) 双馈异步发电机组并网技术利用变频器输出交流励磁，让发电机与电网之间连接，再根据电网电流、电压金额发电机转速来调节励磁电流，对发电机的电压进行准确控制，以此实现并网；

e) 同步发电机的并网技术可对励磁电流进行控制调节功率因数，同步发电机的并网技术主要包括准同步并网、自同步并网和变频器并网三种方式，这种技术应用日益广泛。

中国风力发电的影响因素中国风力发电的影响因素很多，毕竟中国的风力发电发展时间较短，在风电研究、风电设备生产、风电管理和风电发展规划方面还有所欠缺，没有形成一个专门的产业链。更严重的是，中国风机零部件供应商少，缺乏专业生产风机零部件的厂商，风力发电作为一个产业要得到进一步发展，就要实现集约化和专业化，降低成本，促进风电事业发展。

随着风电场规模的扩大，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应会加大，严重的会使系统失去动态稳定性而导致整个系统瘫痪，对此要进行合理规划建设。中国的风力开发强度仍然不够，在沿海地区，有着丰富风能，但是具体开发利用的也就只有几处，且大多规模不大。中国需加强对风力发达地区的开发力度，加大科技投资力量和设备资金投资，大力开发这些具有潜能的地区，不断促进中国对新能源的利用率，促进环境和经济的可持续发展进度。

对风力发电来说，最重要的资源就是风能，风能丰富的地区就是风力发电业需求旺盛的地区，地域性的风力资源是制约地域风电产业发展的重要因素。除此之外，公众的环保意识也很重要，是影响到风力发电的一个重要因素。欧美国家的风力发电技术之所以先进，最主要的原因是国家相关部门和群众对环境保护意识的增强，他们的公共环保意识促进其不断开发新技术来鼓励新能源的发展，在这一点上，中国需向欧美国家学习，加强自身和群众的公共环保意识。

风力发电节能技术的设计①系统总体设计风能是一种清洁且安全的能源，在自然界中可得到不断补充，但其稳定性不强，因此就要求风力发电机组无功补偿控制技术对风力发电机组进行系统动态无功补偿，高效利用风能，减少不必要的损耗，展开全面的理论分析和系统分析。就上海长兴岛风电场W 2000N-93-80并网型风力发电机组无功补偿控制系统为例，在功率测量上，有有功功率和无功功率的方法。在算法选取上，这个系统中采用傅立叶算法，提高投切精度，简化投切策略，虽然计算量较大，但却可对电参量进行实时检测和处理，以达到无功补偿的最佳效果。为达到最合理的控制，选择优先满足电压的原则，根据电压值高低来决定是否投切电容器，系统采取无功功率和电压综合判据作为投切电容器组的依据，以保证实现无功基本平衡。

②功率测量原理

W 2000N-93-80并网型风力发电机组无功补偿控制系统利用快速傅立叶变换对基波电压、电流复数的实部和虚部进行计算，并利用它们对交流电压、电流等进行计算。计算得出的结果进行离散傅立叶变换得到基波分量的频谱系数。利用输入信号基波电压、电流复数振幅的实部和虚部求得交流电压、交流电流的有效值。将复数振幅的实部和虚部变成有效值，求出电压的有效值和电流的有效值。对于三相三线电网可减少测量和计算，假定1个参考相，同时测量两线电压和两相电流，并利用它们计算出2个等效的有功功率和无功功率。

③控制电路设计

W 2000N-93-80并网型风力发电机组无功补偿控制系统整个控制电路主要是由DSP电路、信号调理电路和投切控制电路组成。这种控制系统通过检测电网电压和发电机的电流，将经过信号调理电路调理后的离散化转换成数字量送入DSP进行数据处理，达到实时、准确跟踪系统无功变化的目的。在软件设计上，采用模块化软件设计方法以便程序扩充、维护和管理。系统软件设计主要是由数据采集、计算、投切控制等组成。在进行模拟量采集程序时，充分利用好DSP捕获单元和软件定时器的特点，准确地捕获中断数据进行系统测量。电容器投切控制程序是以电压、无功功率综合判据为基础，根据电压无功功率的变化确定动作方案。

风力发电节能技术的运用与完善加快对风电技术的研发改进，在技术上对风力发电技术进行改革，采用功率调节的方式进行风力发电，提升发电效率，加强对风电设备的管理，避免风机受损。构建可再生能源发展政策，国家应在政策上支持可再生能源，大力宣传可再生能源的作用，对可再生能源进行保障，国家同时要加强对可再生能源的立法规范，促进国内的风力发电快速有效发展。在中国东部沿海的江苏省盐城地区，拥有500 km 多长的海岸线和广阔滩涂，其可开发风电总量占江苏省可开发风电总量的2/3以上，年平均风速达到6.1 m /s。在盐城的东台国华风电场、大丰中电投风电场的运行中，风力发电机的利用小时数均在2000 h以上，效果十分显著。

加强风电技术的商业化。市场竞争有利于科技的更新进步，同时降低了国家风电单机运行的成本压力，提升了风能的利用效率。采用结构动力学，对风机进行合理的改造设计，提升风机质量，降低成本，提高系统的可靠性。加强电网系统的建设发展，以创新为依托，提高风力发电接入电网运行的整体性能。对于经济发展较快的地区，风力发电建设项目要保证风力发电并网系统运行的高效性和稳定性，对于风力资源较多的地区，要考虑控制整个系统的主控性，保证风力发电与分布式系统有机结合，不断完善和提高系统电能质量。

低碳环保理念的贯彻加强了人们对新能源的认识，人们对于新能源的应用也越来越广泛。风能发电发展到如此，已具备了和水力发电、燃煤发电相当的实力，并且有理由相信在未来的应用中必将越来越广泛。2014年来风力发电的增长一直保持在30%以上，这个比率还在持续升高，与此同时，风电的成本也会不断降低，它将成为21世纪与太阳能、水能等新能源并驾齐驱的可再生新能源，风力发电的发展给中国带来的必将是活力和可持续发展。2

新时期电厂发电节能技术探索现阶段我国电厂发电能耗状况根据数据显示，我国一年的能源消约为36吨标煤，其中煤炭占 68.5%，石油占比为17. 7%，水能 7.1%，天然气4.7%，核能占 0.8%，其他占 1.2%。同比数据为世界平均的2.5倍，与代表性发达国家相比约为3～7倍，并且普遍高于其他发展中国家。总体煤炭消耗为世界的一半，而其中以煤炭消费为典型代表的火电厂则消耗了其中近6成的煤炭资源。并且预计在接下来的数年内会上升至48吨标煤的能源消耗新高。且现阶段我国仍以燃煤火电厂为主，热电、风电、核电的利用率较低。火电厂的主要利用能源仍为煤炭资源，燃气、余热、垃圾工业电厂总计不到3%。但燃煤会消耗空气中大量的氧气，并产生二氧化碳，而二氧化碳则是温室效应、全球变暖的元凶;煤炭燃烧不充分也会造成空气中扬尘的增加，增加空气中PM2.5 指数，加重电厂附近城镇空气污染;另外煤渣的不合理处理、堆放，占用大量土地并导致土壤污染也是一个重要问题。根据我国科学发展观要求，以及新兴起的碳经济要求，电厂节能技术的更新和推广势在必行。

电厂节能技术的思路一般来说节能工作和减排工作应当同期进行，但是这两者有层次之分，节能工作的直接目的有两个，一是达成减排目标，降低环境压力，是企业履行社会责任的表现，二是通过增加效率而减少投入成本从而提高企业效益。

相应的节能技术更新、应用思路也可以大体上分为两方面，分别为效率提高和减排目标。效率提高，即通过一系列措施增加能源利用效率和电能利用效率;减排目标，即合理使用煤炭等能源物质，合理处理使用后产生的废弃物。

电厂节能技术应用的措施(一)煤炭等能源物质的使用适量。一是在现阶段做到大规模的电能储备是超越技术现实的，因此发电厂总处在强负荷工作状态，即发电量远大于用电量，以保证全地区的稳定供电。也就是说电厂的电能产生量是过剩状态，这其中有很大一部分能源是没有转化为能量被利用，一定程度上可以说是能源浪费。虽然不能大幅度削减发电厂能源物质的投入，但是可以依据时间进行一定范围内的调整。这需要做好用电单位统计，通过人口、建筑的数量、类型等数据，经过较为专业的判断，加上电表统计，可以掌握电厂负责区域内单位时间的电能消耗。而每一个发电机组的发电量、功率，都是固定的。且一般情况下晚上的用电量或小于白天。保证实际供电量超额定用电量二十到四十左右的百分点即可保证稳定供电，将发电量控制在这个范围内进行电厂能源物质使用，从而提高能源利用效率。二是火力发电机原理是利用能源燃烧等方式，将化学能转化为内能，从而推动轮机进行发电。根据火力发电机类型不同，其额定温度不同，从低温发电机组到超临近发电机组其工作额定温度为450℃ 到600℃不等，因此在进行发电工作时应当对发电机组锅炉内温度做好实时监测，从而能够对能源物质填充进行及时调整，防止太多的过量加温，也能一定程度上增加能源利用效率，减小能源物质的浪费，进而达成节能目的。

(二)科学技术手段的加入。通过人力控制能源物质的投入量，一定程度上存在误差，且存在不方便管理的问题，即每个大型机组都需要众多的人力资源才能稳定运行。可以通过科学技术手段的加入来解决这一问题，尤其是自动化技术。电厂应用自动化技术，其包括PCS、MES、BPS三层结构系统，通过这些系统能够实现节能降耗、优化资源使用等，并且能够将相对松散的管理控制工作进行集中化处理，降低人力消耗。并且自动化系统能够在夜间甚至无人操作期间依旧对发电机组进行有效控制，规避因一些特殊情况造成的负责人员缺岗而造成的损失。通过以计算机为代表的电子设备对发电机组进行智能管理，对发电机组锅炉内能源物质填充做到自动化管理，对每个时间、每个类型的发电机组锅炉的能源补充做到精确控制，进一步提升能源利用效率。

(三)硬件部分改造提高机组稳定性。

1．对锅炉进行节能改造。一是锅炉启动和稳燃过程中需要进行燃油补充，可以针对这个程序进行锅炉改造，采用燃烧器和小油枪的组合代替其他类型点火构件，采用小油枪进行灌油能够在保证点火效率的同时规避因原来的大范围抽油、灌油造成的燃油浪费。二是炉内点火方式也可以进行相应的改进，现今较为先进的点火技术，为等离子点火技术，这种技术配合上述的灌油构件改造，能够实现燃油管理和燃油节约，并且方便管理，从而能够尽可能地减少不必要的浪费。三是通过进行合理的燃烧调整稳定锅炉运行状态，避免因操作失误问题造成的熄火、失温等事故而引起的锅炉二次点火等问题。具体措施可以通过改良鼓风系统，实行自动改造，稳定锅炉内空气系数，保证锅炉内能源物质的稳定燃烧和效率燃烧;改良锅炉内温度控制系统，改良喷水调节器，完成对锅炉温度的有效控制;改良锅炉排风系统，及时将煤炭扬尘等颗粒物质从锅炉内排放到特定区域，避免因扬尘过多造成的燃烧不充分和炉内温度分布不均而带来的爆管、炸裂隐患。

2．轮机的节能改造。轮机的采用需要根据实际需要和实际运行情况，安装高、中、低压缸，并且其调节阀、通流结构、气封结构要进行配套使用。需要从设计上减少蒸汽过分膨胀损失和因漏气而造成的内能流失，提高轮机运行效率。一是在轮机运行前进行密封性检测，检查是否存在漏气、胀气现象，有则根据成因进行排除;二是对轮机进行密封性加固措施，由于发电需要，轮机在运行过程中必须要保证其内部真空度;三是对轮机进行试运行实验操作，检查轮机是否能够稳定达到额定效果，如果不能则及时进行故障排查工作，保证轮机在正式投入使用前处于最佳启动状态。

(四)其他一些节能措施。一是由于煤炭、天然气等资源的不可再生性，寻找其替代能源必然是未来的大趋势，且现阶段主流能源物质，尤其是煤炭，其使用伴随着极大的环境压力，未来必然会被取缔，通过技术开发，设计出可以适应新能源(例如:甲烷、氢气等)的发电机组才是可持续战略下的上上之策。二是建立相关产业链，将电厂废弃物质进行二次利用甚至多次利用，达到资源的最高利用效率，以提高产业效益等。

电厂的节能技术开发并不会一蹴而就，需要在长期的生产经营下进行经验总结，做好器械改良、技术更新工作仅仅是个开始。期间还需要输电部门的大力配合，减少输电过程中的电力流失，以及用电单位的节能环保意识提高，才能够产生长远效益。最终的发展方向必然是新型电厂的全面建成，即风电、核电、“垃圾电”的全面应用。3

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学