火力发电厂的节能和运行经济性分析

2023-08-20赵小兵

通信电源技术 2023年9期

赵小兵

（黄陵矿业集团有限责任公司，陕西延安 727307）

0 引言

火力发电作为我国主要的电力生产方式之一，是保障经济发展和人民生活的基础设施。随着能源危机、环境污染等问题日益突出，如何提高火力发电厂的节能和运行经济性已成为当前亟待解决的问题。一方面，火力发电厂的能源消耗量巨大，其排放的废气、废水等环境污染物对环境和人体健康造成不良影响。在保证电力供应的前提下，降低火力发电厂的能源消耗和环境污染，提高其节能和环保水平，对于实现能源清洁化、可持续发展具有重要意义。另一方面，火力发电厂的运行成本占据其生产成本的重要部分，提高火力发电厂的经济性，降低运行成本，提高企业效益，对于维护能源安全、推动经济发展也具有重要意义[1]。

1 火力发电厂运行存在的问题分析

1.1 能源浪费

在火力发电厂中，由于热力发电的工艺特点，很大一部分能量都以废气和余热的形式散失。根据数据统计，在火力发电过程中，大约有50%的能源被浪费，即有约50%的能量变成了无用的余热和废气，这是能源浪费的主要表现之一。其中，余热指在火力发电的热能转化过程中，未被充分利用而排放到环境中的热能。火力发电厂中主要产生的余热有烟气余热、废水余热、凝汽器余热等，如果这些余热不能得到合理的回收和利用，就会造成大量的能源浪费。废气指在火力发电的燃烧过程中，未被充分燃烧而排放到环境中的气体。其中，二氧化碳等温室气体的排放会对全球气候变化产生负面影响，而硫化物、氮氧化物等气体会对环境和人体健康造成不良影响。如果不能有效回收和利用废气，不仅会造成能源浪费，还会对环境和人体造成不良影响[2]。

1.2 热效率低

火力发电厂的热效率指在火力发电过程中将化石燃料转化为电能的能量转化效率，即单位时间内发电量和燃料热值的比值。目前，我国火力发电厂的平均热效率为35%～40%，较发达国家存在一定的差距。火力发电厂热效率低的原因主要有以下3 点。

（1）锅炉的燃烧效率低。火力发电厂的锅炉是借助煤等燃料燃烧产生高温气体，然后将热能转化为水蒸气，最后驱动汽轮机发电。锅炉燃烧过程中，燃料的燃烧并不完全，因此产生的热能并未被充分利用。

（2）汽轮机效率低。汽轮机是火力发电厂的核心设备，其效率直接影响着发电效率。目前，国内的汽轮机效率普遍较低，主要原因是技术水平不高、生产制造工艺不成熟等[3]。

（3）热损失大。火力发电厂在热能转化过程中存在许多热损失，整体热能损失较大。

1.3 能耗高

火力发电作为我国主要的电力生产方式之一，其能源消耗巨大，主要表现在以下2 个方面。

（1）煤耗高。火力发电厂是通过燃烧煤等化石燃料来产生蒸汽驱动发电机组发电，而煤炭是不可再生资源，其产量有限[4]。

（2）水耗大。火力发电厂需要大量的水来产生蒸汽，以驱动发电机组发电。根据统计数据，我国每发电1 kW·h 需要消耗2.5 ～3.5 kg 的水，水资源消耗量较大。

1.4 运行成本高

火力发电厂的运行成本包括燃料成本、设备维护成本以及运行管理成本等方面，这些成本对于火力发电厂的经济效益具有重要影响。

（1）燃料成本。火力发电厂通过燃烧煤等化石燃料来产生蒸汽驱动发电机组发电，煤炭等原材料价格的上涨使得火力发电厂的燃料成本不断增加。此外，火力发电厂要购买一定量的原材料作为储备，以应对市场价格波动等因素[5]。

（2）设备维护成本。火力发电厂的设备较为复杂，需要经常进行检修和维护，以确保设备正常运行。设备维护需要耗费大量的人力、物力、财力，增加了企业的运营成本。

（3）运行管理成本。火力发电厂的运行管理成本主要包括人员工资、管理费用、保险费用等，这些成本在火力发电厂的经营过程中是必须的支出。

2 火力发电厂节能和运行经济性的改善措施

2.1 优化锅炉燃烧

优化锅炉燃烧是提高火力发电厂热效率和节能效果的重要措施之一，具体方法如下。

（1）采用先进的燃烧技术。采用先进的燃烧技术，如喷射燃烧器、低氮燃烧器等，可以使煤粉更加充分地燃烧，减少煤炭的消耗量，提高热效率。

（2）优化燃烧工艺。通过优化燃烧工艺，如调整入炉煤的粒度、风煤配比等参数，可以提高燃烧效率，减少煤炭的消耗量，同时降低污染物的排放量。

（3）加强炉内热传递。加强炉内热传递，提高炉膛中部差压，使炉内中部返料灰更充分地与受热面接触，从而提高热效率和节能效果。

（4）减少过剩空气。通过减少过剩空气的量，可以使入炉煤更加充分地燃烧，减少煤炭消耗量，提高热效率和节能效果[6]。

2.2 余热回收利用

通过余热回收技术回收利用锅炉废气、凝汽器废热等余热，将其转化为有用的热能，从而减少煤炭等资源的消耗，提高热效率，达到节能效果。

（1）锅炉废气余热回收。将锅炉排出的高温废气经过余热回收器回收，利用其中的热能加热进入锅炉的空气和水，减少煤炭等资源的消耗，提高热效率。

（2）空冷凝汽器废热回收。回收利用汽轮机排出的凝汽器废热，将其转化为有用的热能，加热进入锅炉的空气和水，减少煤炭等资源的消耗，提高热效率[7]。

（3）烟气余热回收。将烟气中的余热通过换热器回收利用，将其转化为有用的热能，加热进入锅炉的空气和水，减少煤炭等资源的消耗，提高热效率。

2.3 优化汽轮机设计

（1）采用先进的叶片形状。汽轮机采用先进的叶片形状，如弯曲叶片、多级分级叶片等，可以使叶片在转动过程中能够更加充分地利用气流的能量，提高汽轮机的效率。

（2）优化叶片布局。优化叶片布局，如增加叶片数目、调整叶片安装角度等，可以使汽轮机叶片能够更好地捕捉气流能量，提高汽轮机的输出功率[8]。

（3）采用高温高压技术。采用高温高压技术，如超超临界技术、高温再热技术等，可以提高汽轮机的热效率和发电效率，从而提高经济效益。

（4）优化汽轮机部件材料。优化汽轮机部件材料，如采用高温合金材料、超导材料等，可以提高汽轮机的耐热性和抗腐蚀性，延长汽轮机的使用寿命，降低运行成本。

2.4 优化运行管理模式

（1）采用先进的自动化控制系统。通过采用先进的自动化控制系统，可以对火力发电厂的运行过程进行全面、准确的监控和管理，降低人员工资和管理费用。

（2）采用保养管理系统。通过采用保养管理系统，可以对火力发电厂的设备进行定期维护和保养，减少设备故障的发生，降低维修成本和保险费用。

（3）实施全面预算管理。通过实施全面预算管理，对火力发电厂的各项经费进行全面预算和管理，确保运营成本的可控性和透明度。

（4）推行员工培训计划。通过推行员工培训计划，加强员工的职业技能培训，提高员工的工作效率，降低管理成本和人力成本[9]。

2.5 引入智能化技术

（1）引入物联网技术。通过引入物联网技术，对火力发电厂的设备进行智能化监控和管理，实现设备状态、运行数据等信息的实时采集和分析，以便对设备进行精确的维护和保养，提高设备的运行效率和安全性。

（2）引入人工智能技术。通过引入人工智能技术，对火力发电厂的设备运行数据进行分析和预测，实现设备故障的预警，增强设备的可靠性和稳定性，降低设备的维护成本和运行成本。

（3）引入虚拟仿真技术。通过引入虚拟仿真技术，对火力发电厂的运行模式进行模拟和分析，实现运行模式的优化和改进，提高火力发电厂的效率和经济性，降低运行成本和维护成本[10]。

3 火力发电厂节能运行案例

3.1 锅炉概况

某火力发电厂的锅炉为2×1 058 t/h 循环流化床锅炉，配备2×300 MW 亚临界中间再热单轴双缸双排汽、直接空冷式汽轮发电机组，主要设计参数如表1 所示。

3.2 节能和运行经济性的优化措施

该厂在长期运营中存在能源浪费、热效率低、能耗高以及运行成本高等问题，为了解决这些问题，厂方采取了一系列的节能优化措施和运行经济性优化措施。

3.2.1 优化锅炉燃烧

针对循环流化床锅炉燃烧效率不高的问题，该厂采用优化锅炉燃烧的措施，包括使用分仓上煤、调整风煤配比、调整燃烧参数、改进下二次风入口角度、提高给煤机落煤管进炉膛高度以及改进播煤风管角度等。通过这些措施，燃烧效率得到了明显提高，锅炉的热效率也得到了提高，减少了煤的消耗，降低了能耗和运行成本。

3.2.2 余热回收利用

通过对锅炉废气、空冷凝汽器废热等余热的回收利用，该厂成功实现了对余热的高效利用，提高了发电效率，减少了二氧化碳等气体的排放，从而达到节能减排的目的。对废气、空冷凝汽器废热等余热进行回收利用，每年可回收余热转化为约500 000 t 标准煤，相当于减少二氧化碳排放量1 500 000 t。

3.2.3 优化汽轮机设计

该厂通过优化汽轮机设计，通过采用先进的叶片形状、增加叶片数目、调整叶片安装角度等措施，提高汽轮机的效率和输出功率，从而提高发电效率和经济效益，降低了运行成本。

3.2.4 引入智能化技术

该厂引入物联网技术、人工智能技术等智能化技术，实现设备的智能化监控和管理，提高设备的运行效率和安全性，降低运行成本和维护成本。通过这些技术可实现设备状态、运行数据等信息的实时采集和分析，以便对设备进行准确的维护和保养，提高设备的运行效率和安全性。经过优化后，锅炉的平均负荷率提高了10%，煤耗降低了2%，发电效率提高了1%。

综上所述，通过优化锅炉燃烧、余热回收利用、优化汽轮机设计以及引入智能化技术等措施，有效解决了火力发电厂存在的能源浪费、热效率低、能耗高以及运行成本高等问题，提高了其经济效益和社会效益。