火力發電節能研究

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

關鍵詞：火力發電；節能降耗；電力生產；節能減碳；發電機組 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 火力發電原理

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

圖1 火力發電原理示意圖

2 火力發電廠電力生產流程

大型火力電廠電力生產流程：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%高壓循環水繼續經由降水管送至進口歧管再到爐水循環泵，爐水循環泵將循環水打入供水鼓加壓，供水鼓由爐底平均將循環水分配供給水墻管，水墻管經過吸收爐內燃燒溫度產生大量蒸汽集合在上升管，上升管再將蒸汽送至汽水鼓，至此汽水鼓再度產生汽水分離，80%蒸汽送至過熱器，20%未蒸發循環水在汽水鼓繼續循環，由汽水鼓汽水分離后的蒸汽送至過熱器，過熱器是裝設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，蒸汽流經過熱器將375℃的飽和蒸汽繼續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帶動發電機發電，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，經過冷凝器銅管內冷卻循環水帶走熱量，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，繼續循環使用供應鍋爐燃燒產生熱量推動汽輪機帶動發電機不間斷發電。

3 火力發電“節能減碳”原理

“節能減碳”簡單解釋為：節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境的影響也最大；電力能源屬高階能源，一度電的產生需經燃料、設備、人員、水等多重資源的轉換才能產生，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，所以節能就是減碳一體兩面的意義。

火力發電機組設備龐大人員機具繁多，大致造成能源浪費有兩方面：一方面為廠內用電，分生產性用電及非生產性用電兩種，生產性用電所使用的動力回轉機及大型馬達均使用大量燃料和電能如果運轉效率不佳，會造成很大的能源浪費，因此如何提升發電機組運轉效率，降低能源浪費，即是節能減碳直接有效的方法，而非生產性用電為油、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電廠整體規劃到節能減碳的總目標。

4 火力發電機組的效率

“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）空氣預熱器漏氣、堵塞；（7）煤炭燒失率；（8）給水溫度；（9）廠內用電。

不可控制因素方面有：（1）負載調度要求；（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 有關效率的解釋

發電量：發電機的毛發電出力。

供電量：發電機實際供至系統的電力。

廠內用電：所有與發電有關的設備所用的電力。

毛熱耗率：每發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換為輸入系統電能之比。

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生的數據，如煤質不同會改變300MW出力時依設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

以冷卻循環水帶走的熱量為最大，節流損失、葉片泄漏損失及輔助蒸汽系統等損失，依設計值汽機于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 空氣預熱器（AirHeater，AH）效率

實例空氣預熱器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，一天節省燃料費=1600×67×280÷6500×24=110828元/天。

6 結語

隨著全球暖化氣候異常的問題日益突顯，傳統能源加速耗竭，世界主要國已將“節能減碳”納為施政新思維，進行能源布局、發展綠能產業、施行綠色新政，以營造永續的低碳社會與發展低碳經濟。傳統火力發電均以半自動化儀器控制，耗時費力，現代的火力發電應該走向e化控制，就發電流程及設備進行研究、改善、控制及管理而言，導入應用PDM系統正是e化的第一步；產品數據管理（Product Data Management，PDM），從技術觀念上，意指在企業內所有與產品相關的數據以及與這些數據相關的作業，經由產品數據管理系統做有效的整合性管制與運用，以達到生產研究設計e化管理，促進信息共享并提升企業效能與獲利能力。

參考文獻

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[2] 劉麗珍.火電行業清潔生產評價與體會[J].能源環境保護，2011，（1）.

[3] 路路.電力行業低碳減排對策的研究進展[J].環境科學與技術，2010，（S2）.

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

（責任編輯：蔣建華）