绿色设计视角下的发电厂锅炉汽轮机系统设计思考

摘要：在全球经济快速发展的背景下，绿色设计工作正面临着巨大的发展挑战，同时，发电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计也迎来了较大的发展机遇。本文主要阐述了发电厂锅炉汽轮机系统绿色设计的重要价值，并对当下发电厂锅炉汽轮机系统的能源消耗较大的引发原因进行了分析，给出了相对的解决优化方案及主要措施，使其能够更好地满足我国绿色节能环保发展的要求，全面实现了发电厂长远可持续发展的目的。

关键词：发电厂锅炉、汽轮机系统；绿色设计；节能降耗；节能减排

中图分类号：TM62

1把绿色设计模式运用到发电厂锅炉汽轮机系统中的价值

近几年，随着我国社会经济水平的快速提升，我国各行业对电能的需求量也在不断的攀升，为了达到人们日益增长的电能资源的需求，发电厂规模也在不断的扩大。锅炉汽轮发电机组设备是火力发电厂中必不可少的一部分，它的主要作用可以将燃料燃烧获得的热能直接转化为机械能，后续再利用机械能带动发电机等设备的运行，从而产生电能。在锅炉燃烧过程中，需要输入大量的燃料，因受到许多因素的影响，在燃烧的过程中会消耗大量的能源，如果不加以控制，不但会造成能源的浪费，而且还会对环境造成较大的危害，这显然不符合我国的环保政策要求。为推动我国经济和电力行业的长远发展，要对电厂锅炉汽轮机系统设计进行深入研究，全面融入绿色理念，要根据电厂的实际需要来对设计方案进行优化，按照绿色经济的要求，全面采用节能技术，提高锅炉汽轮机系统运行效率，实现企业经济效益最大化，减少对环境造成的污染，是电厂适应时代发展需求，实现可持续发展的必然选择，也是应对全球环境与能源挑战的关键路径。

根据国务院《关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》国发〔2021〕23 号中有“到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右，单位国内生产总值能源消耗比2020 年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020 年下降18%，为实现碳达峰奠定坚实基础。到2030 年，非化石能源消费比重达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降65%以上，顺利实现2030 年前碳达峰目标。新建机组煤耗标准达到国际先进水平，有序淘汰煤电落后产能，加快现役机组节能升级和灵活性改造，积极推进供热改造”的指示要求。因此，减少化石能源消耗，淘汰煤电落后产能，加快现役机组节能升级是当前及今后能源领域工作的重中之重。

因此，从产业政策的要求来看，绿色设计的融入对新建机组及现有机组的改造势在必行。

2发电厂锅炉汽轮机系统绿色设计需要遵循的准则

2.1遵循节能降耗准则

电力工业是国民经济的重要基础产业，燃煤发电企业是为社会提供电力能源的企业，同时也是消耗一次能源、水资源及大气污染物排放的大户。我国煤炭产量的50%以上用于燃煤发电，燃煤发电企业的资源节约和环境保护对建设节约型社会影响重大。

为适应新的形势，确保发电厂技术领先、机组效率高、资源消耗少、经济效益好，进一步提高竞争力，对发电厂锅炉汽轮机热力系统设计中应积极创造条件采用先进、成熟的技术，提高机组的可靠性和经济性，降低成本，促进发电厂技术装备水平的提高，减轻对环境的污染。

因此，对发电厂锅炉汽轮机系统节能降耗在绿色设计中也提出了更高的要求。在对发电厂锅炉汽轮机系统进行设计的时候，在安全运行的前提下，做到经济运行，稳发、满发、多供、降损以及改善电能质量、减少环境污染，来全面优化锅炉汽轮机的性能，提升其运行效率。

2.2遵循节能减排准则

在我国当前社会发展形势下，人们的环保意识不断增强，不再以环境为代价来发展经济，开始坚持科学发展观，走可持续发展的道路。在电厂运行过程中，会向环境排放大量的有害气体及烟尘，进而影响到环境质量。在全球气候变暖的今天，在对发电厂锅炉汽轮机系统进行绿色设计的时候，要充分考虑其环保性，严格遵循环保原则，全面降低锅炉汽轮机在运行中所产生的有害气体和烟尘，充分运用现代节能技术来改善这一状况，实施环保措施，使锅炉汽轮机系统运行与环境发展相协调，确保发电厂的经济效益和社会效益的同时，还要全面提高其环境效益。

3当前影响发电厂锅炉汽轮机系统能源消耗的主要原因

目前，我国燃煤发电存在两大突出问题：一是能耗高，二是燃烧后污染物排放量大。发电煤耗是衡量机组能耗水平的重要指标。按照《火力发电厂技术经济指标计算方法》（DL／T 904—2004）标准，火力发电厂的热经济性指标是用全厂热效率或供电标准煤耗率来评价的：

从以上公式可以分析出，对于凝汽式机组，影响发电厂锅炉汽轮机系统能源消耗主要有以下几个方面：

1）汽轮机热耗率

2）锅炉热效率

3）管道效率

4）热力系统优化

5）降低厂用电率

4发电厂锅炉汽轮机系统绿色设计的相关思考

由上文可知，以下就与绿色设计优化关系最密切的节能降耗和节能减排两方面分别进行探讨。

4.1降低汽轮机热耗率的主要措施

在发电热力循环中，汽轮机的热耗率与许多因素有关，除汽机本体结构因素外，蒸汽初参数和排汽背压是决定机组热效率的重要参数。燃煤火力发电厂的热力系统基础是朗肯循环，提高蒸汽的初参数（蒸汽压力和温度），降低排汽背压，提高锅炉热效率，优化回热系统配置都是提高循环热效率的主要手段。

提高汽轮机的进汽参数，是改善机组效率的有效手段。目前火力发电机组采用大容量、超超临界技术是实现洁净发电最有效、最现实的途径。一方面，超超临界发电技术可以节约发电用煤。另一方面，超超临界机组在提高效率的同时，还可以减少CO2的排放。对于凝汽式汽轮机来说，在蒸汽初参数不变的条件下，降低排汽压力会使机组理想焓降增加，并使排汽传给低温热源的热量损失减小，从而提高了循环热效率。

热电联产节能减排效果明显，发展热电联产集中供热具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益，是改善大气环境质量的有效手段之一，是提高人民生活质量的公益性基础设施。通过机组改造对外供热，包括热网增容改造，对外工业供汽改造，可以有效降低供电标煤耗，提高机组热效率，降低碳排放。

4.2提高锅炉效率的主要措施

锅炉是最大的燃料消耗设备，燃料在锅炉内燃烧过程中的能量损失主要包括:排烟热损失，可燃气体未完全燃烧热损失，固体未完全燃烧热损失，锅炉散热损失，灰渣物理热损失等。

1）降低排烟热损失的主要措施

降低排烟容积，控制火焰中心位置、防止局部高温，保持受热面清洁，减少漏风和保障省煤器的正常运行等。

2）降低可燃气体未完全燃烧热损失的主要措施

保障空气与煤粉充分混合，控制过量空气系数在最佳值，进行必要的燃烧调整，提高入炉空气温度，注意锅炉负荷的变化并控制好一、二次风混合时间等。

3）降低固体未完全燃烧热损失的主要措施

选择最佳的过量空气系数，合理调整和降低煤粉细度，合理组织炉内空气动力工况，并且在运行中根据煤种变化，使一、二次风适时混合等。

4）降低散热损失的措施主要措施

水冷壁和炉墙等结构要严密、紧凑，炉墙和管道的保温良好， 锅炉周围的空气要稍高并采用先进的保温材料等。

5）降低排渣量和排渣温度的主要措施

控制排渣量和排渣温度。

4.3提高管道效率的主要措施

通过良好的运行管理，减少泄露；热力系统管道和设备都采用优异的保温措施，降低散热损失；管道效率理论上可以达到99%。

4.4热力系统优化的主要措施

1）回热级数

在一定的给水温度条件下，回热循环的效率是随着回热级数的增多而提高。但是随着回热级数的增多，回热循环效率的增量将逐渐减少。一般高参数大容量机组采用的回热级数较多，这是因为增加级数后，运行所得收益显著地大于投资费用的缘故。

2）烟气余热利用

排烟热损失是电站锅炉热损失中最大的一项。大量烟气余热未被充分利用，直接排放到大气中，极大的浪费了能源。降低锅炉排烟温度，减小锅炉排烟热损失是提高发电效率的重要途径，降低锅炉烟气温度已成为锅炉节能的一个重要途径，但依靠传统的空气预热器无法将锅炉烟气温度进行较大幅度的下降。

目前设计方案中主要在除尘器入口或脱硫塔入口设置1级或2级串联低温省煤器，采用温度范围合适的部分凝结水回收烟气余热，降低烟气温度从而降低体积流量，降低电除尘器入口烟温度至酸露点以下，一般在90℃左右，使粉尘性质发生很大变化，大幅提高除尘效率，同时去除大部分SO3，,可以解决大幅度降低排烟温度的需要，明显提高电厂的热经济性，降低引风机电耗，回收的热能直接为发电工质利用。

3）采用高效热力设备

对于给水泵、给水泵汽轮机、凝结水泵、磨煤机及三大风机等关键设备，选择经济且长期效率高的设备，将有利于提高机组的整体经济性。

4.5降低厂用电率的主要措施

随着火电厂单机容量逐步走向大型化，配套辅机容量也随之增大。目前，电厂消耗电功率最大的辅机是给水泵。给水泵是电厂中重要的辅机设备之一，给水泵最常见的驱动方式有两种方式：即电动驱动（电动泵）和小汽轮机驱动（汽动泵）。根据目前我国电网的调度特点是按照发电机端的输出功率进行调度，但发电厂真正的收益是扣除厂用电后的上网电量。发电厂厂用电越低收益越高，当发电功率相同时，采用小汽机驱动给水泵等大功率辅机比采用电动机驱动的可比输出功率要大，由此可增加上网电量，提高电厂的经济效益。目前国内新建项目或改造项目其他重要辅机多采用变频调速装置以达到节能的目的。

4.6脱硫的主要措施

烟气脱硫为国家强制环保政策，对于减少电厂的SO2排放，减少环境污染均有积极意义，但对于电厂电耗有较大增加，为降低电耗，只能采取工艺系统上的优化。通常采用增压风机与引风机合并设置，是降低电耗的有效手段，也可有效降低脱硫系统阻力，从而降低引风机轴功率。浆液循环泵及氧化风机是脱硫装置中主要用电设备，考虑到电厂长期运行燃煤含硫量变化，为了优化方案及精细化设计，每座吸收塔设多台离心式循环浆泵，分别对应各喷淋层。离心风机运行效率较高，每台炉设离心式氧化风机。在低负荷运行时，脱硫装置通过调整浆液循环泵的运行数量及氧化风机流量，可极大的控制脱硫系统用电功耗。

4.7二氧化碳捕集

二氧化碳的大量排放会增加温室效应，进而威胁到人类赖以生存的地球环境。同时二氧化碳也是一种重要的原料，在可持续发展战略中，发展节约经济、加大资源的再回收利用是可持续发展战略的重要内容。二氧化碳除了会对环境造成一定的污染之外，从其他方面来看，其也是重要能源之一，只是需要将排放出的二氧化碳进行回收利用。在这种情形下，在设计发电厂锅炉汽轮机阶段，不可一味地排放或是管控二氧化碳，而是要想办法将二氧化碳转化为可用能源，对其进行回收利用，以提高能源利用率。建设二氧化碳捕集规模化生产项目，对于煤电行业参与温室气体减排、防止全球气候变暖具有十分重要的示范意义。燃烧后捕集系统的关键技术是CO2的分离，根据过程机理，目前CO2分离方法主要有：吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法等若干类别，在应用时需要根据二氧化碳排放源的实际特点和参数等进行捕获方式和设备的选择。

5结论

发电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计是实现的电厂可持续发展的必然要求，可以提升电厂综合效益，降低能耗，可以有效地减少对环境的影响。由于影响发电厂锅炉汽轮机系统运行的因素比较多，在进行工程设计中应对这些因素进行深入有效的分析，要根据具体情况来实施相应措施，对其加以改善，进行有效的调整与优化，从而提高了锅炉、汽轮机系统运行的效率，达到良好的节能效果。但随着科技的不断进步和人们环保意识的不断增强，电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计应当遵循节能减排原则和节能降耗原则，必须朝着更加完善，更加高效的方向发展，需要在经济效益和环境效益之间找到协调点，既要满足于发电厂的生产需求，为构建绿色电厂、应对全球气候变化做出更大的贡献。

参考文献：

[1]杨佼.电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计探讨[J].黑龙江科技信息，2016（3）：74.

[2]伍全利.火电厂锅炉汽轮机系统节能环保问题分析[J].低碳世界，2015（35）：61-62.

[3]邢玫.电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计探讨[J].环球市场，2017（24）.

[4]贾贵华.电厂锅炉汽轮机系统的绿色设计探讨[J].科技风，2015.

[5]秦岩.火电厂锅炉汽轮机系统节能环保的问题及措施探索[J].科技视界，2018（16）：226-227.