燃气发电厂电气能耗分析与节能降耗措施研究

杨孝义，张志萍

（1.深圳能源光明电力有限公司，广东 深圳 518107；2.广电计量检测（深圳）有限公司，广东 深圳 518110）

近年来全球能源市场震荡加剧，并爆发了新一轮的能源危机。煤炭和天然气作为发电厂生产的重要燃料，由于能源危机导致的燃料价格持续增长必然造成发电厂的生产和经营成本大幅增加。同时，“碳达峰，碳中和”是党中央为解决资源问题的重大战略决策，旨在早日实现中国经济的可持续发展，并计划到2025 年，单位国内生产总值能耗比2020 年下降13.5%，重点行业能源利用效率大幅提升；到2030 年，单位国内生产总值能耗大幅下降，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平；到2060 年，非化石能源消费比重达到80%以上，能源利用效率达到国际先进水平，碳中和目标顺利实现。因此节能降耗对于维系发电厂可持续发展已迫在眉睫。

基于节能降耗工作的重要性，国家相继出台电力行业节能降耗相关标准法规，旨在规范和细化能耗的计算方法和管理方式。GB/T 28557—2012《电力企业节能降耗主要指标的监管评价》[1]规定了电力企业能源转化效率与自身能源损耗监管评价方法，对供电标准煤耗、厂用电率、电网综合线损率等核心参数进行概念定义，并明确了统一的计算公式。GB/T 40370—2021《燃气-蒸汽联合循环热电联产能耗指标计算方法》[2]细化了燃气-蒸汽联合循环热电联产能耗指标的计算方法。

燃气-蒸汽联合循机组与传统的燃煤火力发电及新兴的风力发电、光伏发电相比，燃气发电的能量利用率更高，电能输出功率稳定，环境污染问题大幅改善，同时，机组启、停灵活、快速，可快速满足电网需求，提高电网的稳定性。但是随之而来的天然气价格逐年攀升、机组启停频繁等问题对燃气发电厂节能降耗提出了更高的挑战。

1 燃气发电厂电气能耗原因分析

1.1 企业生产成本高

近年来我国燃气发电机组数量迅速增长，到2021年底，全国燃气发电装机容量10 859 万kW，占全国发电装机总容量的4.6%，主要分布在京津冀、长三角和珠三角等东部经济发达地区。除部分地区作为供热机组外，多以调峰调频为主，约占燃气发电机组总容量的70%。2021 年，全国燃气发电机组发电量占全国总发电量的3.4%，燃气发电利用小时较低，企业经营成本居高不下[3]。最根本的问题在于作为燃料的天然气价格普遍过高，近年来，燃气电厂购买的到厂气价在2.5～3 元/m3，在冬季年暖季节甚至会更高，这就导致气电机组要想保本，电价须达到0.6 元/kWh 左右，与水电、煤电、核电、风电及光伏发电相比，气电在价格上缺乏竞争性。同时，大多数燃机按照“两班制”运行方式，日启停频繁，存在日运行时长短、运行负荷率低、设备操作启停频繁和设备利用率低等问题，严重影响设备使用寿命，造成大量电气损耗。

1.2 运营管理不规范

电厂自身管理机制不规范也会造成电气能耗过高。与水电、煤电、核电、风电和光伏发电等企业而言，气电在上网价格和燃料价格上缺乏竞争性。近年来，面对传统火电、风电光伏和储能等新能源企业带来的冲击，为了获取更高的经济价值，部分燃气电厂在运营管理方面会违背节能降耗的基本理念，在管理上一味追求利益至上的理念，导致现场工作人员节能降耗意识丧失，缺少相关制度的监督与培训，在日常监视和操作中不规范，违反操作规程。如设备参数监视不到位、异常参数不重视、长期不进行设备轮换、设备运行周期不均衡、跳步缺项操作、日常检修和检查不规范和人员野蛮操作等。这些不规范的操作行为不能及时制止与改正，将造成设备损坏、性能下降、运行效率降低，设备老化加速，设备能耗升高，缩短设备使用寿命，增加设备运行维护成本。

1.3 电磁损耗

电磁损耗是电厂电气设备运行过程中无法完全避免的损耗，主要分为铜损、铁损和杂散损耗，也是发电厂能耗的主要部分。在发电机、变压器、电动机等设备运行时会产生电磁效应，在电磁转换的过程中，电流流过绕组时因绕组本身电阻的原因消耗能量，使绕组温度升高，这部分消耗在绕组电阻的上损耗，称之为铜损，铜损将严重影响设备的运行效率、运行性能[4]。同时，磁场在铁磁材料中产生大小、方向有周期性变化的磁通，从而引起磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗和涡流将转化为热能，最直观的表现形式是铁心、定子齿或槽的局部温升，影响铁磁材料性能，效率降低，影响电气设备的使用寿命。杂散损耗是漏磁通穿过钢结构件（如板式夹件、钢压板、压钉螺栓及油箱壁等）引起的损耗[5]。

1.4 辅机电气损耗

燃气-蒸汽联合循机组中的辅机主要包括循环水泵、给水泵、凝结水泵、闭式水泵、天然气增压机和空气机等，在日常运行过程中能耗占比非常高，损耗方式主要分为空载运行期间电气损耗、设备自然损耗、设备自身运转过程与空气摩擦损耗。当这些设备设计配置不合理、运行方式不合理或非正常工况下，会造成设备运行效率低，能耗升高，甚至设备损坏，如设计容量、选择型不能满足实际需求，出现“小马拉大车”或者“大马拉小车”等情况。同时，在机组夜间停机期间，为了带走停机后部分辅机运行产生的热量，需要维持循环水系统、闭式水系统运行，导致相关泵组长时间处于低负荷运行状态，设备运行效率低，加快了设备老化速度，增加了运行维护成本，从而引起设备能耗升高。

1.5 照明电气损耗

对发电厂而言，在日常生产运行中，照明规模大，电路回路多，不同季节、天气、时间、厂房及厂区环境均对照明系统提出不同的要求。不合理的照明设计、照明灯具的选择等将极大增大厂用电率。其次，厂区内照明灯具的种类型号较多，运行环境复杂，照明灯具的使用寿命比较短，在日常的检修更换过程中造成电气损耗及资源浪费。由于部分场所对照明要求较高，工作人员在选择灯具时没有合理应用节能灯具以及节能技术，未能发挥照明电气的节能降耗作用。若工作人员对厂区线路灯具的维护不重视，也将会加快线路灯具的老化，不仅造成电力资源的浪费，加剧环境光污染，同时，对电厂安全运行也存在巨大隐患。

1.6 暖通电气损耗

在电厂日常生产运行中，由于电力设备分布范围广，对运行环境要求各不相同。为了满足各区域温度及通风要求，需要由复杂的暖通系统对厂区内各区域温度机通风进行控制。由于暖通系统规模大且复杂，运行要求高，在生产运营中能耗占比非常高。当暖通系统设计配置不合理、布局分布不均匀，运行方式不合理、运行维护不到位设备老化时，将会造成系统运行效率低，热源或冷源的损失，通风效果不佳，导致电气能耗增加，厂用电率升高。若暖通系统故障，严重时，降导致设备损坏，影响机组安全运行，如在冬季时，导致水管道结冰，系统无法运行；夏季时，环境温度较高，若无法及时提供冷源，使设备运行温度升高，特别是电子间、保护间、配电室等对环境温度要求较高的区域，将严重影响机组安全运行。

2 燃气发电厂电气能耗应对措施

2.1 优化市场对策

掌握电力市场实时变化趋势，调研周边用电大户，与电网公司加强沟通，做好产能排期预测管理，争取最优运行方式及机组启停政策，降低厂用电率；加强对天然气供应商的合作与管理，开发新天然气供应商，充分保障天然气低价、可持续性供应；根据计划停机时长，决定是否停运主变及高厂变，以节约变压器空载损耗。

2.2 规范运营管理

加强员工节能降耗理念，培养员工节能意识，了解节能降耗的重要性；加强工作人员技能培训，提高工作人员技能水平，避免日常操作事故；建立健全节能降耗技术措施，并制定完善的监督体系，精细化管理，保证节能降耗措施落到实处；制定详细科学合理的设备轮换制度、详细的操作细则，避免某些设备长期运行，规范操作行为，严禁出现缺项跳步操作；制定详细的设备检查检修细则，避免设备长时间不进行检修检查；明确设备定期检修时间、工艺要求，严禁工作人员野蛮操作；定期开展运行分析，对日常运行异常问题及时分析，做好预控措施；结合现代化信息技术，提高运营管理水平，对厂内设备精细化管理，制定详细的运行台账、检修台账，降低设备能耗。从控制逻辑维度优化燃机清吹时长，燃机启动装置LCI 或SFC 退出时间，机组冷态（温态）暖机时间，以便提高机组启动速度，达到节电的目的[6]；优化启停过程中各辅机启停时机，规范启停操作步骤，加强运维人员技术培训，提高启机效率；建立健全完善的节能降耗管理机制。

2.3 降低电磁损耗

降低铁损方法包括：①采用如高硅钢片、非晶合金片等高磁导率的铁心材料降低磁滞和损耗；②优化铁心制造工艺，采用卷铁心和立体铁心结构设计替代叠片铁心降低损耗；③缩小铁心尺寸、减小铁心搭接宽度减小损耗[7]。

降低铜损的方法包括：①采用低损、低电阻、抗腐蚀的无氧铜新型材料，增强抗短路能力；②采取内屏蔽式绕组保护措施，减小体积，降低铜耗；③调整安匝平衡，限制扁线厚度，在绕组的上下部加装磁屏蔽，在油箱壁上装设电屏蔽，科学选择并联导线的换位方法，降低漏磁引起的铜耗；④采用先进工艺缩小铜导线直径和主绝缘、纵绝缘结构尺寸，减小绕组交流电阻，降低铜耗[7]。

降低杂散损耗的方法包括：①选用低磁性、非磁性材料材料作为铁心夹件等结构件；②大电流引线和套管采用铜板屏蔽或非磁性材料降低杂散损耗；③采用变频调压式冷却器等新型冷却器、节能风扇等方式降低杂散损耗[7]。

2.4 降低变压器的损耗

设计时要从源头上降低变压器铜损和铁损，详见2.3 降低电磁损耗措施；另外，可优化变压器的运行方式。机组运行时，根据变压器运行温度及时调整冷却风扇的运行方式；机组停运时，根据调度及机组启停时间安排，及时调整运行方式，停运备用变压器以降低变压器损耗。如节假日期间机组长期处于停运状态时，针对发电机出口设置有GCB 开关的机组，可将厂用电切换至高备变运行，向调度申请断开主变高压侧开关，停运主变和厂变运行，降低变压器损耗，达到节能降耗的目的。同时，变压器容量设计选型不合理，偏大或偏小，设备操作不当等因素均会造成不必要的能量损耗，应避免出现“小马拉大车”或者“大马拉小车”情况的出现[8]。

2.5 降低辅机损耗

首先从设计上优化辅机配置，在设计之初准确核实各辅机容量、后期运行方式及可能存在的问题，从设备容量、运行方式、设备技术等各方面考量节能降耗的措施；针对容量大、运行工况变化比较频繁的设备，如给水泵、循环水泵和闭式水泵，可采用变频控制技术，以降低设备启动时的启动转速，降低电机启动电流冲击，减少电机损坏概率，在运行中实时跟踪系统运行变化情况，及时调整辅机电机转速，降低运行电流，这对电厂节能降耗具有重大意义[9]。针对启动电流较大的设备，如空气机等设备可采用Y-△降压启动方式，降低启动电流冲击，减小设备启动时对电机的损害。

燃气电厂通常是日启夜停，但在夜间机组停机后仍有部分辅助系统需要维持低负荷运行带走设备产生的热量或余热，如循环水系统、闭式水系统。此情况下可增加辅助水泵，在机组正常运行时采用主泵维持机组所需的水量，在夜间停机时可采用小泵（辅助泵）来维持低负荷运行，降低能耗。此方法也可以减少因主泵频繁启停和长期的低负荷对设备带来的损害，以增加设备使用寿命。另外，更换先进的能耗低设备，也能有效减少企业的能源消耗支出，达到节能降耗的目的。

2.6 降低厂区照明损耗

对于发电厂而言，在日常的生产经营活动中，不同的生产场所对照明的要求不同，会采用多种不同型号的照明灯具。合理的照明设计及灯具选择对电厂节能降耗也起着至关重要的作用。首先，优化照明设计及布局，在确保满足显示指数、光色、照度条件下，选择节能的灯具和配件。在同等的条件下，选择节能荧光灯与白炽灯相比，节电效率可达到73%[10]。其次，加强厂区照明灯具、线路的检查，对老旧灯具、线路及时检修更换，避免因灯具老化引起电能损耗增加。另外还可以引入基于计算机和通讯总线的智能照明系统，根据环境情景合理利用自然光并智能控制开关灯。数据显示，引入智能照明系统可节约20%～40%的电能[11]。同时，电压波动会极大影响灯具寿命，通过稳定照明电压，可以延长灯具寿命，降低电耗。改善措施为引入照明专用变压器，在必要的情况下实现稳压。另外，利用地区和季节优势，充分利用清洁能源，探索建立风-光互补照明系统，降低厂用电率更换老化的线路。

2.7 优化暖通损耗

在设计上优化暖通系统配置，对采暖、制冷系统可采用集中采暖、制冷系统，如冬季采暖可采用机组辅助蒸汽采暖，夏季制冷可采用溴化锂制冷机组。当机组停运时可螺杆式冷水机组运行，减少分布式空调布置，有效控制各区域运行温度，降低电气损耗。规定办公区域的环境温度，避免热源或冷源的浪费，达到节能降耗的目的。针对各区域通风设备合理配置通风风机，制定详细的运行规定，优化运行方式。同时，加强各设备运行维护，避免设备老化，降低设备损耗。

3 结束语

目前燃气电厂受环保政策和经济因素影响，主要集中在沿海地区，以广东省为例，燃机电厂装机容量从2012 年的1 073.9 万kW 发展至2022 年的3 530.5 万kW。未来随着“零碳排放”和循环利用产业生态系统研究的日趋成熟，针对这类能源企业，节能能耗方法需进一步创新，以期构建更加立体多元化的节能降耗结构体系。