基于碳、水、汽、电四个平衡的火力发电厂节能降耗策略与实践研究

基于碳、水、汽、电四个平衡的火力发电厂节能降耗策略与实践研究

郭程程

（中煤永城能源开发有限公司，河南省 永城市 476600）

Energy-Saving and Consumption-Reduction Strategies and Practical Implementation Research for Coal-Fired Power Plants Based on Carbon, Water, Steam, and Electricity Balance

GUO Chengcheng

(China Coal Yongcheng Energy Development Co., Ltd., Yongcheng City, Henan Province, 476600)

BSTRACT：Under the constraints of the "dual carbon" goals, thermal power plants need to achieve green transformation through systematic energy conservation and consumption reduction. This paper proposes a coordinated optimization framework integrating "carbon balance, water balance, steam balance, and electric balance," combining technological upgrades and intelligent management to achieve dual control of energy consumption and emissions. The study delves into the connotations, key influencing factors, and mutual coupling relationships of each balance system. Drawing on extensive engineering practice cases, it elaborates on a series of specific and feasible technological pathways and management measures, ranging from endogenous control of carbon emission intensity, systematic energy conservation and consumption reduction, thermodynamic system optimization, cascade utilization of water resources, to intelligent management controls.The research results demonstrate that through the synergistic optimization of the four balances, thermal power plants can achieve significant reductions in coal consumption per unit of power supply, auxiliary power consumption rate, water intake, and carbon emission intensity. Ultimately, this approach realizes a win-win scenario of economic and environmental benefits, providing a comprehensive theoretical guide and practical solution for the green transformation of thermal power enterprises.

Key words：thermal power generation; energy conservation and consumption reduction; carbon balance; water balance; steam balance; electricity balance; system optimization

摘要：在“双碳”目标约束下，火力发电厂需通过系统性节能降耗实现绿色转型。本文提出“碳平衡、水平衡、汽平衡、电平衡”协同优化框架，结合技术升级与智慧管理，实现能耗与排放双控。论文深入剖析了每个平衡体系的内涵、关键影响因素及相互耦合关系，并结合大量工程实践案例，详细阐述了从碳排放强度内源控制、系统性节能降耗、热力系统优化、水资源梯级利用到智能化管控等一系列具体、可行的技术路径与管理措施。研究结果表明，通过四个平衡的协同优化，火力发电厂能够实现供电煤耗、厂用电率、取水量和碳排放强度的显著降低，最终达成经济效益与环保效益的双赢，为火电企业的绿色转型提供了一套完整的理论指导与实践方案。

关键词：火力发电；节能降耗；碳平衡；水平衡；汽平衡；电平衡；系统优化

0 引言

能源安全与环境保护是当今世界面临的重大挑战。我国作为以煤为主的能源消费大国，火力发电在电力结构中仍将长期扮演压舱石的角色。然而，传统火电行业面临着能耗高、排放大的严峻挑战。在国家力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的宏伟目标下，火力发电厂的节能、降耗、减排已从“选择题”变为“必答题”。

长期以来，火电厂的节能工作往往侧重于单一设备或系统的技术改造，缺乏全厂层面的系统性、关联性分析。这种“头痛医头、脚痛医脚”的方式，难以挖掘深层次的节能潜力，甚至可能造成不同系统

间的能耗转移，无法实现整体能效的最优。因此，迫切需要一种更全面、更系统的分析方法来指导节能降耗实践。

本文引入的“四个平衡”框架，正是基于火电厂能量流、物质流的基本规律。碳平衡是目标，关键是降低燃料消耗与碳排放；汽平衡是核心，关乎热能向动能转换的效率；电平衡是支撑，关乎厂内能源消耗的自给率；水平衡是基础，关乎工质循环与资源利用。这四个平衡相互关联、相互影响。例如，提高汽平衡（降低热耗）直接有利于碳平衡（降低煤耗）；优化电平衡（降低厂用电率）意味着更多电力上网，间接降低了供电煤耗；而水平衡的优化（如降低补水率）也直接减少了水泵的电耗，影响电平衡。本文将围绕这四个维度，系统论述火力发电厂实现深度节能降耗的策略与实践。

1 多维平衡驱动下的火电厂节能降耗技术体系构建

1.1 以碳平衡为目标导向的节能降耗策略

碳平衡是火电厂能量输入与输出，以及碳排放控制的最终体现，其核心指标是发电煤耗（供热煤耗同步换算）和碳排放强度。实现碳平衡的关键在于“开源”与“节流”，即提高能源转换效率和优化燃料结构。

1.1.1从技术角度提升能源转换效率

（1）主机参数升级与通流改造，这是降低供电煤耗最主要的措施。采用超超临界乃至更高参数的机组（如31MPa/605℃/622℃），可显著提高循环热效率。资料指出，主汽压力每提高1MPa，热耗下降约0.15%；主汽温度每提高10℃，热耗下降约0.25%～0.30%[1]。对在役老旧机组，实施汽轮机通流部分改造，优化叶型、汽封等，可使供电煤耗平均降低6g/kWh以上[2]。

（2）热力系统深度优化：采用多级回热（如10级抽汽）、热泵供热、增设外置式蒸汽冷却器和疏水冷却器，可有效降低机组热耗。例如，某电厂采用11级回热抽汽系统，热耗降低37kJ/kWh，煤耗降低1.334g/kWh。开展烟气余热深度利用，在空预器后、除尘器入口等位置设置低温省煤器，利用烟气余热加热凝结水或冷风，可降低排烟温度，提高锅炉效率。中煤永城项目采用此技术，THA工况下排烟温度从124℃降至90℃，汽轮机热耗下降约53kJ/kWh。进行冷端优化，通过优化凝汽器真空、循环水泵运行方式（如双速泵、变频泵），找到“最佳真空”，平衡汽轮机出力增加与循环水泵电耗增加的关系，实现净收益最大化。

1.1.2从管理角度提升精益化管控水平

（1）运行指标精细化管控，开展小指标竞赛，对影响煤耗的关键参数（如锅炉排烟温度、氧量、飞灰含碳量、汽机真空度）进行实时监控与优化，将节能责任落实到每个运行班组。

（2）燃料智能化管理，利用计算机燃料管理系统，把控进厂煤质，监管厂炉热值差，进行科学的配煤掺烧。既保证锅炉燃烧稳定，又降低燃料采购成本，并从源头控制硫分、灰分等，减轻后续环保设施压力。

（3）精准喷氨与负荷经济分配，在电网调度允许下，优先让高效率、低煤耗的大机组带负荷，实现全厂供电煤耗的整体最优。

1.1.3从燃料角度降低碳排放

适时开展生物质、绿氨掺烧的燃料结构优化与燃料替代，跟进可再生能源耦合（光储），超期谋划碳捕集与利用。例如某电厂50万吨/年CCUS项目，年碳减排量 50万吨，降低全厂碳排放强度 15%。

1.2 以水平衡为基础的资源循环策略

火电厂是用水大户，水平衡的优化直接关系到节能、节水和环保。其核心是降低“补水率”，实现水资源的梯级利用和循环利用。

以水源（地表水/地下水/再生水）、厂外购水（蒸汽/热水）划定取水边界，以主工艺系统（锅炉、汽机）、辅机系统（冷却塔、脱硫、输煤）、附属系统（生活、绿化）确认用水边界，同时明确外排废水、复用水（循环水、回用水）、消耗水（蒸发、飞散）排水边界。分系统开展水平衡测试及水平衡图绘制，找出薄弱环节，针对性提高复用率。

1.2.1水平衡测试与水务管理

定期开展全厂水平衡测试，查清取、用、排、耗水量的真实情况，找出不合理用水点和泄漏点，利用地下管网图集摸排，为节水改造提供数据支撑。建立完善的智能水务管理制度，对各类用水单元进行定额管理。

1.2.2节水技术改造

（1）提高循环水浓缩倍率：在保证凝汽器管材不结垢、不腐蚀的前提下，通过加药处理和优化运

行，将循环水浓缩倍率从2.0提升至3.0以上。资料表明，一台1000MW机组此项措施可节约用水800～1000m³/h。某电厂通过将循环水浓缩倍率从2.5提至3.5，年节水超5万吨[3]。

（2）废水资源化与梯级利用：构建“清污分流、一水多用”的体系。将反渗透浓水、循环水排污水等低品质废水用于脱硫系统、干除灰、输煤栈桥冲洗等，最大限度减少新鲜水取用量和废水外排。

（3）主机与辅机冷却系统优化：采用闭式循环冷却系统代替开式系统，减少蒸发和风吹损失。对闭式水系统，可利用余热利用技术，减少散热损失。

（4）采用节水工艺：用干式除渣、气力除灰系统替代传统的水力除灰除渣，可从根本上消除该环节的耗水。

1.3 以汽平衡为核心的热能梯级利用策略

汽平衡是火电厂热力系统的灵魂，它描述了蒸汽能量的产生、输送、转换和回收的全过程。优化汽平衡就是追求更高的热效率。

汽平衡模型需整合质量守恒、能量守恒及参数修正逻辑，重点覆盖主蒸汽、再热、抽汽、排汽四大子系统，并严格遵循GBT 8117、ASME PTC6.2等标准中的测量与修正方法。模型验证时需确保各节点流量/能量不平衡率达标，且修正后的结果与设计热平衡图（如DL/T 892中的THA工况）可比对，找出偏差环节。

1.3.1减少做功能力损失

（1）降低管道压降和散热损失：优化主蒸汽、再热蒸汽管道设计，采用Y型三通和弯管减少局部阻力；选用高性能保温材料，减少设备和管道的散热损失。

（2）提高蒸汽参数稳定性：采用广义预测控制等先进算法，提高主、再热蒸汽温度和压力的调节平稳度，减少负荷扰动造成的能量损耗。

1.3.2余热余能回收利用

（1）疏水扩容器的热量回收：将锅炉启动疏水、连续排污扩容器产生的蒸汽回收至除氧器，既回收工质又回收热量。

（2）除氧器排汽回收：安装除氧器排汽回收装置，将排汽引至轴封加热器等部位，600MW超临界机组可降低煤耗0.1～0.3g/kWh[4]。

（3）热泵技术应用：采用吸收式热泵，回收循环水、闭式水等低品位废热，用于加热凝结水或热网水，实现能量的梯级利用。

1.3.3优化启停与低负荷运行

设置“邻机加热系统”，利用运行机组的冷再蒸汽加热待启动机组的给水，实现“热炉”启动，大幅缩短启动时间，节约启动燃料。回收利用疏水扩容器蒸汽、除氧器排汽等低品位热量蒸汽参数精准控制，采用先进控制算法提高主再热汽温、汽压的稳定性，减少波动损失。

1.4 以电平衡为支撑的厂内能耗管控策略

电平衡关注的是厂用电率，即发电厂自身的能耗水平。电平衡模型边界包括从燃料化学能输入到发电机输出端电能的全过程，涵盖厂用电消耗、非生产耗能等。

1.4.1辅机系统节能改造

（1）大规模变频改造：对引风机、送风机、一次风机、凝结水泵、循环水泵等大功率辅机进行变频改造，是降低厂用电率最有效的措施。变频调节可避免阀门、挡板的节流损失，在低负荷时节电效果尤为显著，节电率可达30%以上。

（2）采用高效设备：选用国家推荐的节能型产品，如YE5、IE4系列超高效电动机，二级能效变压器，高频电源的电除尘器，空气悬浮式氧化风机，厂用电系统无功补偿装置等，从源头降低设备自身电耗。

（3）系统整合与优化：推广“引增合一”等技术，减少设备数量，降低系统阻力。某电厂对1000MW机组真空泵进行节能改造，新增低功耗的罗茨真空泵组，停运大功率原真空泵，单台电流下降140A，年节电效益显著。

1.4.2运行方式优化与智能控制

（1）辅机运行优化：根据机组负荷，合理启停制粉系统、循环水泵等设备，避免“大马拉小车”。利用峰谷电价，将定期切换和试验工作安排在低谷时段。

（2）照明系统智能化：全厂采用LED节能灯具，并配合光控、时控、感应控制等智能照明系统，杜绝长明灯现象。

（3）建立厂用电监控系统：实现对全厂用电分系统、分设备的精确计量和监控，为能耗分析和精

细化管理提供数据基础。

1.4.3推进新能源替代

如厂内屋顶分布式光伏发电、分散式风电接入厂用电系统，开展生物质能与化工余热废气利用等。

2 四个平衡的协同与集成

碳、水、汽、电四个平衡并非孤立存在，而是紧密耦合、相互影响的有机整体。未来的节能降耗必然是跨系统的协同优化。

首先利用各平衡独立建模规则（Ce碳排放强度，Wf补水率，Paux厂用电率，ns热效率)），构建基础模型层，建立跨系统动态耦合矩阵，协同优化层，如图1所示。

Fig.1  framework for constructing multi-objective functions and digital twin architecture

模型框架系统耦合性、动态平衡性、目标协同性开展搭建，以能量流、物质流为核心，建立碳、水、汽、电四要素的相互作用关系矩阵M，体现跨系统能量传递与物质循环。

非对角元素表示跨系统影响，如表示节水对电耗的抑制效应。系数通过机器学习拟合历史运行数据得出。

同时，引入微分方程描述各平衡的动态变化，如碳平衡中的碳排放速率与燃料消耗量的实时响应关系。

动态耦合方程：

通过构建多目标函数，实现能耗降低、碳排放减少、水资源循环率提升、厂用电率优化的帕累托最优。

多目标函数：

例如对循环水系统进行优化（水平衡），降低了循环水泵的电耗（电平衡），同时有助于提高真空（汽平衡），最终导致供电煤耗下降（碳平衡）。这是一个典型的正反馈协同链。

集成化智慧管控：利用大数据、云计算、人工智能等技术，构建电厂“智慧能源管理平台”。该平台能够整合四个平衡的所有关键数据，通过建立数字孪生模型，进行多目标、全工况的寻优计算，自动给出最优的运行指导方案，如：实时推荐最佳的真空值、循环水泵组合、燃料配比等，从而实现全厂能源利用效率的全局最优。

2.1 冷端系统——水、汽、电、碳的协同枢纽

协同链条：优化循环水系统（水平衡）——降低循环水泵电耗（电平衡）+提高凝汽器真空度（汽平衡）——提高汽轮机做功效率，降低热耗（碳平衡）。

具体落脚点：寻找 “最佳真空” 。即找到循环水流量增加带来的汽轮机出力收益与循环水泵电耗增加的成本之间的平衡点，体现水、汽、电三个平衡协同决策作用。

2.2 余热利用系统——汽、水、碳的协同节点

协同链条：利用烟气余热（汽平衡的废热） 加热凝结水（水平衡的工质）——减少从汽轮机的抽汽量，增加主蒸汽做功能力（汽平衡）——降低机组热耗（碳平衡）。

具体落脚点：低温省煤器回收了锅炉排烟的热量（否则排入大气），用于加热给水系统，直接降低了汽轮机的抽汽消耗，实现了能源的梯级利用。

2.3 燃料与燃烧系统——碳、汽、电的协同界面

协同链条：优化配煤掺烧（碳平衡的燃料管理）——获得稳定、经济的燃料，保障锅炉蒸汽参数稳定（汽平衡）——减少因煤质波动导致的风机、磨煤机等辅机频繁调节和额外电耗（电平衡）。

具体落脚点：通过精准的燃料管理，为机炉协调控制系统提供稳定的输入条件，从而保障整个热力系统（汽平衡）在高效区稳定运行，并降低辅机电耗，完善燃料智能化管理系统。

2.4 智慧能源管理平台——四大平衡协同优化的终极载体

协同机制：利用大数据、人工智能技术，构建电厂“数字孪生”。

具体落脚点：平台能够整合四个平衡的所有实时数据，通过算法模型进行多目标、全工况的寻优计算。例如，平台可以同时考虑电价、负荷指令、环境温度、水质等因素，自动推荐当前工况下最佳的真空设定值、循环水泵组合、燃料配比等，从而实现全局效益最大化，推动协同优化从“经验驱动”迈向“数据与模型驱动”的最高形态。

3 结论与展望

本文系统论述了基于碳、水、汽、电四个平衡的火力发电厂节能降耗策略体系。研究表明：

（1）系统性思维至关重要：必须打破专业壁垒，从全厂能量流、物质流的全局视角出发，将节能降耗视为一个系统工程。

（2）技术与管理双轮驱动：先进的技术改造是基础，但精细化的运行管理、指标考核和激励机制同样不可或缺，是保证技术效果持续发挥的关键。

（3）四个平衡协同优化是深度节能的方向：未来火电厂的能效提升，将越来越依赖于跨系统的集成优化和智能化管控。

展望未来，随着“双碳”目标的深入推进，火力发电厂的角色将逐步从主体电源向支撑性和调节性电源转变。在此过程中，通过深化四个平衡的节能降耗实践，并积极拥抱生物质掺烧、碳捕集利用与封存等新兴技术，火电企业必将走出一条高效、清洁、低碳的高质量发展之路，为国家能源安全和生态文明建设做出更大贡献。

参考文献

[1]  钟平，徐晓春，邵文长.北重阿尔斯通公司超临界600MW汽轮机技术特点及其热力性能考核试验[J].热力发电,2008(6):53-56.

[2]  胡永佳，曹怿.燃煤机组节能降耗技术应用与改造分析研究[J].电力系统装备,2022(12):125-127.

[3]  刘伟，高海瑞.基于水平衡测试的火电厂节水技术分析[J].内蒙古电力技术,2013(2):103-106.

[4]  姚莹莹，王小波.超临界600MW机组除氧器排汽回收对发电煤耗影响的定量研究[J].汽轮机技术,2022(4):141-145.

作者简介：

郭程程（1987-），男，大学本科，主要从事电厂集控运行研究。