节能环保技术(装备)在电力设备市场应用情况

0 引言
    节能减排是为了节约资源，减少环境破坏，实现可持续性发展，国家采取的一项重要措施，也是一项功在当代，利在千秋的百年大计。电能是最重要、最昂贵的能源形式之一，节约用电、提高能源效率、减少污染是国家节能环保工作的重点内容。电力输配侧节能很宽泛，第一是输配电的节能，这其中电力损耗10％；二是变压器的节能，损失很大，理论上是2％，但实际上远远超过这个数字；三是电机节能，变频节能只是电机中的一类。在发电侧，传统的火电领域主要面对的是环保问题。2008年7月1日，国务院总理、国务院节能减排工作领导小组组长温家宝主持召开节能减排工作领导小组会议，听取2007年节能减排工作进展情况汇报，安排2008年节能减排工作。专家在讨论中普遍认为，目前政府的当务之急——能源价格调整是电力设备领域实施节能减排的重要契机。

1 发电侧设备
1．1 空冷设备
    传统火电厂是通过开放式大水塔来实现循环水的冷却，需要不断地给水；而空冷电站则不需建水塔，用空气来冷却低压蒸汽使之凝结为水，水的损耗少。目前多数火力发电厂采用水冷却方式。空冷方式的优点是节水，缺点是造价高、运行费用高。一个2×60万千瓦机组的空冷设备造价约1．7亿元，而水冷设备只需要1．2亿元；煤耗高，每年会多消耗电力6 000万度，大约对应2 000万元价值。但它也可节水约l 200～1 400万吨。
    空冷设备按传热元件分类可以分为板式和管式两大类。板式空冷器只能用于小型电站。另外，还可分为间接空冷和直接空冷系统。目前世界上广泛采用的电站空冷器有三种技术形式：海勒系统福哥型空冷器、GEA系统直冷式空冷器、哈蒙系统间冷式空冷器。电站空冷设备的部件主要包括：翅片管束、钢结构平台、空冷风机、减速器、变频电机(变频器和电机)等，除钢结构外，其它部件均有较大比重来自于国外进口，但哈空调(600202)等民族厂商已可以全部实现国产化。成本结构中(以2×60万千瓦机组为例)，翅片管束占65％左右，钢结构平台占15％左右，空冷风机、减速器(齿轮箱)、变频电机(变频器和电机)各占4％左右。主要原材料为铝材、无缝钢管、容器钢板、铜材。
    市场上的主要厂商有6家，中外各占一半，前三家是第一梯队(市占率20％～25％，实力相近，含哈空调)，后三家是第二梯队(市占率5％左右，实力也相近)。目前，市场仍有新厂商在进入。据参考文章(《中国电站空冷主设备供应商业绩》)中的统计数据(作者不明)，到2008年6月3日止中国空冷电站已累计核准约5 000万千瓦。主设备(空冷岛管束或空冷三角)累计投运或完成招标8 000多万千瓦，其中SPX、GEA、哈空调、龙源、IHW(含首航艾启威冷却技术北京有限公司)、江苏双良的累计市场份额分别约占39．0％、33．O％、15．6％、4．5％、3．5％、2．9％。仅就2007年而言，哈空调的市场占有率约为23％。
电站空冷市场近两年增长速度快。2007年全国电站空冷设备市场销售收入总额约为45亿元，增长率约为25％～30％。装机约1 700～1 900万千瓦，营收总额增长率约为25％～30％。由于我国单机60万千瓦机组比重大幅增加，再加上国产化提高，生产厂商数量增加、招标竞争激烈，故2007年价格普遍比2004年、2005年便宜30％～40％。
    2008年、2009年我们预计中国火电设备的年度投产装机容量大约都在6 500～7 000万千瓦左右(见表1)。相对于缺煤的沿海及南方，北方煤电基地建设提速，华北、东北、西北火电站新建比重可占50％～60%左右，其中按80％上空冷机组计算，则全国火电会有40％～50%上空冷。故假设2008年、2009年空冷比重分别大幅提高至35％～40％，则为2 275～2 800万千瓦。考虑到电站空冷设备市场竞争日趋激烈，单位造价一直有所下滑(由于国产化比重提高、大容量机组比重提高，2007年单位造价下滑了10％～15％左右)，预计全国电站空冷设备市场容量在2008年增速约为20％左右(其中，装机容量上升25％～30％、平均单价下滑11％)。

1．2 大型循环硫化床锅炉
    循环硫化床锅炉是当今世界最先进的一种环保锅炉，采用循环硫化燃烧技术，使煤炭充分燃烧，锅炉温度提升快，能实现炉内脱硫，有效杜绝致癌物质二恶英的排放，灰、渣均可综合利用，具有节能、污染小等优点，广泛应用于大中型发电厂。
    长期以来，循环硫化床锅炉的燃烧和大型化技术，一直为欧美等发达国家的企业所垄断。我国从上世纪80年代开始引进国外的循环硫化床锅炉技术。1997年，太原锅炉集团与清华大学合作，运用具有自主知识产权的“定态设计”理论，先后研制出35t／h、75t／h、130t／h、220t／h和440t／h循环硫化床电站锅炉。与国外产品相比，太原锅炉集团生产的循环硫化床锅炉煤种适应性广，许多不可燃烧的物体比如煤矸石、中煤、次煤、泥煤等都能得到充分燃烧。
    2007年5月13日，太原锅炉集团研制成功具有自主知识产权的国内最大的环保型锅炉——l 000t／h循环硫化床锅炉。l 000t／h循环硫化床锅炉的研制成功，使太原锅炉集团的综合竞争力跃入我国锅炉行业前四名之列，在国内循环硫化床锅炉市场居领先位置。
    在大型循环流化床锅炉领域，上市公司华光股份目前准备在惠联热电二期工程建设一台20万或者30万千瓦的大型循环流化床锅炉，并积极和美国Foster Wheeler公司合作开发30万千瓦级别的循环流化床锅炉。公司在30万千瓦循环流化床锅炉级别的合作单位Foster Wheeler公司是全球唯一具有30万千瓦循环流化床锅炉运行业绩的公司。20万千瓦和30万千瓦循环流化床锅炉是未来15年我国重点发展的节能环保型燃煤锅炉品种。
1．3 超临界和超超临界火电机组
    超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力的机组，即压力大于等于22．12MPa。习惯上又将主蒸汽压力大于27MPa的机组(当然要有与之相配的蒸汽温度)统称为高效超临界机组或超超临界机组。所以对于超临界机组可以分为2个层次：一是常规超临界参数机组，其主蒸汽压力一般为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为540～560℃；二是高效超临界机组，通常也称为超超临界机组或高参数超临界机组，其主蒸汽压力为25～35MPa及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为580℃及以上。对于常规超临界机组的效率可比亚临界机组约高2％，而对于高效超临界机组，其效率可比常规超临界机组再提高4％左右。在环保方面，超超临界机组加装锅炉尾部烟气脱硫、脱硝和高效除尘装置，可满足严格的排放标准。同时，由于超超临界机组提高了效率，相应地也节约了发电耗水量。
    近10多年来，我国已投运了12．60GW常规超临界机组，这些机组具有较高的技术性能投运后不仅在提高发电煤炭利用率和降低污染方面发挥了一定的作用，而且通过这些机组的成功运行基本掌握了超临界机组电厂的设计、调试、运行、检修技术。积累了丰富的应用经验，为我国超临界和超超临界机组的应用奠定了基础。
    我国已投运的超临界机组主要参数见表2。

    华能玉环电厂位于浙江省玉环县，是为配合国家引进的超超临界机组技术，为国内制造企业牵头，与国外合作，利用国外技术制造，逐步实现超超临界机组国产化的依托工程。电厂规划安装4台l 000MW级机组，一期工程建设2台，2004年6月开工建设，于2007年和2008年投产。一期工程还将分别建设l座用于燃煤运输的100kt级泊位专用码头和l座用于大件、燃油、石灰石运输的3 000t级综合码头；二期工程连续建设，2008年和2009年各投产1台。建成后，玉环电厂将是国内效率最高、单机容量最大、最洁净的火力发电厂。其蒸汽压力26．25MPa，蒸汽温度600℃；单机容量l 000MW；发电效率44．86%；汽轮机为引进德国西门子技术，由上海汽轮机有限公司成套供货；汽轮机型式为超超临界、一次再热、变压、八级回热抽汽、单轴、四缸四排汽(1146mm末级叶片)、双背压、凝汽式汽轮机；锅炉为引进日本三菱技术，由哈尔滨锅炉有限公司成套供货；锅炉型式为超超临界、一次再热、变压、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、垂直管圈II型直流锅炉。
    为支持华能玉环电厂超超临界国产化示范工程的建设，原国家电力公司和中国华能集团公司共同主持承担了国家“十五”863计划“超超临界燃煤发电技术研究”课题，并有电力、机械制造、设计、科研机构及高等院校等20多家产学研单位的共同参与。“超超临界燃煤发电技术研究”课题主要以华能玉环电厂2×1 000MW超超临界发电机组为依托，重点研究和开发具有我国自主知识产权的超超临界发电机组的锅炉、汽轮机、电厂系统以及与机组相适应的烟气净化技术。并以此促进和提高我国发电设备的设计和制造水平，为电力工业提供清洁、高效的新一代大型发电机组。
1．4 烟气脱硫设备
    烟气脱硫，即通过脱硫装置使锅炉烟气的二氧化硫排放达到国家的排放标准。我国已有脱硫工艺十多种，其中以石灰石一石膏湿法和烟气循环流化床法脱硫最为普遍，脱硫设备的国产化率已达到90%以上，拥有自主知识产权的30万千瓦级火电机组的烟气脱硫技术。
    我国二氧化硫排放量的90％来自燃煤，而火电行业二氧化硫排放量又占全国总排放量的50％以上，所以火电厂是我国酸雨控制的关键行业。“十五”末期，我国各项经济建设指标都顺利完成，惟独环境指标——二氧化硫的减排量没有达到。由于煤炭消费量增加了72％，尽管“十五”期间单位GDP二氧化硫排放量降低了30．3％，但是2005年全国二氧化硫排放量还是比2000年增加27％。有专家认为，高能耗导致的高增长模式很难一时改变，只能力争在2008年控制住不增长，经过2009年的巩固，争取到2010年达到减排20％的目标。
    根据中国电力企业联合会对脱硫公司项目执行情况的统计(见表3)，截至2007年底前，全国已签订的脱硫工程容量为4亿千瓦，全国已投运的脱硫工程容量有2．7亿千瓦，全国未交付脱硫合同容量有1．3亿千瓦，按照150元／千瓦的造价，这部分已签但未交付的市场容量有195亿元。
    由于有了“十五”的前车之鉴， “十一五规划纲要”提出“到2010年，全国二氧化硫排放总量比2005年减少10％”这个约束性指标。目前我国已安装脱硫设施的火电装机容量不到火电装机总容量的1／4。随着“十一五”期间我国电力投资创历史新高以及对节能减排的要求越来越强烈，火电装机容量和安装脱硫设施的比例都会提高。根据《国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划》，到2010年底，全国脱硫燃煤机组装机容量要达到4．6亿千瓦左右(见图1)。也就是说，到2010年底前，全国投运的脱硫工程容量会较2007年的2．7亿千瓦增加1．9亿千瓦，全国新签脱硫工程容量会在2007年未交付合同1．3亿千瓦的基础上增加约0．6亿千瓦，按照150元／千瓦的造价，这部分市场容量有90亿元左右。

    我国现在有超过100家脱硫企业，企业众多，相互压价，行业的竞争也比较无序，一个表现就是脱硫项目的每千瓦造价已经由最初的l 200元，降到现在的200元以下。

2 输配电设备
2．1 非晶合金变压器
    非晶合金材料又称金属玻璃，是一种无晶体原子结构的合金。该合金是由熔融状态下的合金以百万分之一秒的速度冷却后得到的。它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以1×10-4℃／s冷却速度直接冷却形成厚度0．02～O．04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶合金组织，这种合金具有许多独特性能特点，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。目前通常为铁、镍一铁和钴基合金，铁磁体非晶合金比已知的另一些材料更易于磁化和消磁，它的磁性能已被确认在材料内部更易于磁性反转。
    由于非晶合金材料优良的性能，使用其作为铁心材料的变压器拥有良好的节能效果。据统计，非晶合金变压器的空载损耗仅为S9型变压器的20％～30%。有业内人士曾测算，一年一台非晶合金变压器较S9变压器而言，可节省4 000元。据有关专家的测算，非晶合金变压器与S9型变压器的价格比接近1．3：1后，价差能够在5年内收回，从第6年起，可享受非晶变压器的超低损耗所带来的收益。
    国家颁布的G1320052—2006((三相配电变压器能效限定值及节能评价值》与DL／T985—2005《配电变压器能效技术经济评价导则》中对非晶合金变压器的节能效益作了极高的评价，并鼓励电力部门使用非晶合金变压器。置信电气是国内唯一的非晶变压器规模化生产企业。公司引进美国通用电气公司的设计原理，自主开发生产具有国际先进水平的非晶合金配电变压器和非晶合金组合式变压器，成为中国唯一获得美国GE公司非晶合金变压器技术许可、生产、销售该类产品的公司。
2．2 高压动态无功补偿装置(SVC)
    高压动态无功补偿装置的功能是补偿无功功率，具有降低线损的节能功效和稳定电压、改善电能质量功效。这些功效也就使该装置在电网中补偿、在工矿企业中局部补偿等方面的应用前景极其广阔。SVC在国内刚刚起步，属于前景广阔的幼稚产业，应用领域极其广泛，因此很难量化产品的行业发展速度。
    在交流电路中，电源供给负载的功率分为有功功率和无功功率，有功功率与无功功率按照一定比例配合才能促使负载正常运转。电能在电网中传输时，由于电网传输容量限制，无功功率不能过高，而终端无功功率不足会引起电压的跌落，导致电源(电厂)跳闸，严重会引起整个电网瘫痪，无功功率在不同级别的电力系统中必须分级进行补偿，SVC装置就是基于此点发展起来。
    高压动态无功补偿装置是目前最为成熟、国际上应用最广的大功率高科技电力节能产品，广泛应用于电力、冶金、煤炭、矿山、电气化铁道等输配电系统，通过快速自动调整无功量，使系统功率因数从0．7左右提高到0．95以上，具有重大的节能作用。目前公司产品最主要的销售领域是钢铁企业，主要是由于以下因素：功率因数提高到0．95，避免了电力部门的罚款。提高电压使冶炼时间减少，电极消耗电能减少。稳定电压作用明显，电压闪变减少3～5倍。铁路领域也是SVC应用比较大的领域，SVC可以补偿无功消除谐波，按照全国铁路变电站200个计算，每个变电站用此产品500万，那么该领域的市场预计会在10亿以上。电力系统是动态无功补偿装置应用最广的领域，目前农网缺无功16．7Gvar，城网缺无功60Gvar。最保守预计现有市场存量可以达到40亿元以上，如果加入新的电网建设市场空间会更大。
    国内各主要应用领域对SVC产品未来五年的需求情况见表4。

2．3 特高压输电
    2007年12月21日，四川复龙，国家电网±800kV四川一上海直流特高压示范工程(下简称直流工程)开工，这是继2006年6月1 000kV晋东南一南阳一荆门特高压交流试验示范工程(下简称交流工程)开工后，国家电网在推进特高压战略方面的又一大动作。两年两个工程、两种特高压输电模式相继开工建设，表现出国家电网加快建设特高压电网的趋势。实际上，早在2004年底，国家电网就已制订出一个庞大的特高压发展规划，计划在未来十五年内投入至少4 000亿元，在全国范围内建设特高压电网，这相当于两个以上三峡工程的投资规模。
    据国家电网提供的资料显示，四川一上海直流特高压示范工程起点四川复龙换流站，落点上海奉贤换流站，全程约2 000公里，途经六省两市，连接了华东华中两大电网。这是到目前为止全世界电压等级最高、功率最大、输送容量最大、输送距离最远的输电工程，工程动态投资达到l 80亿元，将会在2010年投入运行。
    国家发改委目前同意先建设的特高压示范工程还有南方电网公司的“云南楚雄一广州穗东”±800千伏直流特高压。按照国家电网特高压战略规划，未来国家电网还将会配合国家的开发计划，包括西藏水电和新疆火电的外送。为了使输电更经济，现在国家电网正在抓紧研究将电压增加到±1 000kV。刘泽洪告诉记者。国家电网特高压正在多头并进建设或计划中。
    按照有关规划，到2020年我国对特高压电网的投入约为4 060亿元，其中交流为2 560亿元、直流为l 500亿元，除去工程建设、环境保护、搬迁等费用外，总投资的60％左右将用于设备投入。特高压电网的主要设备包括变压器、可控电抗器、开关设备、套管、输电线路、晶闸管、换流变等。
    按照国家能源办战略规划组发布的《我国电力布局中输煤输电方式比较》研究报告认为，煤炭资源与经济发展在地域上的逆向分布，决定了我国能源的大规模、远距离输送不可避免。电力布局中输煤与输电的关系问题，是关系到国家能源布局、环境保护和区域经济协调发展的重要战略问题。报告还根据不同输电电压与输煤的损耗进行比较研究，认为对于相同热值的电煤，在产销地煤炭价差不变的情况下，输电电压等级越高，输电损耗越小，输电的经济距离越长。以“三西”及宁东地区至华东地区(输电距离为l 500～l 860公里)为例，如果采用500kV交流输电，损耗明显高于输煤损耗，只有通过特高压输电，损耗才能基本与输煤持平。国家电网特高压部认为，输电有助于缓解输煤所造成的交通压力及对东部环境造成的压力，而特高压技术的发展，也使远距离输电成为可能，同时更具有经济性。
2．4 高压变频调速装置
    变频器是电动机系统节能中的重要部件。通常，我们把用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。按照国际惯例和我国国家标准，当供电电压大于或等于10kV时称高压，小于10kV时称中压。相应的变频器分别称为中压变频器和高压变频器。
    据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》报告披露，中国发电总量的66％消耗在电动机上。而中国目前电动机装机容量已超过4亿千瓦，而高压电机约占一半，高压电机中近70％拖动的负载是风机、泵类、压缩机，其中一半适合调速，即有约7 500万千瓦的高压电机处在浪费运行的状态。从目前高压变频器的一般使用情况来看，平均节电可达30％，因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变频系统的投入和使用，其节能效果不言而喻。
    由于高压变频器的技术十分复杂性且价格高昂，所以在国内的应用一直很缓慢，而随着市场的逐步发展，高压变频器正在被越来越广泛的用户认可，并逐步走向新的增长阶段。中国的高压变频器市场目前正处于一个高速增长的时期，近几年我国变频器的市场一直保持着12％～15％的增长率，这个速度远远超过了同年度我国GDP增长水平，如果将同期变频器价格下降4％～6％的因素纳入考虑，我国变频器市场的年增长率将近20％。其中高压变频器市场在2005年增长50％以上，2006年仍能保持50％左右的增长速度。我国目前使用高压变频节能的地方连全部需要配备的20％都不到，而发达国家已经达到了80％～90％，说明国内高压变频器市场的潜力还是非常大的。种种迹象表明，我国高压变频器进入了快速成长期。高压变频器的市场增长未来几年即便按照50％左右的增长率，至少在10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。