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电力节能教育部工程研究中心

  电力的可持续发展是确保社会经济持续发展的基石。当前,我国电力生产、输配和利用中的结构性问题非常严峻,以燃煤为主的火力发电在相当长的时期内总量仍将继续增长并占据主导地位,截止2006年底,在发电总装机容量中,火力发电的比例不降反升,超过78%。虽然我国煤炭资源比较丰富,但探明程度仍然较低,远远满足不了近期煤矿建设的需要。另外,尚未利用的储藏量中,86%分布在干旱缺水、远离消费中心的中西部地区,开发运输和利用的难度都很大,我国能源供求矛盾仍将十分尖锐,能源的供需矛盾带来的能源安全问题正在成为国家面临的严峻挑战。为了保障国民经济的持续健康发展,我国电力的生产和供应必须也只能坚持节能为本的原则。

  然而,我国从发电、输配供电直到典型行业(电动机)用电各环节的能耗水平与国际先进水平相比,都存在很大的差距。其中,火力发电的供电煤耗接近370g/kWh,比世界先进水平高22.5%左右;厂用电率也比发达国家高近两个百分点。在配电供电环节,我国的线损大约8.5%,输电线损率比国际先进电力公司高2%到2.5%,一年要多损失电量450亿千瓦时,相当于我国中部地区一个省全年的用电量。电能利用环节上,各种电动机拖动系统消耗了国家全部能耗的大约50%。全国现有各类电机系统总装机容量约4.2亿千瓦,其运行效率比国外先进水平低10~20%,相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。

  可见,电力系统从发电、供配电直到电动机系统用电各个环节的节能潜力都十分巨大。本项目将研究从发电环节、输配供电环节直到典型行业用电环节(电动机)的节能所涉及的关键问题和共性技术,并进一步研究开发、推广先进的节能产品、节能系统。通过多学科交叉融合,进行深入系统的科学研究,加大节能新技术的研发和推广力度,对提升整个电力行业对节能关键技术的自主创新能力具有重要意义。在我国国民经济结构中,工业一直是能源的最大消费者,而电力行业又是整个工业领域四个最大的高能耗行业之一。通过技术进步推动电力节能水平的提高,将对落实科学发展观,建设资源节约型社会起到良好的促进作用。

  电力节能教育部工程研究中心的建设目标是:从火力发电、供配电直到电机系统的各个环节上,紧密围绕我国对电力节能技术的迫切需求,利用学校鲜明的电力行业背景特色,发挥“产、学、研”结合的优势,通过研究开发及技术转化的条件建设,构筑面向电力节能的技术工程能力平台,建立完善的技术持续创新、技术转化和面向行业的技术服务体制及良好的运行机制,建设成为国内领先、具有国际竞争力的电力节能技术研发和技术转化基地。地点在华北电力大学国家大学科技园主楼,建设期限为三年。

  围绕国家“节能为本”的发展战略和我国电力行业的结构调整,针对中长期科技发展战略中对能源利用效率和电能输配中提高效率、降低消耗的重大技术需求,在研发平台、技术转让和社会服务三个层次上规划工程中心未来的主要发展方向:

  (1)建立电力行业节能新技术交流与研发平台

  针对我国电力行业的能源结构特点和机组、电网运行现状和发展趋势,通过多学科的交叉融合,积累具有共性的基础研究条件和设施,具备围绕提高一次能源转换效率、降低电能输配损耗和电力行业关键设备节能降耗的技术革新和新技术研发开展联合攻关的能力。同时,把中心建设成为电力行业内节能新技术和节能技术水平的交流评价平台,为行业节能标准的制定和完善提供依据和技术支持;同时,为电力企业和政府的决策层制定节能政策,开展节能工作起到工程咨询中心的作用。

  (2)建设电力节能关键技术转让的枢纽

  工程研究中心作为从重点实验室到大学科技园组成的大学科研产业链中承上启下的环节,促进节能新技术的产业化,加快技术的转让和在电力行业的应用是实现中心自我造血、良性发展的关键因素。工程中心将面向电力生产和电能输配的具有节能挖潜能力的各个关键环节,进行技术、加工工艺及可靠性测试等工程化技术攻关,开发面向电力行业所需的节能装备,并实施产业化。

  (3)面向电力行业,不断提升中心的社会服务功能

  针对我国火力发电和电网建设中机组种类和电压等级多、运行水平参差不齐、环境、燃料和自然条件变化,大机组不能充分发挥效率等特点,工程中心将根据电力系统的具体和实际情况,通过集成创新、系统开发、新工艺制定和新方案的设计等多种技术途径,把电力系统的节能技术改造和设备状态优化作为重要的发展方向,在平台建设重在开发共性技术的基础上,通过深层次的技术服务和高水平的技术人员培训,有针对性地解决个性问题,促进我国电力行业节能水平和技术人员素质的全面提高。

  建设完成后,将形成由系统集成和共性技术开发平台、关键设备节能新技术研发实验室、技术服务基地以及技术转化基地等构成的完整格局,集技术研发、系统集成、技术转化、技术交流和人才培训等功能于一体的工程研究中心;每年开发电力节能技术成果10~20项,在电站信息监控和节能诊断系统集成、火力发电关键设备和过程节能技术改造、电网技术降损和先进节能电机及节能控制系统的设计研发等各方向的产值都有望接近或达到千万元/年,培养工程技术人员500人次/年,并成为电力节能行业标准制定的重要技术和信息基地。

  工程中心拟解决的关键工程技术问题和当前拟实施的工程化项目主要有:

  (1)研发火电厂节能诊断与优化控制系统。重点研发系统实施所需要的系列关键支撑技术,主要包括:基于多信息元的机组运行状态检测技术;机组运行优化关键技术;火电厂监控信息系统及管控一体化技术、不同类型火电机组能耗评估及节能潜力诊断技术等。随着我国电力建设进度的加快,电网备用容量增加,迫使火电机组处于调峰甚至频繁启停的运行状态;另外,电力市场化促使发电企业减员增效,“竞价上网”的全面实施,对火电厂的优化控制与管理和供电成本实时计算提出了迫切需求。通过优化控制控制与管理,降低发电成本就有可能在竞争中占得先机。目前,无论从技术水平还是外部环境上都已具备条件,研制成功后预计会很快推广应用。

  (2)完成电力节能中关键技术问题的攻关。针对火力发电电能转化过程中的关键高能耗设备和环节,开发电站锅炉高效低污染燃烧技术提高锅炉的效率;通过泵与风机的优化设计和高效运行技术降低厂用电的消耗;利用汽轮机组冷端和回热系统换热器的强化传热技术改善机组冷端的真空及加热器的端差、并在相同的煤耗下增加机组出力,从不同侧面促进机组效率的提高,降低单位发电量的一次能源消耗。在发电机组自动化和机组运行水平日益提高的情况下,通过对电站热力过程深入透彻的机理分析,进行深层次的过程节能新技术研究,是电力系统节能挖潜的必由之路,也是学校利用深厚的理论和技术积淀,开发具有自主知识产权关键节能技术的重要切入点。

  (3)电能输配环节上,进一步完善电网智能规划平台,开展以提高电网供电能力和降低网损为目的的电网规划技术支持工作,通过现状网分析、负荷预测、无功优化、网架规划及其规划网评估,为企业提供网架规划、城市电网改造、技术降损等方面的咨询和技术指导。针对电网的优化运行,根据城市和地区电网的不同特点,推广基于各种策略的电网无功/电压在线控制和线损管理方面的研究成果。

  (4)在电能利用环节上,开展新型节能电机与节能控制系统两方面的研究工作。在新型节能电机方面,首先完成适合油田抽油机的新型(小启动电流高起动性能)稀土永磁电机的研制,完成关键件研制过程中关键工序的加工与装配、调试与现场运行考核,进一步完成优化设计,为大面积推广做准备;在此基础上,进一步研究开发适合电厂6kV等级的新型节能电机。在节能控制系统方面,首先完成抽油机电动机断续供电节能控制系统的中试并争取尽快实现产业化。此外,要建设能进行1kW-1000kW功率范围、低压与10kV及以下电压等级节能电机与电机节能控制系统的满负荷测试基地;同时,还要开发能对现场电机运行状况进行远程能耗测试与分析的远程测试系统。

  在上述四个方向上拟实施的工程化项目,本工程中心掌握的核心技术均处于国内领先水平,具有广阔的目标市场,发展潜力巨大。

  (5)为进一步完善电力行业节能标准提供技术支持;提供开放的行业技术交流环境和一流的节能技术教育培训服务。与电力行业合作开展电力节能高科技产品、材料的研发、试验、示范与推广,并开展电力节能工程评估、标识、设计与改造、运行维护等咨询。将中心建设成为电力行业节能新技术和新成果的交流基地,为制定节能政策和完善行业节能标准提供技术支持。面向电力行业技术人员开展节能新技术、新系统和新方法的培训,全面促进行业节能技术水平和工程技术人员素质的提高。

  电力节能工程研究中心的建设采取由我国七大主要电力集团公司组成的华北电力大学理事会和华北电力大学共建的方式,预计三年内建设总投资达到1900万元。其中,华北电力大学理事会分三年共计投入900万元;华北电力大学“211工程”“十一五”重点建设项目投入400万元;华北电力大学自筹600万元。

  华北电力大学电力节能教育部工程研究中心的组建是基于多年来学校在节能研究方面积累的良好基础。

  华北电力大学是国内最早从事源系统集成优化和电力节能研究的单位之一,在国内一直处于领先地位,是我国节能理论与技术最早的倡导者和推进者。华北电力大学的能源动力学科早在1974年就把火用 分析正式列入教材;1982年在国内首次把现代热经济学写入教材;1985年出版了节能方面最早的专著之一《节能原理》,受到同行专家的高度评价。近年来,又进一步致力于把现代节能理论与生产实践相结合,提出了单耗分析理论,并应用于能量系统的节能降耗、热电联产、余热利用等各个领域。同时,在锅炉燃烧优化、电力系统过程节能、热电联产、节能技术的理论与实践研究方面也处于国内领先水平。在火电机组非线性建模、协调控制系统优化、运行状态检测、能损诊断、发电厂信息化等领域进行了大量的理论与应用研究。华北电力大学与国内专家一起在国际上首次提出的发电厂厂级监控信息系统(SIS)的概念及其实现框架目前已经成为电力行业的新建火力发电机组的标准配置。

  近年来,先后承担国家级重大科研项目以及原电力部和原国家电力公司重大科技攻关项目40余项;九五以来,承担的横向和纵向科研经费超过亿元。其中973项目子课题2项,国家863项目5项,国家自然科学基金项目20余项,电力部和国家电力公司重大科技项目10余项。

  目前,华北电力大学在电力节能研究方向上已经获得国家级和省部级科技进步奖励10余项,包括国家科技进步二等奖1项;中国电力科技进步奖5项;电力部科技进步二等奖一项;其他省部级科技进步奖励4项。出版专著5本。最近3年以来,申请国家发明专利10余项。近期一些主要的省部级以上科技进步奖励项目包括:

  (1)“火电厂厂级运行性能在线诊断及优化控制系统”,中国电力科学技术奖一等奖(2005年);国家科技进步二等奖(2006年)

  (2)“锅炉燃烧室传热、流动和燃烧过程数学模拟方法的研究和应用”,国家科技进步三等奖(1999年)

  (3)“发电设备计算机化维修管理系统和运行与维修智能决策系统的研究”,中国电力科学技术奖二等奖(2005年)

  (4)“600MW‘W’火焰锅炉安全经济环保运行”,中国电力科学技术三等奖(2004年)

  (5)“火力发电厂设备、系统运行节能准确在线分析系统”,中国电力科学技术三等奖(2002年)

  (6)“热(汽)耗系数变换法及其在电厂节能分析与能损诊断中的应用”,北京市科技进步三等奖(2001年)