电力行业From power to energy systems

首发于同学的微信公众号:跨行业俱乐部

不少学电气的人坐火车时有一个习惯:喜欢观察路边各种形状的输电杆塔,还看得饶有趣味,也许还在回忆曾经的学习所得。输电杆塔是电力行业的一种典型符号,谈起电力不知道小伙伴们会联想到什么呢?钢铁般的冰冷,高压的危险,行业的垄断,或者煤电的污染?

这是一个很有意思的问题。那么实际上电力行业是什么样的呢?我试着从一个电气工程师的角度聊聊自己对电力行业的了解,也是抛砖引玉。

电力是最重要的基础设施之一,电力支撑着工业生产、交通运输、日常生活的方方面面,提供着社会重要的能源动力,任何一次大停电事故都会给社会带来巨大的损失。中国的电力系统在世界范围内都是先进的,之所以电力系统能够如此稳定、高效地运行,得益于诸多高科技的应用。倘若可能够亲历百万规模火电厂的建设、核电厂的运营、特高压交直流工程的建设、或者是电力系统的调度与控制,肯定会被电力系统的复杂与先进所震撼,为人类的科技、智慧所折服。可以说电力行业是一个国家工业综合实力的体现之一。

> 随便说说

从电能流向来说,电力行业可以分为发电、输电、变电、配电、用电。
发电是把其他形式的能源转化为电能的过程,常见的有火电(煤炭、天然气)、水电、核电、风电、光伏等。在2016年,我国火电装机容量占64%,仍然是我国的主力能源。火电的基本过程是烧开水后用水蒸气推动叶片做功来发电,只不过蒸汽是高温高压,对容器、管道、设备、水质有很高的要求,由此涉及很多配套的技术。火电厂根据作用不同,可以分为纯凝型、调峰型和热电联产型电厂。纯凝电厂只发电;热电联产电厂除了发电外还需要供热,供热可以是居民采暖的热源,也可以是工业生产用的热源;调峰电厂要求能够对负荷变化快速响应,一般为燃气电厂。水电主要集中在西南地区,通过特高压输送到东部沿海或广东等经济发达地区。核电的建设周期很长,考虑到冷却和安全问题,核电主要分布在沿海地区,发电量大且稳定。风电、光伏等近几年发展迅速,是能源结构转型的方向。
输电、配电是传输电能的环节。电能有一个属性是电压,为了制造和设计的便利,国家标准规定了若干电压等级,电压就从这些电压等级中选取,如380V、10kV、110kV、220kV、500kV等。一般来说,110kV以上电压等级属于输电范畴,110kV及以下属于配电。电能通过架空导线或者电缆传输。我们日常在路边见到的高压电线离地面很高,一般不会有危险,但是要注意并不是说不碰电线就没事儿了。当人或者其他接地体离带电导线的距离小于某个值时,高压电会击穿空气,通过接地体发生对地短路。曾经有吊车在高压电线下面施工,起吊臂升的太高,虽然没有碰到电线,但离电线距离太近,仍然发生对地短路,引发安全事故。
变电是对电能进行变换(电压变换、交直流变换等)和分配的场所。一般来说,电压越高,传输电能损耗越少;但是电压太高,用电设备使用不了。所以需要变电站来进行电压等级的变换。变压器和各种开关是变电站里的主要设备。此外,变电站还有各种形式的传感器、继电保护装置,对电能传输起到分配、控制、保护的作用。附录中有2个链接,可以看看变电站里的三维漫游,可以近距离体验变电站的场景。变电站是电网中的重要节点,尤其在特高压工程中包含了大量核心技术、核心装备,比如换流变、换流阀、特高压绝缘套管、大型变压器、断路器等等,还有更多看不见的控制、保护装置,是投资很大的工程。

电力系统之所以能安全可靠稳定运行,除了上面说到的这些看得见的设备支持以外,还离不开调度控制系统、继电保护等软件的支持,测量、监测、控制、保护等等功能都需要实现。对电力系统的控制体现在对发电机的控制、对各处断路器的控制、对线路上电容、电抗等设备的控制。这里涉及到诸多理论、模型、参数整定,是电力行业的一大核心技术所在。

上面按照电能流向对电力行业进行分类。另一方面,电力行业属于基础设施行业,从电力工程的建造运行过程来看,分为电力工程的规划管理、设计、设备生产、建设和运营等方面。

电力设计院主要负责电力工程的规划设计,包括技术方案选择、设备选型及参数制定、系统集成等工作,这些工作主要体现在报告及图纸中,涉及到与诸多设备厂家、政府部门等沟通协调工作。目前电力设计是终身负责制,工程师需要对自己设计的图纸终身负责,关键问题容不得一点马虎。2011年,很多电力设计院从电网公司分离出来,加入了新成立的中国能源建设集团和中国电力建设集团。这两大央企主要负责电力工程的设计施工,业务涵盖火电、水电、电网、新能源等领域。

电力行业的规划和审批、一些电力标准的制定、各类电价的核算等一般由政府部门牵头完成,如国家能源局、发改委等,电规总院也在其中扮演着重要的角色。电力规划是一项与技术、政策密切相关的工作,需要根据国家产业发展规划,预测不同阶段用电负荷分布,结合能源结构调整等需求进行规划。

电力行业的设备供应商覆盖面非常广,如常规的“三大主机”(汽机、锅炉、发电机),变压器、断路器、开关柜等等。电力系统的控制系统、测量装置、保护装置也是重要的电力设备。规模较大的设备厂商如上海电气、东方电气、哈尔滨电气、特变电工、许继电气、南瑞集团、平高电气、西电集团等等。火电、核电相关的设备厂商就更多了。附录中有一段介绍开关柜结构的视频,开关柜是类似于一个微型的变电站配电装置,对电能进行测量、控制、分配、保护,保证用电设备及回路的安全运行,其中体现了很多工程师的智慧与灵巧的设计,有兴趣也可以看看。

电力系统资产主要归属发电公司、电网公司,其中绝大多数企业都是大型垄断国企。电网公司主要是国家电网、南方电网,南方电网的业务主要在广东、广西、云南、贵州、海南五省,南网成立时定位是电改试验田,在电改过程中步子更大。电力工程建好投运后,由这些企业负责运营维护,安全生产是运维的重中之重,有很多规程、措施需要学习并严格遵守,其中不少都有血的教训。跑现场的工人都很辛苦,风险也很大,他们都挺不容易的。

现在国内的电力建设高峰期基本过去。随着中国经济进入新常态,社会用电量逐渐降低,发电厂的平均利用小时数也逐步走低。2016年11月国家发布《电力发展“十三五”规划》,规划了新形势下的电力行业发展目标及方向,同时国家推行“一带一路”发展战略,鼓励在一带一路国家进行电力投资及工程建设,电力行业正面临诸多机会和挑战。

> 热点和趋势

电力行业涉及到热力、机械、材料、电气、信息等诸多技术专业,每一个细分领域都有各自的热点及创新思路。电力属于传统行业,它诞生有100多年了,然而电力行业在不断利用传统技术与新兴技术寻求改进与突破。下面简单举例介绍当前的一些热点。

1. 数字化电力工程

传统的电力工程设计依赖于CAD平面图纸,对于三维空间里的布置考虑不周全、工程材料估计不准确,影响工程效益,工程投运后的培训展示也不直观。当前电力行业正在推行数字化电厂、数字化变电站和输电线路数字化等工作,可以算智能电网、智慧电厂的一个体现。在电力工程的设计阶段就建立三维数字模型(像3D游戏里的那种),在三维数字化平台中进行工程设计及配合,并加入各个设备的编码、参数等数据统一维护。

这样使得工程设计方案更合理、工程材料量更准确、建设效率更高。设计院把设计成品以三维模型加设计数据库的方式交付给业主。业主利用三维模型及设计数据库信息辅助运维,利用AR等技术进行沉浸式培训或者演练,提高员工的安全意识及应对事故的能力,提高企业的生产效率和管理能力,并实现所有电力设备的全生命周期数据管理。这样,AR+3D+大数据+互联网等诸多新技术为电力工程的数字化、信息化、智能化提供支持。

2. 清洁能源

2015年11月,中国政府在巴黎气候变化大会上承诺2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%至65%。除了中国政府对碳排放的承诺之外,国内近年频现的雾霾也为发展清洁能源提供了动力。国内发电以火电为主,而火电又以燃煤发电为主。煤炭的集中利用便于污染物的集中治理,当前大型煤电机组都配备了脱硫脱硝除尘等环保装备,能尽量降低污染物排放。还有发电企业建设了一批近零排放的煤电机组,污染物排放水平甚至优于天然气发电的相关标准。然而这些环保改造投资较大,在当前电力产能过剩的大环境下投资不一定经济。随着前些年石油天然气价格的下降,在经济发达地区新建了一批燃气发电的电厂,天然气发电更为清洁,对环境更友好,对负荷响应更为迅速,适合调频调峰。燃气电厂发展的阻碍主要是投资成本以及天然气价格,发电用的大型燃气轮机仍不能国产化,被三菱、GE、西门子等外企垄断,使得初期投资和维护费用高昂。当前国家正投入大量的人力财力解决燃气轮机国产化的问题,上海电气收购的意大利公司安萨尔多的燃机产品带来了燃机国产化的希望。同时随着四川盆地的页岩气、南海可燃冰开采技术取得进展,未来天然气价格可能进一步降低,燃气电厂未来还有不小的发展空间,会成为清洁能源的重要部分。

另一方面,风电、光伏等可再生能源也有很大优势。中国的新能源主要分布在西部地区,采用集中发电的方式。西部地区大量的新能源发电通过建设的特高压输电线路输送到东部负荷中心。之前新能源出现很多弃风弃光的现象,有多方面的原因。一个原因是新能源为大规模集中发电,而输电线路送出容量有限,如果发出太多的电就送不出来,同时也不能就地用掉。由于电能不能储存,不能用电,也就不能发电,就出现了弃风弃光的现象。另一个原因是新能源发电不稳定,电能质量不够好,尤其是在新能源发电量占当地电网用电量比例较大的情况下,新能源发电的波动性及其相应的电力电子并网装置对电网的稳定及控制带来了不利的影响,电网接收新能源的比例有限。还有一个原因是国家对新能源的不少补贴没有到位,投资新能源有时还带来亏损,发电厂自然不愿意多发电。

解决这些问题需要从技术和政策等多方面着手。技术上可以提高特高压输电线路容量,可以尝试新能源就地消纳,在西部新能源富裕地区发展高耗能产业,或者利用电能产生氢气,参与储能或者作为化工行业的原料。可以尝试增加储能环节,采用风光储联合的方式,使得电能质量更加稳定优质。可以尝试对煤电机组进行灵活性改造,使其能够深度调峰,为新能源带来更大的发电空间。应当注意的是,在解决问题时应实事求是的评估技术的经济价值,如果投资太大不经济就不应着急建设。政策上除了补贴还有其他诸多手段可以尝试,比如附录中提供了利用配额制和绿证制的方式来鼓励新能源的发展。

风电和光伏在世界上已经得到了广泛的应用,工程师正在努力提高它们的发电效率、系统可靠性,努力用技术手段解决新能源大规模并网的问题。这是技术密集型产业,有很多创新等待去实现。

除了陆地上的风电、光伏之外,还有光热发电、海上风电、地热发电等很多清洁能源,它们都在工程推广的过程中。封面的图片就是美国的一处塔式光热发电的场景,还是很壮观的吧~

3. 能源互联网

电力是能源的一种形式,传统的电力系统可以进一步扩展成为能源互联网。传统的电力系统加入微电网、分布式能源等概念,电力系统与热力系统、储能系统、甚至氢气天然气等系统结合,利用互联网、信息技术,构造更为庞大的能源互联网。附录中有关于能源互联网的进一步介绍。能源互联网中有很多组成模块,比如热电冷三联供的分布式能源是一个适用于建筑群、社区、城市工业园区、特色小镇等场景的能源方案,在发电的同时可以供热与制冷,电能可以双向流动。储能可以采用电池储能、空气储能、热力储能,在电动汽车广泛应用后,电动汽车充电站的大规模电池也可以作为储能调节的手段。储能可以是集中式,可以是分布式,也可以像计算资源一样,实现云储能。可以感受到,能源互联网是一个复杂系统,是利用互联网技术和信息技术改造传统行业的典型,有诸多技术问题正在研究解决。

4. 电力建设

电力作为一项重要的基础设施,在国家推行的“一带一路”战略中扮演着重要的角色。中国电力企业在走出去的过程中,伴随的是中国的电力设备、电力标准、电力技术的走出去。一带一路除了给技术、工程带来需求和机遇之外,还对国际工程所需的法律、财务、金融、并购、投资、项目管理等人才产生巨大的需求。电力投资、电力建设不仅要走出去,参与“一带一路”,还要能够树立中国品牌,能够与合作伙伴实现共赢,这是很大的挑战和机遇。
上面只是很粗浅的提了几个领域,电力行业的热点还有很多。“+互联网”,”工业4.0″,“智能电网”等等概念还有很多体现。有抱负的学者和工程师正在努力创新,从自己的特长和优势出发,逐步实现理论创新、工程创新、产品创新。

> 一点感悟

每一个行业有初创期、成长期、成熟期、衰退期等几个阶段。当行业处于初创期及成长期时有大量技术问题需要解决,企业会投入大量的人力财力在技术研发上。这样对技术人员而言,得到的锻炼多、成长快,待遇一般也比较丰厚。而当行业处于成熟期和衰退期时,有些企业对研发创新的需求可能没那么大,技术人员的话语权减少,企业更多的重心是营销、运营。因此,如果有志于技术工作,最好能选择一处有发展空间的细分领域去尝试创新,学以致用。

当前很多简单的事情都被人做完了,若是能做出一些成绩,要么是能力过硬、基础扎实,啃得动硬骨头;要么是眼光好、运气好,发现别人没有发现的肉。不管怎样,都需要踏实积累,勤奋思考。

> 进一步了解

1. 电力行业的一些微信公众号

  • 能见
  • 中国能源报
  • 北极星电力网
  • NE电气
  • 电建技术

2. 电气专业的基础课

  • 电力系统分析
  • 高电压工程
  • 电力电子学
  • 电机学
  • 输配电工程
  • etc

​一个行业很难通过只看几篇文章就能了解,这篇文章只是泛泛而谈,以期给读者对电力行业有朦胧的印象。如果对这个行业有兴趣,可以通过推荐的公众号或者文中的关键词搜索进一步了解。本文时间仓促,由于本人学识经历所限,文中多有错误、不当之处,欢迎小伙伴们批评指教~~

> 附录:

1. 金华换流站检修现场的三维漫游

2. 某220kV变电站的三维漫游

3. 开关柜内部结构动画介绍

4. 网络战 -乌克兰发电厂被黑客袭击导致断电

5. 配额制与绿证制解决新能源问题

6. 曾嵘教授《中国能源转型与能源互联网实践》

END

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