淺談更換除塵電源的技術經(jīng)濟合理性

李國玉，孫淮浦

（上海激光電源設備有限責任公司，上海 201821）

節(jié)能是我國可持續(xù)發(fā)展的一項長遠發(fā)展戰(zhàn)略，是我國的基本國策。電除塵電源是電除塵系統(tǒng)中的核心裝置，為電除塵提供高壓電場。高頻恒流高壓直流電源是慣性約束核聚變能源系統(tǒng)中的核心單元技術之一，由上海激光電源設備有限責任公司2008年研發(fā)，2010年用于慣性約束核聚變項目，并在2013年用于靜電除塵器。采用高頻恒流高壓直流電源替換傳統(tǒng)的單相可控硅電源必然會帶來有功電量和無功電量的節(jié)約，但需要增加投資。因此存在著增加投資回收年限問題，是否值得更換新電源，在技術經(jīng)濟上是否合理。本文從電源運行經(jīng)濟性上分析更換新電源是合理的[1]。

1 高頻恒流高壓直流電源與單相可控硅電源的區(qū)別

如圖1所示，可控硅電源主要是通過兩個反向并聯(lián)的可控硅控制高壓整流變壓器一次側電壓，整流變壓器將該電壓升壓后經(jīng)高壓硅堆整流得到所要求的直流電壓。

圖1 單相可控硅電源系統(tǒng)框圖

如圖2所示，高頻恒流高壓直流電源由工頻三相交流電輸入，經(jīng)三相整流橋變?yōu)閮上嚯妷涸矗俳?jīng)過逆變器逆變成為高頻交流電壓源，通過恒流組件進行V/I轉換把高頻交流電壓源轉化為近似正弦的高頻交流電流源，再經(jīng)升壓變壓器將高頻交流電流源轉化為高頻高壓交流電流源，最后整流輸出為高頻恒流高壓直流電源。

圖2 高頻恒流高壓直流電源系統(tǒng)框圖

由于高頻恒流高壓直流電源變壓器鐵芯采用的是二代納米晶，單相可控硅電源變壓器鐵芯采用的是硅鋼片，傳統(tǒng)的硅鋼片不僅損耗大，而且飽和磁感應值較低，鐵芯的體積和重量較大，鐵損較大[2]。變壓器的鐵損為：

式中：P0——變壓器的鐵損，W；

KC——工藝系數(shù)；

PC——鐵芯材料的單位損耗；

GC——鐵芯質(zhì)量，kg。

同樣72kV/1.2A的鐵芯，工頻變壓器使用的鐵芯的質(zhì)量是高頻變壓器的15倍左右，因此高頻變壓器的鐵損遠遠小于工頻變壓器的鐵損。

納米晶鐵芯磁導率相比硅鋼片高很多，是鐵氧體的10倍以上，所需激磁功率降低，減少了高壓包和低壓包的匝數(shù)，減少了所用銅線的長度和質(zhì)量，降低了銅線的電阻值，因此降低了變壓器的銅損，而銅損占了變壓器總損耗的70%左右，變壓器銅損為：

式中：Pcu——變壓器的銅損，W；

I——運行電流；

R——銅線阻值。

從上面可以看出，變壓器使用納米晶材料，大大降低了變壓器的損耗。

下面則通過電源短路損耗和開路損耗說明兩種電源的能耗對比。

2 兩種電源的能耗對比

在分析電源損耗時，常用空載試驗時視在功率S0和短路試驗時視在功率SK反應電源的能耗。電源在空載時輸入的視在功率S0為：

式中：S0——視在功率，kVA；

I0%——空載電流百分比；

SN——變壓器額定容量，kVA。

如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，可控硅電源的空載損耗S0=10*72kV*1.2A*10-2=8.64kVA。

高頻恒流高壓直流電源空載電流百分比為5左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，高頻恒流高壓直流的空載損耗S0=5*72kV*1.2A*10-2=4.32kVA。

電源在短路時輸入的視在功率Sk為：

式中：Sk——變壓器在斷路試驗時的視在功率，kVA；

Uk——短路電壓百分比；

SN——變壓器額定容量，kVA。

可控硅電源短路電壓百分比為15左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，可控硅電源的短路損耗Sk=15*72kV*1.2A*10-2=12.96kVA。

高頻恒流高壓直流電源短路電壓百分比為8左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，高頻恒流高壓直流電源電源的短路損耗Sk=8*72kV*1.2A*10-2=6.91kVA。

電源在實際的運行過程中，損耗為短路損耗和空載損耗之和，空載損耗一直存在[3-6]，且基本保持不變，而短路損耗與電源負載率有關，如果負載率按70%，短路損耗與負載率的平方成正比，則單臺電源1小時節(jié)能如表1。

表1 單臺電源1小時節(jié)能

3 電源的回收年限

更新高頻恒流高壓直流電源可以節(jié)省有功電量和無功電量，但是增加了投資。因此存在著需多少年才能收回更換電源的費用。電源也并不是損壞后才需要更新，而是電源使用到一定年限后，即使有一定剩余價值時也可以更新。電源的使用年限一般按照20年計算，隨著電源運行年限的增長，電源的剩余價值計算如下：

式中：WJ——舊電源剩值，萬元；

ZJ——舊電源的投資，萬元；

Cn%——折舊率，%；

TY——運行年限，年。

如果此臺單相可控硅電源已經(jīng)運行了10年，此臺電源初始投資10萬元，則舊電源剩余價值如下：WJ=10-10×5×10×10-2=5萬。

更換新電源后，回收年限計算如下：

式中：TB——電源回收年限，年；

Zn——新電源購價，萬元；

Gd——每年節(jié)約電費，萬元；

GJ——舊電源殘余價值，可取原購價的10%。

如果新的高頻恒流高壓直流電源投資為15萬元，而舊電源剩余價值為5萬元，舊電源殘余價值為1萬元，工業(yè)用電電費按照1元/kVA，則每年節(jié)約電費為63948×1=63948元，約為6.4萬元。則電源回收年限。

根據(jù)鋼鐵企業(yè)電力設計手冊，一般建議，當計算的回收年限小于5年時，電源應立即更新為宜，而經(jīng)過計算對于用了10年的單相可控硅電源，更新電源的回收年限僅為3年，因此直接更換新電源為宜。

河北武安某鋼鐵廠，某臺燒結機，單室三電場，電源規(guī)格為80kV/1300mA，以第二電場運行數(shù)據(jù)為例，實際回收年限如表2。

表2 單臺電源回收

根據(jù)實際運行參數(shù)，運行10年的單相可控硅電源被更換后，一臺新的高頻恒流高壓直流電源的投資3.1年可以回收，與理論計算基本一致。

4 結語

我國是能源資源嚴重短缺的國家，節(jié)約資源是我國的基本國策，使用高頻恒流高壓直流電源代替使用時間較長的單相可控硅電源對于國家來說節(jié)約了能源，對于企業(yè)來說節(jié)省了成本。經(jīng)過分析，使用了10年的單相可控硅電源宜更換為高頻恒流高壓直流電源。按照上述計算方法，即使剛使用一年的單相可控硅電源更換為高頻恒流高壓直流電源3.6年也可以收回成本，因此在用的單相可控硅電源宜更新為高頻恒流高壓直流電源。