火電廠電氣設備節能管理的典型技術路線

馬 成

國家能源集團國電電力邯鄲東郊熱電有限責任公司

0 引言

改革開放以來，隨著國民經濟的高速增長，能源的供給成了經濟增長的瓶頸，節能已成為國家經濟發展的一項長遠戰略方針。我國的能源資源雖然豐富，但人均擁有量較低，且年消耗量大，浪費嚴重。長期以來，與發達國家相比，我國燃煤火力發電廠始終存在煤耗高、效率低、環境污染嚴重等問題，因此降低火力發電廠的煤耗，提高效率，降低環境污染處理成本是發電企業的課題。隨著改革的不斷深入，節約能源、促進可持續發展已成為社會進一步發展的根本要求。

本文從火電廠電氣設備節能管理的角度出發，研究設備設計、安裝和運營管理全過程節能技術路線，為其他同類型企業提供參考策略。

1 變壓器節能

變壓器是火電廠配電系統的重要設備，其自身產生有功功率損失和無功功率消耗。它的接線方式、參數選擇對功率消耗影響較大。

1.1 變壓器選擇總體原則

1)主變壓器、聯絡變壓器、起動/備用變壓器、高低壓廠用變壓器應選用高效、低損耗型變壓器。

2)變壓器的鐵芯在設計中應選用高導磁優質冷軋硅鋼片，變壓器的線圈宜采用優質無氧銅線，降低變壓器本身的銅耗、鐵耗。

選用節能型變壓器，可有效降低變壓器損耗。目前大型節能型變壓器的效率可達99.8%，比99.77%效率時減少損耗大于15%；SC-10系列低壓干式節能型變壓器的效率可達99.2%，更高水平的SC-11系列也即將投入批量生產，損耗可降低25%以上。

3)合理選擇變壓器阻抗，在不致引起下級系統設備短路水平提高的情況下，選擇較低的阻抗參數，降低變壓器本身損耗。

4)根據變壓器的容量盡可能選用自然冷卻變壓器，以節約電能和減少變壓器故障幾率。

1.2 變壓器效率和效率特性選擇

根據電機學原理，變壓器的損耗主要有空載損耗和負載損耗兩部分。

變壓器的空載損耗不隨負載變化而變化，與變壓器的選型有關；變壓器的負載損耗隨負載的大小而變化，在確定變壓器容量和運行方式時應加以注意。

1.3 主變壓器安裝布置方式

1)合理確定主變容量和布置方式

根據《DL5000-2000火力發電廠設計技術規程》13.1.5條指出主變容量“可按發電機的最大連續容量扣除一臺廠用工作變的計算負荷和變壓器繞組的平均溫升在標準環境溫度或冷卻水溫下不超過65℃的條件進行選擇”。發電機的容量是根據汽輪機的容量確定的，其最大連續容量和額定容量之間一般相差約5%，即：主變在額定工況下的負載系數β為0.95[1]。

2)300 MW級機組單元連接的主變壓器，采用三相變壓器。

3)主變應布置在主廠房外靠近發電機出線的區域，盡可能減少封閉母線的長度。

1.4 高壓廠用變壓器（起/備變）布置方式

1）高壓廠用變壓器（起/備變）在選擇容量時，應合理分配負荷，并在此基礎上合理選擇變壓器容量和臺數。

《DLT5153-2014火力發電廠的廠用電設計技術規程5.1.1條指出：“選擇廠用電源容量時，應按機組的輔機可能出現的最大運行方式計算”。在選擇廠用變壓器容量時，應與工藝專業相配合，了解工藝專業的系統運行方式，排除不可能出現的運行方式，以計算高壓廠用變壓器的容量[2]。

2）對于分裂式繞組變壓器，分裂繞組的負荷應盡量保持平衡，使變壓器正常運行時處于最佳經濟負載狀態。盡量避免分裂變的兩個分裂繞組并聯運行，以免產生環流能。

3）高壓廠用變壓器（起/備變）應盡可能布置在距高壓廠用配電裝置附近，與高壓廠用配電裝置的連接宜采用共箱母線或離相小母線。

1.5 低壓廠用變壓器的布置方式

1)選擇變壓器接線組別時，應選用一側星形、一側三角形接線，減少三次諧波污染引起的損耗及功率因數的降低。

2)優先采用成對配置、互為備用方式。低壓動力中心變壓器采用成對配置，互為（暗）備用方式，正常運行時2臺變壓器各帶約45%的負荷（廠規規定低壓廠變的容量宜留有10%的裕度），為經濟負載系數。

3)合理進行負荷分配，在此基礎上合理選擇變壓器容量和臺數，使變壓器正常運行處于最佳經濟負載狀態。變壓器的三相負載力求平衡，不平衡運行不僅降低出力，而且增加損耗。

4)盡量避免變壓器重載運行。變壓器負載系數大于0.8時稱為重載運行變壓器，重載運行變壓器會導致溫度升高，加速絕緣老化，損耗急劇增加。對采用專用備用方式配置的變壓器，當負載系數大于0.8時，應放大一級容量選擇變壓器。當負荷系數小于0.3時，應予以調整或更換。

5)干式變柜要與低壓動力中心PC段同列毗鄰布置，以減少連接變壓器與開關柜的母線。

6)由于氣體放電燈、熒光燈等功率因數低，故照明變壓器選用有載調壓變壓器。

7)高壓廠用配電裝置及低壓動力中心應布置在負荷中心附近。

2 電動機節能

2.1 電動機的選擇原則

電動機應選用高效節能型產品，電動機的效率應不小于98%，功率因數應大于0.85。高效電機和超高效電機的效率分別比普通電機高3%和5%，成本分別比普通電機高20%和50%左右。隨著電機技術和新工藝新技術的應用，最新研發的稀土永磁電機的效率可以提高10%以上。

目前電廠已普遍采用Y系列節能電動機，是J系列的換代產品，其平均效率約提高0.5%，轉矩和功率因數均有所提高。最新生產的YX，Y3系列高效三相異步電動機的加權平均效率比Y系列電動機高3%～5%。雖然其價格高20%左右，但運行時間超過3 000 h/a時，節電費用在三年內可以回收多投入的投資，應加以推廣。

電動機為發電廠的主要耗能設備，在選擇電動機額定功率時根據泵、風機等設備的軸功率選擇合適的系數，盡量減少裕量，從而降低能耗指標。此外在選用電動機時，優先選用高效節能型電動機，表1為Y系列電動機節能型產品與常規產品的技術參數對比表。

2.2 合理確定電動機的負載系數

一般電動機的負載系數在0.75～1.0時效率最高，當電動機的負載系數小于0.5時，效率下降非常明顯，應盡量避免。

對生產中經常處于輕載運行的電動機，可將三角形接法的電動機改為星形接法，節電效果明顯。資料表明，負載系數為0.1～0.3的電動機，改接后效率可提高4%～27%，負載系數越低，效果越明顯。主要原因是改接后，電動機的許用功率為銘牌功率的40%左右，相當于提高了負載系數。

2.3 采用變頻節能技術

為了提高運行的經濟性，對負荷變化較大的電動機經技術經濟比較可采用變頻調速電動機。如凝結水泵、一次風機、熱網疏水泵、循環水泵等可采用變頻調速電動機。

在邯鄲東郊熱電廠的高壓電機中，凝結水泵配高壓變頻器，經計算兩臺機組每年可節省電費約96.36萬元，節能效果明顯。對于低壓電機，在需要較大范圍調節時，如沖洗水泵、供油泵等，優先考慮變頻調節，可以節省較多電能，同時獲得較好的綜合性能。

電廠中有大量的風機和泵類機械，風機、水泵的流量隨機組的運行工況和燃料品質而變化，有時變化幅度很大。根據風機、水泵的壓頭（揚程）—流量特性，采取變頻調速裝置實現變速變流量控制，是節電的有效措施之一。

扣除變頻器的損耗和由于電動機轉速降低而引起的效率降低合計約6%，功率仍降低41%左右，可見采用變頻調速節電效果顯著。變頻調速技術的另一個優點是可以將功率因數提高到0.9以上，使變壓器和供電線路節能。

變頻調速技術適用于經常連續運行的電動機（年運行時間大于3 000 h）；適用于流量變化幅度較大的電動機。

3 除塵器系統高頻電源節能措施

每臺鍋爐配置兩臺電袋復合型除塵器。電袋復合型除塵器是電除塵器與布袋除塵器的組合。它充分發揮電除塵器和布袋除塵器各自的除塵優勢，以及兩者相結合產生新的性能優點，彌補了電除塵器和布袋除塵器的除塵缺點。該復合型除塵器具有除塵效率穩定高效、濾袋阻力低壽命長、運行維護費用低、占地面積小等優點。靜電除塵器采用高頻電源可較大地降低電源能耗。

3.1 電除塵器高頻電源

電除塵高頻電源采用現代電力電子技術，通過工頻交流—直流—高頻交流—高頻脈動直流的能量轉變形式，供給電場一系列的電流脈沖（脈沖寬度在5～20μs），從而提高了煙塵的荷電量，提高了除塵效率。同時，在煙塵帶有足夠電荷的前提下，盡量減少無效的電場電離，從而大幅度減少電除塵器電場供電能量損耗。在電能轉換效率上，工頻電源約為70%，而高頻電源大于90%。高頻電源采用間隙供電方式，在高煙塵比電阻，既能克服“反電暈”的特殊現象，提高除塵效率，又能大幅節約能源[3]。

3.2 經濟性評價

依據邯鄲東郊熱電公司電除塵器運行報告，在采用設計煤種，安裝高頻電源后，在保證除塵效率能夠滿足排放標準和脫硫設備運行要求的情況下，節約電除塵能耗大于70%。按每臺鍋爐配置兩臺電袋除塵器，每臺電袋除塵器配置4臺66 kW整流變壓器，年可用小時數按5 000 h計算，全年兩臺爐可以節省電能約3 696 000 kWh，按成本電價0.262元/kWh計算，每年可節約電費大于97萬元（按照上網電價0.438元/kWh計算，每年可節約電費161萬元以上）。按單套高頻電源比單套工頻電源多投入12萬元，兩臺爐采用高頻電源需一次多投入192萬元，兩年可收回投資。

4 三維模擬電纜敷設及橋架安裝

在工程建設期，采購電纜前，首先在計算機上對電纜的敷設路徑進行三維模擬敷設（見圖1），對電纜的長度、電纜通道斷面進行二次校核，確定出最優路徑和長度，提供優化后的電纜清冊。依次對采購的電纜進行組盤，形成電纜訂單發給生產廠。電纜生產實現“定尺定盤”，即定位置、定路徑、定尺寸、定盤數，確保每一盤電纜上清晰地標明了包含的電纜根數和電纜長度。同時，在敷設中對電纜變化的過程跟蹤，及時調整電纜長度和通道斷面數據，填報電纜敷設清冊[4-5]。

通過“三維模擬，定尺定盤”，控制了電纜供應中的“跳碼、短碼”問題，同時有效控制了施工過程中電纜的浪費現象。

在邯鄲東郊熱電項目建設中，電纜的設計長度為1 365 736 m，優化后為1 284 121 m，優化量達到259 547 m。電纜橋架優化后實際使用量為1 169.4 t，優化量達到278.6 t。另外，經過此過程儲備了全廠設備位置、電纜敷設長度的大量數據，為生產期留下了寶貴的數據財富。

5 采用高效節能永磁同步電動機

區別于常規異步電動機，邯鄲東郊熱電廠的輸煤皮帶使用了高效節能永磁同步電動機，永磁電機構造圖見圖2。其最大的特征在于電動機轉子為永磁體，通過永磁體來建立磁場。此特性決定了電動機為定子轉子轉速相同（同步），同時節省了常規電動機中轉子的銅損耗和鐵損耗。在對永磁電機的控制上還更進了一步，與變頻器配合，實現PID反饋全矢量控制，精準調速。通過一根旋變線將電機的實際轉速實時反饋給變頻器，變頻器根據指令與反饋的情況進行協調控制，實現轉矩和速度調節，最終達到精準調速[6]。除此之外，應用永磁電機有以下優勢：

1）可以滿足輸煤皮帶重載啟動的要求（異步電機啟動轉矩小，需要電機容量大）。

2）不需要減速箱，直接驅動皮帶。可用低速電機，可靠性高，基本實現免維護。

3）在變頻驅動情況下可實現低速大轉矩，平穩起停，能實現過載起動。

4）轉子無電阻損耗。定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。永磁同步電機的功率因數接近于1。

5）永磁同步電機皮帶驅動系統，采用軟啟動技術，具有小電流、緩加速、大轉矩輸出等特點。確保皮帶不打滑，減小張力，保護設備。

圖2 永磁電機構造圖

6 全廠大范圍使用現場總線技術

所謂全廠現場總線，即整個火電生產系統內包括主機和輔助車間（化水、脫硫、脫硝、尿素、燃料等）范圍內，除DEH、MEH、ETS、METS、BPS、FSSS、TSI、爐膛壁溫及6 kV電壓等級以上的電氣系統采用硬接線控制方式外，其他系統均采用總線控制。總線設備類型包含了變送器、電動執行機構、氣動執行機構、分析儀表、熱電偶阻、380 V電機保護器、綜合測控裝置等。各類現場總線儀表及監控總線覆蓋率達95%左右，使用總線技術的智能終端達到2 307臺，其中PA設備927臺、DP設備1 380臺。

6.1 系統介紹

總線系統的組織架構由管理層、設備監控層、現場層三個層級組成（見圖3）。管理層是現場總線控制系統的人機交互口，負責系統組態、監控、參數設定以及報警顯示、記錄和故障診斷等。典型構成有操作員站和工程師站。設備監控層由DPU控制柜（內含有一對冗余總線控制PB卡）和分布在現場的就地控制柜組成，就地控制柜包含光電轉換器、冗余/單路轉換器（Y-Link），Profibus DP/PA轉換器（耦合器）、終端電阻、中繼器、電源模塊、DP/PA電纜等。現場層由智能終端設備如馬達保護器、變頻器、智能電動閥門、就地儀表等組成[7-8]。

大范圍使用現場總線后，提高了火電廠的數字化水平，實現了信息的環聯互通、資源共享。同時也具備了設備的遠程診斷、自分析功能。

圖3 現場總線網絡架構圖

6.2 使用效果評價

1）后期擴容較為便捷。總線設備接線簡單，通過一對DP或PA電纜可“掛接”多個就地設備，可節約大量控制電纜，減少電纜的安裝接線工程量。當后期需要增加新設備時，無需重新敷設電纜，可就近連接在原有的總線電纜上即可。

2）系統自行診斷，增強設備維護管理水平。現場總線系統采用全數字化技術，終端智能現場裝置可發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且具備檢測信息差錯的功能。因此，可對現場裝置進行遠方診斷、維護和組態，此優越性是DCS系統無法比擬的。

3）全數字化通信，實現快速準確響應。DCS系統的信息全都由二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換。而總線系統是全數字化，免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。

7 結論

本文以火電廠實際案例為依據，從火電廠建設運營的多個維度提出了六種目前應用較廣泛的電氣節能措施。通過一系列的節能措施，大幅降低火電企業自身的廠用電率，響應國家提出的節能減排政策。下一步需將節能技術與“大數據”“人工智能”進行結合，在更深層次挖掘火電企業管理中的節能優化方案，為實現“碳達峰”和“碳中和”貢獻力量。