火電機組勵磁系統(tǒng)電能消耗對發(fā)電煤耗指標(biāo)計算的影響分析

摘要：勵磁系統(tǒng)為同步發(fā)電機提供磁場電流，是同步發(fā)電機的重要組成部分。實際工作中發(fā)現(xiàn)，在計算火電機組的發(fā)電煤耗指標(biāo)時，都不考慮勵磁系統(tǒng)的電能消耗影響，因此根據(jù)勵磁系統(tǒng)的不同種類，分別就勵磁系統(tǒng)用電量對火電機組發(fā)電煤耗指標(biāo)計算的影響進行了分析，希望能使核算更加準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：火電；勵磁系統(tǒng)；發(fā)電煤耗；節(jié)能

引言

勵磁系統(tǒng)是提供同步發(fā)電機磁場電流的裝置，是同步發(fā)電機的重要組成部分。勵磁系統(tǒng)的運行也要消耗一部分的電能，因此需要分析研究該部分電能的統(tǒng)計情況是否會對機組的發(fā)電煤耗計算產(chǎn)生影響，助力節(jié)能降耗目標(biāo)更好地實現(xiàn)。

1 常用的勵磁系統(tǒng)種類

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要分為勵磁機勵磁系統(tǒng)和靜止勵磁系統(tǒng)[1]。其中，勵磁機勵磁系統(tǒng)是指使用勵磁機勵磁功率單元的勵磁系統(tǒng)，一般有直流勵磁機勵磁系統(tǒng)、交流勵磁機勵磁系統(tǒng)和無刷勵磁系統(tǒng)；靜止勵磁系統(tǒng)是指使用靜止勵磁功率單元的勵磁系統(tǒng)，主要采用變壓器或變流器作為交流勵磁電源，勵磁變壓器或變流器接在發(fā)電機出口或廠用電母線上，有自并勵勵磁系統(tǒng)、復(fù)勵-可控整流勵磁系統(tǒng)等方式。隨著火力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前工程中常用的勵磁系統(tǒng)主要有交流勵磁機勵磁系統(tǒng)、無刷勵磁系統(tǒng)和自并勵勵磁系統(tǒng)，本文主要就這3種常用勵磁系統(tǒng)進行分析。

1.1交流勵磁機勵磁系統(tǒng)

交流勵磁系統(tǒng)采用與主機同軸的交流發(fā)電機作為交流勵磁電源，經(jīng)硅整流或晶閘管整流，供給發(fā)電機勵磁。常見的交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統(tǒng)原理如圖1所示。交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統(tǒng)通過靜止硅整流器，將交流勵磁機產(chǎn)生的交流電動勢，經(jīng)過整流輸出給發(fā)電機勵磁。交流勵磁機的勵磁電流，通常由中頻副勵磁機經(jīng)硅整流裝置供給主發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器，機組的調(diào)節(jié)通過控制交流勵磁機的勵磁電流來進行。由于交流勵磁電源來自主機同軸的交流發(fā)電機，因此交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統(tǒng)的電源來自發(fā)電機外的其它獨立電源。

1.2無刷勵磁系統(tǒng)

無刷勵磁系統(tǒng)是使用旋轉(zhuǎn)整流器交流勵磁機勵磁功率單元的勵磁系統(tǒng)，硅整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉(zhuǎn)，給發(fā)電機勵磁繞組供給勵磁電流，不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)子集電環(huán)和電刷引入。

根據(jù)勵磁電流的不同來源，可將無刷勵磁系統(tǒng)分為2種，即勵磁電流來源于副勵磁機的三機組式無刷勵磁系統(tǒng)；勵磁電流來源于勵磁變壓器的兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)。其中，三機組式無刷勵磁系統(tǒng)，勵磁機的勵磁繞組電源由副勵磁機引接，交流勵磁機的電樞繞組感應(yīng)電動勢經(jīng)整流橋后，送到發(fā)電機轉(zhuǎn)子供給勵磁，交流勵磁機的勵磁電流由副勵磁機通過自動電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，其系統(tǒng)原理如圖2所示；兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)，其交流勵磁機的勵磁電流由勵磁變壓器通過自動電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，系統(tǒng)原理如圖3所示。由于無刷勵磁系統(tǒng)中交流勵磁機產(chǎn)生的交流電動勢，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器變換為直流后，供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組，因此交流勵磁機的三相交流繞組、硅整流器和發(fā)電機的轉(zhuǎn)子也都在一個軸上一同旋轉(zhuǎn)。

1.3 自并勵勵磁系統(tǒng)

自并勵勵磁系統(tǒng)屬于靜止勵磁系統(tǒng)，采用變壓器或變流器作為交流勵磁電源，勵磁變壓器或變流器接在發(fā)電機出口或廠用電母線上，系統(tǒng)原理如圖4所示。自并勵勵磁系統(tǒng)是靜止勵磁系統(tǒng)中最簡單的一種勵磁方式，采用接在發(fā)電機端的勵磁變壓器作為勵磁電源，可通過晶閘管整流裝置直接控制發(fā)電機的勵磁。

2火力發(fā)電企業(yè)發(fā)電煤耗指標(biāo)計算

根據(jù)火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算方法[2]，

統(tǒng)計期內(nèi)平均每發(fā)出1kWh電能所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量，即發(fā)電煤耗，按式（1）計算。

由式（1）可見在計算發(fā)電煤耗指標(biāo)時是以機組的發(fā)電量作為分母，在機組耗用的標(biāo)準(zhǔn)煤量確定的情況下，統(tǒng)計發(fā)電量的多少與機組發(fā)電煤耗成反比例關(guān)系。統(tǒng)計發(fā)電量多了，則機組實際發(fā)電煤耗下降；統(tǒng)計發(fā)電量少了，則機組實際發(fā)電煤耗上升。

3勵磁系統(tǒng)消耗電量對發(fā)電煤耗計算的影響

由于發(fā)電機的發(fā)電量是通過電流互感器、電壓互感器測量后所得，因而通常情況下該計量的電量即為發(fā)電機的發(fā)電量。勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機組的重要構(gòu)成部分，勵磁系統(tǒng)的存在及勵磁系統(tǒng)消耗電能的來源情況，使得該計量點所統(tǒng)計的電量與機組實際發(fā)電量并不完全一致，因此若機組計量的發(fā)電量中包含了用于勵磁系統(tǒng)的電量則應(yīng)予以扣除。

勵磁系統(tǒng)消耗的電量直接影響機組的發(fā)電量，進而對機組發(fā)電煤耗計算產(chǎn)生影響，如表1所示，應(yīng)根據(jù)勵磁系統(tǒng)種類分情況進行計算。

3.1采用交流勵磁機勵磁系統(tǒng)對發(fā)電煤耗計算的影響

由圖1可知，交流勵磁機勵磁系統(tǒng)的勵磁電源來自與主機同軸的交流發(fā)電機，根據(jù)圖1所示原理，該交流發(fā)電機的動力來源于汽輪機，這種情況下機組出口側(cè)所統(tǒng)計的發(fā)電量即機組的發(fā)電量。此時，勵磁系統(tǒng)用電量對該交流發(fā)電機發(fā)電量沒有影響，勵磁機勵磁系統(tǒng)用電量對交流發(fā)電機組統(tǒng)計的發(fā)電量數(shù)據(jù)沒有影響，對以此計算的發(fā)電煤耗指標(biāo)也沒有影響。

3.2采用無刷勵磁系統(tǒng)對發(fā)電煤耗計算的影響

由于無刷勵磁系統(tǒng)分為三機組式無刷勵磁系統(tǒng)與兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)2種類型，因此需分別對2種無刷勵磁系統(tǒng)進行分析。

3.2.1三機組式無刷勵磁系統(tǒng)

三機組式無刷勵磁系統(tǒng)的硅整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉(zhuǎn)，給發(fā)電機勵磁繞組供給勵磁電流，勵磁系統(tǒng)消耗的能量來自電機主軸旋轉(zhuǎn)的機械能，即來自汽輪機，發(fā)電機出口處計量的發(fā)電量即為機組的實際發(fā)電量，因此三機組式無刷勵磁系統(tǒng)不影響機組的發(fā)電量計量，也不影響以此計算的發(fā)電煤耗指標(biāo)。

3.2.2兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)

兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)的勵磁電流來自勵磁變壓器，根據(jù)圖3的接線圖可以看出，其消耗的電能來自發(fā)電機發(fā)出的電量，但由于勵磁變壓器的接線位置在發(fā)電機出口與電壓互感器、電流互感器之間，其消耗的電能并未被測量裝置所計量，計量所得的發(fā)電量即為發(fā)電機出口全部電量減去勵磁變壓器消耗電量后的電量，勵磁系統(tǒng)消耗電量沒有被計入測量所得發(fā)電量，因此兩機組式無刷勵磁系統(tǒng)不影響機組的發(fā)電量計量，也不影響以此計算的發(fā)電煤耗指標(biāo)。

3.3采用自并勵勵磁系統(tǒng)對發(fā)電煤耗計算的影響

自并勵勵磁系統(tǒng)所消耗的電能來自勵磁變壓器，在廠用電母線上或發(fā)電機出口處連接勵磁變壓器，并按照電力流向，勵磁變壓器接在電壓互感器、電流互感器外側(cè)，而發(fā)電機的發(fā)電量則是通過電壓互感器、電流互感器測量后所得，因此勵磁系統(tǒng)所消耗電量已經(jīng)計入測量所得的發(fā)電量，即發(fā)電機的發(fā)電量中包含了勵磁系統(tǒng)的電量消耗。

由于勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機組的重要組成部分之一，缺少勵磁系統(tǒng)發(fā)電機組無法正常工作，該部分電量應(yīng)作為發(fā)電機組的自身消耗，因而機組的實際發(fā)電量應(yīng)該為發(fā)電機出口電量減去勵磁系統(tǒng)消耗電量之后的電量。以統(tǒng)計的發(fā)電量進行計算，其大于實際的發(fā)電量，進而計算出的發(fā)電煤耗低于實際的發(fā)電煤耗。

結(jié)合自并勵勵磁系統(tǒng)屬于靜止勵磁系統(tǒng)的特性，以及勵磁系統(tǒng)主要為發(fā)電機組提供建立磁場所需的勵磁電流特征，計算出靜止勵磁系統(tǒng)（自并勵勵磁系統(tǒng)）所消耗的電量約占發(fā)電量的0.15%左右[3]，因此以測量的發(fā)電量進行計算，所得出的發(fā)電煤耗略低于實際發(fā)電煤耗。

結(jié)論

通過對不同種類發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的原理分析，以及不同勵磁系統(tǒng)對常規(guī)燃煤機組發(fā)電量計量和發(fā)電煤耗計算的影響進行分析，得出以下4項結(jié)論。

①當(dāng)勵磁系統(tǒng)電量來源于勵磁發(fā)電機，且勵磁發(fā)電機能量來自汽輪機或發(fā)電機主軸旋轉(zhuǎn)的機械能時，勵磁系統(tǒng)消耗的電能都不是來自發(fā)電機所發(fā)出的電能，因此其對機組計量的發(fā)電量沒有影響，也不影響機組的發(fā)電煤耗計算。

②勵磁系統(tǒng)電量來自勵磁變壓器時，若勵磁變壓器接線位置在發(fā)電機出口，位于電流互感器和電壓互感器之間的，則勵磁系統(tǒng)消耗的電能來自發(fā)電機發(fā)出的電能。但由于該部分電能消耗在機組發(fā)電量計量點之前，因此未被計入發(fā)電量，這種情況下勵磁系統(tǒng)的電能消耗對機組計量的發(fā)電量沒有影響，也不影響機組的發(fā)電煤耗計算。

③勵磁系統(tǒng)電量來自勵磁變壓器時，若勵磁變壓器接線位置在發(fā)電機出口，且位于電流互感器和電壓互感器之后的，勵磁系統(tǒng)消耗的電量來自發(fā)電機發(fā)出的電量，并且是被計量入機組的發(fā)電量，這種情況下勵磁系統(tǒng)電能消耗對機組計量的發(fā)電量有影響，將會導(dǎo)致以計量統(tǒng)計的發(fā)電量進行計算所得出的發(fā)電煤耗略小于實際的發(fā)電煤耗。

④在實際工作中，應(yīng)根據(jù)勵磁系統(tǒng)的不同情況，結(jié)合各種勵磁系統(tǒng)電能消耗對機組發(fā)電量計量和發(fā)電煤耗計算的影響，核算出更加準(zhǔn)確的發(fā)電煤耗，讓節(jié)能降耗工作效果更加顯著。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團有限公司.電力工程設(shè)計手冊 火力發(fā)電廠電氣二次設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2018.

[2] DL/T 904-2015，火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算方法[S].

[3]楊金偉，李國明.火電機組自并勵方式勵磁變電量對廠用電率的影響分析[J].河南電力，2020（S1）：72-73.

作者簡介

田東蒙（1988—），男，漢族，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事節(jié)能監(jiān)察、節(jié)電技術(shù)、電力需求側(cè)管理、碳排放研究等工作。