廠用電節(jié)電新思路

吳成濤

（國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

某電廠4×600 MW亞臨界機組的廠用電在設計之初已經(jīng)過優(yōu)化，平均廠用電率在5.4%左右，與同型先進機組相比仍有一定的差距。通過設備改造來進一步降低廠用電，不但投資大，而且周期長。能否在不增加投資、利用現(xiàn)有設備進行節(jié)能挖潛？

廠用電絕大部分為電動機的電耗，廠用輔機電機“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍，特別是在機組低負荷時尤為明顯，此時電機的效率明顯偏低。廠家一般保證電動機在額定電壓的-10%至+10%的范圍內(nèi)運行，其額定出力不變。運行規(guī)程要求正常運行時6 kV電壓波動在±5%范圍內(nèi)，380 V電壓在-5%至+10%范圍內(nèi)。故在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)不會影響電機的出力。在允許的電壓范圍內(nèi)，可以通過適當降低電機的電壓水平來降低鐵損，以降低廠用電率。

1 電壓變化對電機運行的影響

電機運行電壓為U，電機的銘牌額定電壓為Ue。當U＞Ue時，電動機中的磁通Φ趨于飽和將使勵磁電流大大增加；另一方面，電動機的電磁力矩與電壓U的平方成正比，在負荷力矩一定時，轉(zhuǎn)差率S將減小，定子電流也將隨之減小。由于在額定負載范圍內(nèi)運行時，轉(zhuǎn)差率很小，因此由于轉(zhuǎn)差率減小而引起定子電流的減小值小于勵磁電流增加值。結(jié)果使定子電流上升，電動機的功率因數(shù)下降。顯然，在U＞Ue時，不僅鐵損增大，而且定子繞組的銅損也要增加。

當U＜Ue時，磁通Φ的減小使勵磁電流也減小，由于電動機磁路不飽和，電動機勵磁電流降低的幅度不大。另一方面，電動機的電磁力矩與電壓U的平方成反比，電磁力矩減小將使轉(zhuǎn)差率S增加較多，必將引起定子電流增加，直到電動機產(chǎn)生的電磁力矩和負載力矩平衡為止。如果電壓降低過多，轉(zhuǎn)差率的增大而引起定子電流的增加值將大于勵磁電流的減小值。結(jié)果使電動機定子電流將超過允許值，雖然由于磁通減小，鐵損略降低，但銅損隨電流的平方成正比，所以總的損耗還是增加，電動機將會過熱。

2 電機的損耗分析

電動機的功率損耗包括有功損耗及無功當量損耗。

式中：ΔP為有功損耗；PFE為定子鐵損耗；PCU1為定子銅損耗；PCU2為轉(zhuǎn)子銅損耗；PFJ為附加損耗；KQ為無功經(jīng)濟當量；Q為無功功率。

2.1 定子鐵損耗

電動機定子鐵損PFE與電壓的平方成正比，額定電壓下的鐵損為PFEe，則電壓由U1下降至U2時的損耗為：

當電壓高于額定值時，由于鐵芯的飽和程度不同，鐵損與電壓的關(guān)系是不同的，有4次方關(guān)系也有2.5次方關(guān)系，高于額定電壓運行時鐵損明顯增加。

2.2 定子銅損耗

定子銅損與定子電流的平方成正比。

在軸功率不變時電壓下降，電動機的電流會增加，因而銅損也增加。實際上，當電壓下降時，電動機轉(zhuǎn)速下降，機械軸功率減小，激磁無功電流減小，使定子電流增加不明顯；部分廠用電動機在電壓降低時，定子電流會同步減小。

2.3 轉(zhuǎn)子銅損耗

轉(zhuǎn)子銅損與電機的軸功率及轉(zhuǎn)差率成正比。

式中：Pe為電機額定功率；K為負載率；S1，S2為電機的轉(zhuǎn)差率。當電壓降低時，S1-S2為負值，即在電壓降低時轉(zhuǎn)子銅損在增加。

2.4 附加損耗

電動機的附加損耗分為空載附加損耗和短路附加損耗。短路附加損耗一般取0.5%額定功率，當負載偏離額定值時，與定子電流的平方成正比。

2.5 無功當量損耗

當電壓降低時，電動機所需的無功功率也減少，無功當量損耗也減小。無功經(jīng)濟當量KQ單位為kW/kvar，電廠的高壓廠變一般與發(fā)電機母線直接相聯(lián)，故KQ一般取2%～4%。

通常各類損耗占有功損耗的比例為：定子鐵損耗20%～25%，定子銅損耗35%～40%，轉(zhuǎn)子銅損耗20%～25%，附加損耗15%～35%。從上述分析看電動機的功率損耗在電壓降低時，綜合損耗必定相應減少。

3 現(xiàn)場試驗分析

通過高壓廠變的有載分接開關(guān)或發(fā)電機端電壓的調(diào)整可以改變高壓廠用變6 kV母線的電壓，現(xiàn)場試驗分單一電機有功變化和高壓廠變的有功變化兩部分來試驗。

3.1 單一電機的電壓變化試驗

一次風機電機1 800 kW，在機組有功為550 MW時，從圖1可以看出隨著電壓上升，一次風機的有功損耗逐步上升，6.2 kV電壓下的有功損耗較5.97 kV電壓下高38.4 kW。

圖1 機組500 MW時一次風機電耗與電壓關(guān)系

爐水泵電機400 kW，在機組400 MW負荷時，隨著電壓下降，爐水泵的電耗逐步下降，6.29 kV電壓下的有功損耗較5.88 kV電壓下高31.5 kW，見圖2。

圖2 機組400 MW時爐水泵電耗與電壓關(guān)系

在機組300 MW負荷時，隨著電壓下降，一次風機的電耗逐步下降，6.35 kV電壓下的有功損耗較6.17 kV電壓下高72 kW，見圖3。

圖3 機組300 MW時一次風機電耗與電壓關(guān)系

3.2 高壓廠變的電壓變化試驗

機組在3種不同的負荷下，通過改變發(fā)電機機端電壓來調(diào)整6 kV的母線電壓，因此引起的高壓廠變有功功率的變化如表1所示。

表1 高壓廠變有功功率的變化情況

從表1可以看出，在機組負荷450 MW時，當高壓廠用6 kV電壓下降179 V時，廠用電電量將節(jié)省630 kW；在520 MW負荷時，當高壓廠用6 kV電壓下降199 V時，廠用電量將節(jié)省430 kW；在560 MW負荷時，當6 kV電壓下降121 V時，廠用電量節(jié)省400 kW。即6 kV電壓下降2.5%時，可節(jié)約廠用電電量的1.8%，可降低廠用電率約0.08%。

4 電壓降低后的運行可靠性計算

機組設有2臺高壓廠變，容量均為38 MVA，考慮公用負荷最大單臺僅使用19 MVA左右，即高壓廠變負荷率為50%，當6 kV母線運行電壓降低后，在機組600 MW負荷時6 kV母線運行電壓為5.9 kV時，校驗電泵啟動時的6 kV電壓值是否符合要求。

給水泵電機：6 300 kW，額定電壓6 kV，額定電流681 A，功率因數(shù)0.915，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)5.52；高壓廠變：38 MVA，有載調(diào)壓，阻抗電壓14.01%。母線電壓：

式中：Um為電動機起動時的母線電壓；U0為廠用母線空載電壓，對有載調(diào)壓取1.1，無載調(diào)壓取1.05；X為變壓器電抗；S為合成負荷，S=S1+Sq，S1為電動機起動前廠用母線上已有負荷，Sq為起動電機的起動容量，Sq=1.06 MVA。

起動前高壓廠變已帶50%負載 （19 MVA），母線電壓98.3%（5.9 kV），按無載調(diào)壓計算的電壓值為：

符合規(guī)范要求，即最大容量電機起動時，廠用母線的電壓應不低于額定電壓的80%。

5 結(jié)語

從上述分析及試驗可以得出以下結(jié)論：

（1）電壓長期高于電機的額定電壓運行損耗較大，不經(jīng)濟。

（2）運行人員認為降低6 kV電壓運行會降低廠用電動機的運行可靠性，但經(jīng)計算6 kV電壓在-5%（5.7 kV）運行，最惡劣工況下電泵啟動時廠用電壓仍為81.7%Ue，符合要求，這是因為廠用電設計時已充分考慮了裕量。

（3）不同的電機、不同負荷率，在電壓變化時電耗變化的幅度大小不一。

（4）占廠用電量較大比例的風機負載率均較低，電壓的降低對其電耗減少比較明顯；同時因電壓下降時電機的轉(zhuǎn)差率變大，風機的轉(zhuǎn)速下降，效率有了一定的提升，在機組低負荷運行時節(jié)電效果更加顯著。

（5）主要輔機的電耗隨電壓的下降而減少，經(jīng)驗值應在5.7 kV時廠用電耗為最低，但試驗時因為未端的400 V電壓偏低，6 kV電壓最低只能降到5.9 kV左右，故從安全、經(jīng)濟角度考慮機組6 kV電壓正常運行時控制在5.9～6.0 kV之間運行較為節(jié)能。這樣就可以在不增加投資的情況下降低廠用電率在0.08%～0.16%，每臺600 MW機組每年可節(jié)電約20萬kW·h，節(jié)電效果明顯。

（6）在今后結(jié)合機組檢修時應考慮改變未端低壓廠用變壓器的分接開關(guān)位置，以提高未端低壓設備的運行電壓，為進一步的節(jié)能挖潛打基礎。

[1]趙家禮.電機節(jié)能技術(shù)問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.