脫硫特許經營無功補償節(jié)能改造的研究

董 力

（中國節(jié)能減排有限公司，北京 100011）

脫硫特許經營無功補償節(jié)能改造的研究

董 力

（中國節(jié)能減排有限公司，北京 100011）

電費是脫硫特許經營一項重要的日常運營費用，對脫硫電氣系統(tǒng)進行無功補償節(jié)能改造，可降低供電損耗以節(jié)約電費。根據某發(fā)電廠脫硫工程設計數據和脫硫特許經營實際運營數據，對在不同地點進行無功補償改造的效益進行計算，得到在脫硫380V電動機就地安裝無功補償裝置進行節(jié)能改造較合理的結論。

脫硫特許經營；無功補償；節(jié)能改造

1 引言

為消除我國電力行業(yè)脫硫裝置建設質量及運行管理等方面所暴露出來的種種問題，國家發(fā)展改革委和原國家環(huán)保總局于2007年7月聯(lián)合印發(fā)了《關于開展火電廠煙氣脫硫特許經營試點工作的通知》，啟動了火電廠煙氣脫硫特許經營的試點及推廣工作。脫硫特許經營將污染治理工程的投資、設計、施工和運營一體委托專業(yè)化環(huán)保公司實施，利用市場機制，促進火電廠煙氣脫硫設施長期可靠運行。經過幾年的試點和推廣，特許經營模式確實對我國火電廠煙氣脫硫技術的進步、脫硫工程質量和設施投運率的提高起到了關鍵性作用。據統(tǒng)計，2012年五大發(fā)電集團新投運火電廠煙氣脫硫機組中，采用特許經營方式的約占50%。

對脫硫電氣系統(tǒng)進行無功補償節(jié)能改造，可降低電費計量點至無功補償點之間供電網絡的損耗以節(jié)約電能，進而達到降低脫硫特許經營運營費用的目的。本文根據國電集團寧夏某發(fā)電廠2×330MW機組煙氣脫硫工程施工圖中的設計數據和脫硫系統(tǒng)實際運營數據，以該工程特許經營運營情況為例，對無功補償的電能節(jié)約和投資收益進行了計算分析。

2 無功功率及無功補償

2.1 電力系統(tǒng)的無功功率

交流發(fā)電機輸出功率分為有功功率和無功功率。有功功率（單位kW）是用于做功和發(fā)熱損耗的那部分電能，如轉換為機械能、熱能、光能等。有功功率流向是單向的電源至負載，一個周期的平均有功功率大于零。

無功功率（單位kvar）是用于電路內電場與磁場交換的那部分電能。電動機和變壓器的運行，必須通過無功功率建立交變磁場才能傳遞、轉換電能；電力系統(tǒng)的輸電線路、各種負載也存在電抗，消耗無功功率。電源傳送到電抗的能量，轉化為磁能儲存在電抗中，隨后又從磁能轉化為電能輸送到電源。無功功率是能量在電源和負載電抗之間往返交換，雙向流動；能量交換中無功功率并沒有消耗，一個周期的平均無功功率等于零。

2.2 無功補償的意義和方式

無功功率是電力系統(tǒng)正常運行必不可少的。電動機運行所需的無功功率由發(fā)電機提供，則無功功率流過自發(fā)電機至電動機就地整個輸、配電網絡。無功功率的存在使電網輸送固定有功功率時視在功率增加、流過電網的電流增加，進而使得供電線路和變壓器的容量增加、供電線路損耗增加。

在電動機就地或供電母線處并聯(lián)電容器，電動機所需的無功功率由電容器作為無功發(fā)生源供給。由此減少了自發(fā)電機至無功補償點（即并聯(lián)電容器處）的電網的無功功率輸送，可在一定程度上減少供電線路和變壓器的容量，降低線路損耗。

從無功補償裝置的安裝地點劃分，無功補償的方式分為：

（1）集中補償：補償裝置安裝在高、低壓配電母線處；

（2）分組補償：補償裝置安裝在配電變壓器低壓側和用戶車間配電屏；

（3）就地補償：補償裝置安裝在單臺電動機處。

2.3 無功補償應用在脫硫系統(tǒng)中的節(jié)能作用

無功補償不能提高電動機等用電負荷本身的功率因數，即不能降低負荷本身的能耗。其節(jié)能作用體現在提高了電源點至補償點之間電網的功率因數，降低了電網的損耗。

脫硫特許經營的電費計量點一般在電廠廠用電6kV段脫硫饋線開關柜出口處，安裝無功補償裝置，可降低電費計量點至補償點之間供電網絡的損耗以節(jié)約電能。

脫硫廠用電系統(tǒng)原理接線圖如圖1所示。

圖1 脫硫廠用電系統(tǒng)原理接線圖

其中：

G — 發(fā)電機；T1：高壓廠用變壓器；T2：低壓脫硫變壓器；

B1 — 脫硫6kV母線；B2：脫硫380V母線；

M1 — 脫硫6kV電動機；M2：脫硫380V電動機；

L1、L2、L3 — 6kV電纜；L4：380V電纜；

A點— 發(fā)電機口；

B點— 電廠廠用電6kV段饋線處（脫硫電費計量點）。

2.4 并聯(lián)電容器補償無功功率對電網的節(jié)能分析

并聯(lián)電容器補償電動機的功率因數，原則上電容器的無功容量可按照電動機空載時補償到cosφ = 1設計，因為若在有負載時將cosφ補償到1，則電動機空載或輕載時會造成過補償。

（1）按照電動機空載時cosφ=1所需電容器容量QC為：

其中：

UN— 電動機定子額定線電壓；

ION— 電動機額定電壓空載電流；

P0— 電動機空載損耗。

（2）如電動機補償過大，切斷電容器或電源時，電容器放電給電動機以勵磁，使旋轉著的電動機成為感應發(fā)電機，導致嚴重的過電壓。因此并聯(lián)電容器的容量應不大于勵磁電容。防止電動機出現勵磁電流的電容器補償容量QCj為：

計算并聯(lián)電容器補償容量應選擇QC和中QCj較小者，一般情況QCj＜QC。

（3）補償電容值C為：

其中：

f — 電動機額定頻率。

（4）電動機有功功率為P、無功功率為Q、供電線路單位電阻為r、線路長度為L、采用容量為QC的電容器補償、電容器的介質損耗為tanδ（W/var），采用并聯(lián)電容器補償電動機無功功率后減少線路電能損耗ΔP為：

（5）電動機額定電壓空載電流值在沒有準確數值時可采用以下公式計算：

其中：

IN—— 電動機額定線電流；cosφN— 電動機額定功率因數。（6）電動機的負載率K為：

其中：

I1— 電動機負載線電流。

3 實例分析1

以國電集團寧夏某發(fā)電廠脫硫工程為例，在脫硫6kV母線處進行無功補償改造的節(jié)能分析。

3.1 脫硫工程電氣系統(tǒng)的設計參數和運行實測數據

（1）國電集團寧夏某發(fā)電廠2×330MW機組煙氣脫硫工程，施工圖負荷統(tǒng)計如表1所示。

表1 脫硫系統(tǒng)施工圖負荷統(tǒng)計

（2）脫硫系統(tǒng)運行數據見表2。

表2 脫硫系統(tǒng)實際運行數據（注）

3.2 在脫硫6kV，B段進行無功補償改造的節(jié)能分析

在脫硫6kV母線處進行無功補償改造，從圖1看，補償點在B1處，脫硫特許經營可獲得收益為電纜L1節(jié)約的電能。為方便計算，可以認為表1所列各負荷均為并聯(lián)在母線上的6kV電動機，各電動機均按照國產YKK系列6kV三相異步電動機取額定功率因數cosφN= 0.85、ηN= 0.94。由式 ① ～ ⑥ 得到：

（1）額定電流IN ：

（2）額定空載電流I0N：

（3）防止出現勵磁電流的容量QCj：

（4）補償電容值C：

（5）脫硫6kV，B段進線電纜為3根直徑為185mm2的YJV22-6/6kV銅芯電纜，查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.033Ω/km。由施工圖知進線電纜長度為0.545km。取tanδ= 0.0005W/var。無功補償后節(jié)約電能ΔP：

（6）無功補償后的功率因數cosφ：

3.3 脫硫6kV母線處無功補償改造的技術經濟分析

向無功補償設備供貨商詢價，1800～2200kvar的6kV無功補償全套設備，平均報價約42萬元。電容器的使用壽命不小于10年。

該電廠脫硫系統(tǒng)2011年用電電價為0.2元/kW·h。2011年每臺機組平均運營發(fā)電8040.5h，假定特許經營公司提供運營數據為機組平均出力的情況。

脫硫6kV，B段無功補償改造年節(jié)約電費F= 3.41×8040.5×0.2 = 5483.62元；

不考慮資金成本、設備維護成本的投資成本回收期T = 42/0.548 = 76.6年。

若年資金成本為5%，則投資的年資金成本為42×5% = 2.1萬元。資金成本遠超過預期收益。

由此可見，在脫硫6kV母線處進行無功補償技術改造，在經濟上不可行。

4 實例分析2

以國電集團寧夏某發(fā)電廠脫硫工程為例，在脫硫380V母線處進行無功補償改造的節(jié)能分析。

在脫硫380V母線處進行無功補償改造，從圖1看，補償點在B2處；對脫硫特許經營來說，可獲得的收益包括設備和線路L1、L3、T2等處節(jié)約的電能。

4.1 脫硫380V母線處無功補償量

以脫硫PC，B段為例，按照設計施工圖及表1的計算，脫硫PC，B段電動機額定功率1190kW。不同功率的電動機功率因數、效率有所不同，考慮脫硫電動機大致平均的情況，取電動機額定值：（1）額定電流IN：

（2）額定空載電流I0N：

（3）防止出現勵磁電流的容量QCj：

（4）特許經營公司運行人員提供母線B2及進線開關表計讀數為：U=390V、IA=724A、IB=688A、IC= 700A、P=158.9kW、cosφ=1。其中P=158.9kW、cosφ= 1與電氣系統(tǒng)運行的實際情況不符，應屬讀數有誤。

取U = 390V，I =（IA+ IB+ IC）/3 = 704A，假定運營中cosφ= 0.8。

（5）母線B2處容量：

（6）Qcj＞Q，實際運行中負荷率很低，按照額定功率計算補償容量將會出現過補償。將功率因數補償到0.95，則補償后無功容量：

4.2 低壓脫硫變T2的節(jié)能

變壓器負載運行時，可等效為“一”字型電路。圖1脫硫廠用電系統(tǒng)部分可等效為圖2所示電路：

圖2 脫硫廠用電系統(tǒng)等效電路圖

其中：RT0+ jXT0為變壓器折算到高壓側的空載阻抗，其引起的損耗為空載損耗PT0+ jQT0，可以認為變壓器運行中空載損耗是不變的。RT+ jXT為變壓器折算到高壓側的負載阻抗，變壓器的節(jié)能可通過考察無功補償前后負載阻抗RT損耗的變化得出。

（1）變壓器額定參數：

SCB10 - 2000kVA、Dyn11、Uk= 8%、I0= 0.3%、Pk= 13.94kW，空載損耗P0= 3.02kW、Q0= I0×SN= 0.3%×2000 = 6kvar。

（2）折算到高壓側的負載阻抗ZT:

（3）低壓脫硫變T2節(jié)能計算：

P = 380.4kW，Q = 285.3kvar，Q′= 125.0kvar，

Qcj= 160.3kvar。

補償前變壓器負載阻抗引起的損耗為：

補償后變壓器負載阻抗引起的損耗為：

無功補償后節(jié)約電能ΔPT2：

4.3 6kV電纜L3的節(jié)能

由圖1無功補償前C點處容量：

無功補償后C點處容量：

補償前后C點處無功容量變化：QC= 300.358 - 137.432 = 162.926kvar。

C點處補償容量變化約為1.6%，為簡便計算，認為C點處補償容量不變，取補償容量Qcj= 160.3kVA。

查電氣施工圖，脫硫變電纜L3為3×120mm2直徑的YJV22-6/6kV銅芯電纜，電纜長度為20m。查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.153Ω/km。

無功補償后節(jié)約電能ΔPL3（式 ④）：

4.4 6kV電纜L1的節(jié)能

查電氣施工圖，脫硫變電纜L1為3根直徑185mm2的YJV22-6/6kV銅芯電纜，電纜長度為0.545km。查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.033Ω/km。

特許經營公司提供圖1母線B1處無功容量Q= 3437kvar、電壓U = 6.37kV（見表2）；取補償容量Qcj= 160.3kVA。

無功補償后節(jié)約電能ΔPL1（式 ④）：

4.5 脫硫380V母線處無功補償的技術經濟分析

380V母線處無功補償后脫硫系統(tǒng)（圖1中B點考核）節(jié)約總電能為：

按照脫硫電價0.2元/kW·h考慮，年可節(jié)約電費為：

F = 0.631×8040.5×0.2 = 1014.71元。

無功補償供貨商報價，380V無功補償裝置約為100元/kvar。設備單價t = 100元/kvar，年運行維修費用1%，年資金成本5%，計算改造投資回收年限T為：

由于技術改造的投資成本回收期極長，該技術改造方案在經濟上不可行。

5 實例分析3

以國電集團寧夏某發(fā)電廠脫硫工程為例，在脫硫380V典型電動機就地進行無功補償改造的節(jié)能分析。

在脫硫380V電動機就地無功補償，從圖1看，補償點在M2處；對脫硫特許經營來說，可獲得的收益包括設備和線路L1、L3、T2、L4各處節(jié)約的電能，是收益最大化的情況。

5.1 石膏排出泵電動機的額定數據和實際運行數據

根據脫硫特許經營公司提供的數據，選擇在#2-1石膏排出泵就地無功補償。電動機的額定數據為：

額定空載電流I0N：

特許經營公司提供的石膏排出泵電動機的實際運行數據為：

電動機的負載率K（式 ⑥）：

查電動機工作表，K=0.81時，功率因數、效率大致為：

cosφ= 0.86，η= 0.928。

石膏排出泵電動機運行中消耗功率：無功補償后的功率因數cosφ：

5.2 380V電纜L4的節(jié)能

查電氣施工圖，石膏排出泵電動機電纜L4為3×70mm2直徑的YJV22-1kV銅芯電纜，電纜長度為0.19km。查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.286Ω/km。

無功補償后節(jié)約電能ΔPL4（式 ④）：

5.3 低壓脫硫變T2的節(jié)能

變壓器負載運行時脫硫廠用電系統(tǒng)等效電路如圖2所示。低壓脫硫變B的實際運行數據見4.2節(jié)。

母線B2處容量：P = 380.4kW，Q = 285.3kvar。

補償后無功容量：Q′= 285.3 - 20 = 265.3kvar。

補償前變壓器負載阻抗引起的損耗為：

5.4 6kV電纜L3的節(jié)能

由圖2，無功補償前C點處容量：

無功補償后C點處容量：

補償前后C點處無功容量變化：

C點處補償容量變化約為2.2%，為簡便計算，認為C點處補償容量不變，取補償容量Qcj= 20kVA。

查電氣施工圖，脫硫變電纜L3為3×120mm2直徑的YJV22-6/6kV銅芯電纜，電纜長度為20m。查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.153Ω/km。

無功補償后節(jié)約電能ΔPL3（式 ④）：

5.5 6kV電纜L1的節(jié)能

查電氣施工圖，脫硫變電纜L1為3根直徑185mm2的YJV22-6/6kV銅芯電纜，電纜長度為0.545km。查電纜手冊得到進線電纜單位長度電阻為0.033Ω/km。

特許經營公司運行提供圖1母線B1處無功容量Q=3437kvar、電壓U=6.37kV，見表2；取補償容量Qcj=20kVA。

無功補償后節(jié)約電能ΔPL1（式 ④）：

5.6 石膏排出泵電動機就地無功補償的技術經濟分析

就地無功補償后脫硫系統(tǒng)（圖1中B點考核）節(jié)約總電能為：ΔP = ΔPL1+ΔPL3+ΔPT2+ΔPL4- QCtanδ = 0.0608+0.0009 + 0.038 + 0.383 - 20×0.0005 = 0.473kW

按照脫硫電價0.2元/kWh考慮，年節(jié)約電費為：

F = 0.473×8040.5×0.2 = 760.63元

無功補償供貨商報價，380V無功補償裝置約為100元/kvar。設備單價t = 100元/kvar，年運行維修費用1%，年資金成本5%，計算改造投資回收年限T為：

改造投資回收期較短，該技術改造方案在經濟上是可行的。

從計算結果看，節(jié)約電能最主要集中在為380V電動機供電的電纜L4的節(jié)能ΔPL4。ΔPL1、ΔPL3、ΔPT2、ΔPL4、QCtanδ分別占總節(jié)能的12.9%、0.2%、8.0%、81.0%、2.1%。

5.7 脫硫380V電動機就地無功補償的計算分析

不同功率的380V電動機，其功率因數、效率有所不同，且電動機在實際運行中因工況不同實際消耗功率與額定功率比值有差異?？紤]脫硫電動機大致平均的情況，取電動機額定值：UN=380V，cosφN=0.86，ηN=0.91；取實際運行功率為額定功率的80%，即P=0.8PN。根據該發(fā)電廠特許經營公司提供的數據，#2爐脫硫系統(tǒng)實際運行中取值為：6kV母線電壓UH=6.37kV，380V電動機電壓U=390V；380V電動機功率因數cosφ=0.85。

按照前述方法計算，對脫硫PC，B段連續(xù)運行的380V電動機進行就地無功補償節(jié)能計算。計算結果見表3。

表3 脫硫PC B段電動機就地無功補償計算

考慮計算的誤差及費用計算的其他情況，以及補償電容器不小于10年的使用壽命，對投資回收期在7年以下的電動機可進行就地無功補償改造。

計算的22臺電動機中，19臺投資成本回收期小于7年。即若所計算電動機都是長期、連續(xù)運行，其中86%進行就地無功補償節(jié)能改造經在濟上是可行的。

就地無功補償節(jié)能改造在經濟上可行的380V電動機，為其供電的380V電纜較長，該電纜節(jié)能效果較明顯。脫硫PC，B段節(jié)能改造經濟上可行的電動機，供電電纜長度均不小于175m，380V供電電纜節(jié)能占總節(jié)能比例（ΔPL4/ΔP）70%以上。

6 結論

根據國電集團寧夏某發(fā)電廠2×330MW機組煙氣脫硫工程施工圖中的設計數據和脫硫系統(tǒng)實際運營數據，對在不同地點進行無功補償改造的電能節(jié)約和投資收益進行計算分析，得到如下結論：

（1）脫硫380V電動機就地安裝無功補償裝置，投資成本回收期較短，有較好的經濟效益；尤其是380V供電電纜較長的情況，節(jié)能效果明顯。

（2）脫硫380V母線處安裝無功補償裝置，投資成本回收期極長，節(jié)能改造得不償失。

（3）脫硫6kV母線處安裝無功補償裝置，年節(jié)約電費小于改造投資的年資金成本，節(jié)能改造得不償失。

[1] 四川電力設計咨詢有限責任公司.國電集團寧夏某發(fā)電廠2×330MW機組煙氣脫硫工程施工圖（電氣部分）[Z].2006.

[2] 李青，高山，薛彥廷.火力發(fā)電廠節(jié)能技術及其應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 三相異步電動機經濟運行(GB/T12497-2006) [S].

[4] 李發(fā)海，朱東起.電機學（第三版）[M]. 北京：科學出版社，2005.

[5] 牟旭濤，慕志恒，張衛(wèi)星，等.無功補償在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中應用的研 究[N].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2004，3：42-45.

Discussion on Reactance Compensation and Energy Saving Reform in Desulfurization License Management

DONG Li
(China Energy Saving & Emission Reduction Co., Ltd, Beijing 100011, China)

The electrical charge is an important daily operation charge, the electrical system of desulfurization which is carried through reactance compensation and energy saving reform, can decrease power supply consumption and save electrical charges. Based on the designing data of desulfurization engineering in a certain power plant and the actual operation data of desulfurization license management as well as benefits of reactance compensation reform counted in different sites, the rational conclusion is gained when energy saving and reform are conducted in the desulfurization 380V electromotor which installs reactance compensation device on the spot.

desulfurization license management; reactance compensation; energy saving and reform

X322

A

1006-5377（2015）02-0050-08