發(fā)電廠電能平衡用能體系與測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

鄧敏慧，彭道剛

（1.寶山鋼鐵股份有限公司電廠，上海 200941；2.上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，電力更是生產(chǎn)發(fā)展的動(dòng)力，也是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源資源[1-4]。電力成本已占到了企業(yè)總成本的約40%，由于該類單位產(chǎn)品或單位增加值的電耗非常高，電能產(chǎn)能占總生產(chǎn)成本的比重較高，對(duì)行業(yè)生產(chǎn)成本或競(jìng)爭(zhēng)力的影響很大[5-10]。為此，必須加強(qiáng)企業(yè)用電需求側(cè)科學(xué)管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的節(jié)電措施，減少電能的直接和間接損耗，提高能源使用效率。

發(fā)電企業(yè)掌控用電情況最直接有效的方法是進(jìn)行電能平衡測(cè)試[11]，其主要內(nèi)容是系統(tǒng)地摸清用能設(shè)備電量消耗總量、構(gòu)成、分布、流向、用電設(shè)備的狀況和電能利用率等。開(kāi)展企業(yè)電能平衡測(cè)試工作，是加強(qiáng)能源科學(xué)管理、制訂節(jié)電規(guī)劃、確定節(jié)能技改方案和提高能源合理利用水平的重要基礎(chǔ)工作[12]。

以下針對(duì)某發(fā)電廠2臺(tái)機(jī)組主要設(shè)備與系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的能量平衡及電平衡測(cè)算與評(píng)價(jià)。主要是根據(jù)機(jī)組主要設(shè)備與系統(tǒng)（含脫硫/脫硝/除塵/灰處理系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、化學(xué)制水與廢排水系統(tǒng)等）的生產(chǎn)工藝特性，對(duì)大中型電機(jī)設(shè)備進(jìn)行用電量測(cè)算與趨勢(shì)分析，得出相應(yīng)的技術(shù)結(jié)論。發(fā)電廠供電設(shè)備中同類型風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)機(jī)、變壓器等耗能設(shè)備的耗電量差異較大，在進(jìn)行電能平衡測(cè)試后，可準(zhǔn)確掌握設(shè)備用能效率，加快淘汰和更新效率較低的設(shè)備，對(duì)調(diào)整用電負(fù)荷、節(jié)約能源具有指導(dǎo)意義。

1 用能體系劃分

在進(jìn)行電能平衡測(cè)試之前，首先應(yīng)將電能平衡測(cè)試對(duì)象進(jìn)行劃分，劃清電能平衡測(cè)試對(duì)象的用電體系。用電體系與其周圍相鄰部分的分界面稱為用電體系的邊界條件，根據(jù)電能平衡測(cè)試對(duì)象和達(dá)到的目標(biāo)等因素來(lái)確定。進(jìn)行電能平衡測(cè)試所研究的用電體系內(nèi)部稱為界內(nèi)[13-15]，電能平衡基本模型如圖1所示。

電能平衡基本模型中的輸入電能是指從外界供給用電體系的有功電能，在本文中指火力發(fā)電廠的廠用電量。根據(jù)發(fā)電廠的電氣一次圖可以得知：廠用電是由1號(hào)主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）、2號(hào)主變、1號(hào)起動(dòng)變壓器（以下簡(jiǎn)稱起變）、2號(hào)起變共同提供，廠用電量為以上4臺(tái)變壓器供給的有功電量之和。

電能平衡基本模型中的有效電能是指用電體系在一定的生產(chǎn)工藝下，即機(jī)組在一定的負(fù)荷工況條件下，達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，滿足物理化學(xué)變化所必須消耗的有功電能。本文中有效電能包括用于發(fā)電的動(dòng)力、通風(fēng)、生產(chǎn)、維護(hù)、輸煤、脫硫、脫硝、化水等生產(chǎn)設(shè)備用電量以及非生產(chǎn)用電量。圖1中的損耗電能是指輸入電能與有效電能之差，包括變壓器損耗、廠用電線路損耗以及其他能統(tǒng)計(jì)到的損耗。

發(fā)電廠用電體系的電能平衡核算實(shí)質(zhì)上是測(cè)量與計(jì)算廠用電用量，包括用于發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的耗電量以及生活、損耗電量的總和。根據(jù)電力行業(yè)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的耗電量占廠用電耗電量的絕大部分。影響廠用電耗電量的設(shè)備主要包括鍋爐側(cè)輔助運(yùn)行設(shè)備、汽輪機(jī)側(cè)輔助運(yùn)行設(shè)備和輸煤系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備。鍋爐側(cè)輔助運(yùn)行設(shè)備包括鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)等所包含的設(shè)備；汽輪機(jī)側(cè)輔助運(yùn)行設(shè)備包括汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)所包含的設(shè)備；輸煤系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備包括灰處理系統(tǒng)、脫硫脫硝系統(tǒng)、化學(xué)水處理系統(tǒng)等包含的運(yùn)行設(shè)備。對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研和總結(jié)，得出了影響火力發(fā)電廠廠用電率的主要指標(biāo)和影響因素，歸納后如圖2所示。

圖2 發(fā)電廠廠用電率的主要指標(biāo)和影響因素

2 計(jì)算方法簡(jiǎn)化

根據(jù)DL/T 606.1-2014《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》）可得到各設(shè)備有效用能的計(jì)算方法。但根據(jù)《導(dǎo)則》中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式較復(fù)雜，所需參數(shù)較多，而大部分發(fā)電廠的SIS（安全儀表系統(tǒng)）均能提供部分大型設(shè)備的有效用能數(shù)據(jù)。因此，可以根據(jù)發(fā)電廠SIS系統(tǒng)所提供的設(shè)備測(cè)點(diǎn)信息，對(duì)電能平衡測(cè)試的計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)和簡(jiǎn)化，使最終計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際值。

2.1 生產(chǎn)設(shè)備和裝置有效用能的計(jì)算方法

（1）功率測(cè)點(diǎn)和電流測(cè)點(diǎn)齊全的設(shè)備

風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備的測(cè)試方法，按現(xiàn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由于該類設(shè)備均裝設(shè)了電能表和電流表，因此只需讀出電能表中的數(shù)值，直接從發(fā)電廠SIS系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)中采集其用電功率，采出的用電功率值即為設(shè)備的實(shí)際用電功率，可直接參與到電能平衡的測(cè)試中。其有效用能計(jì)算為：

式中：Py為設(shè)備有效用能；Pc為測(cè)點(diǎn)采集到的設(shè)備在該時(shí)刻的有效用能。

（2）只有功率測(cè)點(diǎn)的設(shè)備

由于該類設(shè)備裝有電能表，但未裝電流表，故只需讀出電能表中的數(shù)值，直接從發(fā)電廠SIS系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)中采集其用電功率值，即為設(shè)備的實(shí)際用電功率，并直接參與到電能平衡的測(cè)試中，其有效用能按式（1）計(jì)算。

（3）只有電流測(cè)點(diǎn)的設(shè)備

由于該類設(shè)備未裝電能表，但裝有電流表，因此直接從發(fā)電廠SIS系統(tǒng)讀取其有效電流值，即為該設(shè)備的實(shí)際電流值，計(jì)算出該設(shè)備的有效用能，即：

式中：Ue為設(shè)備額定電壓；Ic為測(cè)點(diǎn)采集到的設(shè)備在該時(shí)刻的有效電流；Ie為設(shè)備額定電流。

（4）無(wú)任何測(cè)點(diǎn)信息的設(shè)備

由于該類設(shè)備未裝電能表和電流表，可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并參考同行業(yè)進(jìn)行電能平衡測(cè)試時(shí)針對(duì)此類設(shè)備的處理方法，計(jì)算該類設(shè)備的有效用能：

式中：Py為設(shè)備有效用能；Pe為設(shè)備額定功率；cosφ為設(shè)備的功率因數(shù)。

根據(jù)國(guó)家對(duì)現(xiàn)行火力發(fā)電廠生產(chǎn)設(shè)備的功率因數(shù)cosφ≥0.7的規(guī)定，因此cosφ在機(jī)組滿負(fù)荷工況時(shí)取0.85，低負(fù)荷工況時(shí)取0.7。如計(jì)算出的設(shè)備有效用能之和超過(guò)實(shí)際值，則在后期對(duì)其進(jìn)行修正。

2.2 變壓器損耗的計(jì)算方法

求取變壓器損耗目的是為了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，求出變壓器的損耗和使用效率，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。廠用變壓器體系邊界的劃分由一次線入口至二次線出口。因此，對(duì)于變壓器損耗按公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔPo為變壓器空載損耗；ΔPk為變壓器短路損耗；Ic為測(cè)點(diǎn)采集到的變壓器高壓側(cè)（一次側(cè)）在該時(shí)刻的有效電流；Ie為變壓器高壓側(cè)（一次側(cè)）額定電流。

2.3 線路損耗、其他損耗和生活用能的計(jì)算方法

為簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算過(guò)程，對(duì)于廠用電線路損耗、其他損耗（電動(dòng)機(jī)損耗，磨煤機(jī)與除塵器的損耗暫不測(cè)試）以及生活用能，在滿足電能平衡測(cè)試基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值進(jìn)行估算。

3 用電部分劃分

該發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組均為350 MW的燃煤發(fā)電機(jī)組，故對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的電能平衡測(cè)試按照發(fā)電機(jī)組工作原理進(jìn)行分系統(tǒng)測(cè)試，這樣有助于更加清楚地了解和掌握機(jī)組工作流程。在對(duì)全廠的電能平衡測(cè)試結(jié)束后，再對(duì)各部分用電量與同行業(yè)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，最后根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行過(guò)程給出改進(jìn)措施和建議。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工作情況對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)劃分：鍋爐側(cè)可劃分為鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、灰處理系統(tǒng)、油系統(tǒng)、爐水泵系統(tǒng)、控制雜用空氣系統(tǒng)、點(diǎn)火冷卻和密封空氣系統(tǒng)，汽輪機(jī)側(cè)可劃分為凝結(jié)水系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、軸承冷卻水系統(tǒng)、汽輪機(jī)室排水系統(tǒng)、油系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)。

進(jìn)行電能平衡測(cè)試的目的除了摸清發(fā)電機(jī)組的用能情況以及電能分布及流向之外，還可在電能平衡測(cè)試基礎(chǔ)上搞清機(jī)組主要設(shè)備與系統(tǒng)的耗電情況，針對(duì)各部分耗電率大小與同行業(yè)進(jìn)行比較，在對(duì)比分析下得出存在的差距，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高耗能設(shè)備以及能耗浪費(fèi)情況，并在此基礎(chǔ)上給出廠內(nèi)用電設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造的措施，以期進(jìn)一步降低廠用電率，降低發(fā)電成本。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)電廠電能平衡測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上包括：用于監(jiān)測(cè)機(jī)組發(fā)電功率以及廠用變/起變輸入功率的全廠電氣一次系統(tǒng)圖、用于監(jiān)測(cè)機(jī)組各母線所接設(shè)備耗電情況的設(shè)備清單圖和用電功率流程圖，所以，該系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)建立和連接、流程工藝?yán)L制、程序編寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)等。系統(tǒng)最終應(yīng)具有流程監(jiān)測(cè)界面、主要參數(shù)界面、全廠各部分用電占比界面、母線劃分下各機(jī)組的用電占比界面、用能設(shè)備監(jiān)控界面等。

由于工業(yè)組態(tài)軟件符合電力行業(yè)管理和對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的需求，相對(duì)于其余的界面設(shè)計(jì)和展示軟件，組態(tài)軟件可以創(chuàng)建離線和在線2種不同版本，可以提供智能化的操作，也可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和計(jì)算，因此選其作為軟件系統(tǒng)的搭建平臺(tái)，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的全廠用電分布和機(jī)組功率流向如圖3、圖4所示。

5 電能平衡測(cè)試結(jié)果分析

該發(fā)電廠2臺(tái)機(jī)組均為亞臨界機(jī)組，其中鍋爐、汽輪機(jī)等主機(jī)和輔機(jī)設(shè)備型號(hào)均相同，燃料結(jié)構(gòu)也完全相同，可燃用煤、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、輕油，燃燒方式采用全燒煤和煤/煤氣混燒2種。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組生產(chǎn)工藝和設(shè)備構(gòu)成基本相同，故放在一起進(jìn)行分析和對(duì)比，機(jī)組各系統(tǒng)有效用能及占比如表1所示。

1號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)的用電占比如圖5所示，滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)低壓側(cè)用電占比如圖6所示。

機(jī)組按母線分段功率流向如表2所示，當(dāng)1號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷350 MW時(shí)，高壓母線占比大，其余母線的用電比例和流向不夠突出，因此用電占比分為含高壓母線和不含高壓母線2類。

通過(guò)分析可知，在1號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷350 MW工況時(shí)，1號(hào)6 kV M/C，1C 6 kV M/C，1C 400 V P/C分別為63.88%，22.82%，4.10%，為主要的用電占比。除去6 kV母線，400 V母線側(cè)的1C 400 V P/C所占比重最多。

（1）6 kV母線側(cè)的用電設(shè)備是發(fā)電機(jī)組的重要輔機(jī)，為了確保安全生產(chǎn)和可靠性，設(shè)計(jì)了備用輔機(jī)，其用電設(shè)備對(duì)于負(fù)荷的變化是敏感的，用電情況變化曲線與負(fù)荷變化的曲線走向基本一致。如果從這類設(shè)備中找尋用電成本減少的方向，可以從設(shè)備的技術(shù)改造和減少不必要備用設(shè)備兩方面入手，如采用交流電機(jī)變頻調(diào)速器，對(duì)風(fēng)機(jī)采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)等。

圖3 全廠用電分布界面

圖4 機(jī)組功率流向界面

表1 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組各系統(tǒng)有效用能及占比

圖5 滿負(fù)荷1號(hào)機(jī)組各部分用電占比

圖6 滿負(fù)荷1號(hào)機(jī)組低壓用電占比

表2 機(jī)組按母線分段功率流向

（2）400 V母線上存在許多對(duì)負(fù)荷改變敏感度較低的設(shè)備和系統(tǒng)，稱為可間斷運(yùn)行的設(shè)備。該類設(shè)備對(duì)于生產(chǎn)的重要性不如6 kV母線上的設(shè)備，基本處于低電耗或停止?fàn)顟B(tài)。因此可間斷設(shè)備的停運(yùn)可以很大程度上節(jié)約廠用電成本。

（3）6 kV母線上所連接的設(shè)備對(duì)于生產(chǎn)比較重要，因此設(shè)備電流信息和功率信息都較全，同時(shí)測(cè)試誤差也較低，用能設(shè)備配置的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較完整，可為不同工況的運(yùn)行分析提供支持。400 V母線上，對(duì)于生產(chǎn)較為關(guān)鍵的設(shè)備，測(cè)點(diǎn)也相對(duì)較為完整。而其他設(shè)備的用電量則需依靠設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行推算，會(huì)對(duì)電能測(cè)試精度帶來(lái)影響。雖然此類設(shè)備容量不大，但仍然存在一定的節(jié)電潛力，如有條件應(yīng)增設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

依據(jù)各機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)用能設(shè)備的要求，就可以綜合分析各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀況、公輔系統(tǒng)狀況、各種燃料特性與供應(yīng)方式等，從而進(jìn)行發(fā)電廠電能平衡測(cè)試。再根據(jù)系統(tǒng)測(cè)出不同時(shí)刻和工況下的電能分布及占比情況，用以支持運(yùn)行人員分析、判斷各部分用能情況。最后結(jié)合歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)發(fā)電廠合理安排各用能設(shè)備的優(yōu)化控制，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少?gòu)S用電耗量。

6 結(jié)語(yǔ)

電能平衡測(cè)試的簡(jiǎn)化計(jì)算方法根據(jù)測(cè)點(diǎn)類型對(duì)發(fā)電機(jī)組用能設(shè)備進(jìn)行具體分類，采用工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建發(fā)電廠機(jī)組電能平衡測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)采集數(shù)據(jù)在滿負(fù)荷的典型運(yùn)行工況下進(jìn)行了電能平衡測(cè)試和計(jì)算，從而支持運(yùn)行人員分析、判斷各部分用能情況。

通過(guò)電能平衡測(cè)試，可以提高安全用電的可靠性，通過(guò)構(gòu)建廠內(nèi)電能平衡系統(tǒng)與相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可以促進(jìn)用能考核機(jī)制。發(fā)電廠在大力抓好電力建設(shè)、增加供電能力的同時(shí)，必須加強(qiáng)用電需求側(cè)科學(xué)管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的節(jié)電措施，減少電能的直接和間接損耗，提高能源使用效率，降低用電成本。

電能平衡測(cè)試工作是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)、工作量繁雜的系統(tǒng)工程，對(duì)于不同用電設(shè)備與系統(tǒng)開(kāi)展電能平衡測(cè)試的過(guò)程也不盡相同，需要在實(shí)際工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。