水泥工廠余熱電站站用電率計算方法分析

武猛

1 站用電率計算的必要性

余熱電站站用電率是評價水泥工廠余熱電站技術(shù)經(jīng)濟先進性的一項重要指標(biāo)，反映的是電站的耗電量在發(fā)電量中所占的百分比。從設(shè)計角度，電氣專業(yè)設(shè)計者根據(jù)工藝專業(yè)提供的用電設(shè)備容量（包括電力生產(chǎn)過程中電動機、照明、采暖通風(fēng)以及其他控制、保護裝置等）及設(shè)備運行方式估算出設(shè)計工況下的站用電率。但往往實際運行工況與設(shè)計工況存在偏差[1]，不時有業(yè)主反映余熱電站在投運后，實際運行的站用電率與設(shè)計值不符，要求設(shè)計方予以解釋；也有業(yè)主要求降低站用電率，以項目站用電率的高低作為評判設(shè)計是否先進的標(biāo)準(zhǔn)。所以有必要對站用電率計算方法進行研究分析，找出適合余熱電站的站用電率計算方法。

2 站用電率計算方法

2.1 實測站用電率計算方法

站用電率是指統(tǒng)計期內(nèi)廠用電量與發(fā)電量的比值。電站投產(chǎn)后，運行人員一般是把通過關(guān)口計量計測得的電站發(fā)電量與上網(wǎng)電量的差值，同電站發(fā)電量的比值作為站用電率。即：

式中：

e——站用電率，%

Wf——電站發(fā)電量，kWh

WSW——電站的上網(wǎng)電量，kWh

2.2 設(shè)計階段站用電率計算方法

通過上述公式計算得到的站用電率即是電站的運行站用電率，發(fā)電企業(yè)可將其用于運行監(jiān)控和指標(biāo)考核。但對于設(shè)計方來說，由于并不掌握電站運行的實測電量數(shù)據(jù)，加之建設(shè)方在項目建設(shè)前期就需要設(shè)計方提供站用電率來對項目進行經(jīng)濟評價和分析，因此在實際工作中式（1）的計算方法對設(shè)計方并不適用。目前在設(shè)計中對站用電率多采取以下方法進行計算。

根據(jù)《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]，凝汽式發(fā)電廠站用電率計算（估算）公式：

式中：

e——站用電率，%

Sc——汽輪發(fā)電機組在100%額定出力時季）的站用電計算負(fù)荷，kVA

cos?av——電動機在運行時的平均功率因數(shù)，可取0.8

Pg——發(fā)電機的額定功率，即100%出力時的功率

當(dāng)確有需要且具備相應(yīng)條件時，也可對Sc、Pg進行年度時間段內(nèi)的時間加權(quán)統(tǒng)計。

由于水泥工廠余熱電站一般選用凝汽式汽輪發(fā)電機，所以設(shè)計時站用電率的估算采用式（2）是合適的，但發(fā)電機的額定功率值需要進一步核算，同時站用電負(fù)荷亦需要更精確地計算。

3 站用電計算方法分析

從前文可以看出，根據(jù)式（1），站用電率運行計算值是某一時期站用電耗電量與發(fā)電量實測值的比值，而根據(jù)式（2），站用電率設(shè)計估算值是按照機組滿發(fā)的工況，模擬全年情況進行計算的。這兩種計算方式得到的站用電率存在一定的差異[3]，主要受余熱電站發(fā)電機裝機容量及站用電負(fù)荷波動影響。

3.1 余熱電站發(fā)電機裝機容量

由于余熱電站是利用廢氣廢熱進行熱能轉(zhuǎn)換后進行發(fā)電的，而水泥工廠的廢氣廢熱量具有不穩(wěn)定性，且隨著水泥的產(chǎn)量及工藝的要求，在一定范圍內(nèi)變化。設(shè)計時根據(jù)廢氣參數(shù)的情況選定余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組，此時依據(jù)設(shè)計工況計算所得發(fā)電量均應(yīng)小于發(fā)電機額定功率，同時實際運行時基本保證與設(shè)計工況不會相差太大。表1顯示某公司設(shè)計的4個余熱電站的設(shè)計工況、運行工況發(fā)電量與發(fā)電機裝機容量比較。

由表1可以看出，設(shè)計工況、運行工況發(fā)電量均小于發(fā)電機裝機容量，平均比值約為90%。其原因在于余熱機組的熱源不可控，設(shè)計時一般按照前期收集資料階段業(yè)主提供的廢氣參數(shù)或者現(xiàn)場標(biāo)定的參數(shù)進行設(shè)計。根據(jù)某公司余熱電站運行經(jīng)驗,大部分時段實際發(fā)電量不會超過裝機容量，實際平均發(fā)電量與設(shè)計發(fā)電量偏差一般≯10%，如偏差較大往往是設(shè)計時提供的廢氣參數(shù)不準(zhǔn)造成的。

表1 余熱電站設(shè)計發(fā)電量與發(fā)電機裝機容量對比

由此可以得出，對于式（2）中的余熱電站發(fā)電機額定功率應(yīng)修改為設(shè)計工況時發(fā)電功率。如暫時沒有設(shè)計工況時發(fā)電功率，可考慮設(shè)計發(fā)電功率與裝機容量比值η，得到式（3）、（4）：

式中：

η——設(shè)計發(fā)電功率與裝機容量比值，可取0.9

Sj——汽輪發(fā)電機組在設(shè)計工況時的站用電計算負(fù)荷，kVA

Pj——汽輪發(fā)電機組在設(shè)計工況時的發(fā)電量，kW

3.2 水泥工廠余熱電站站用電負(fù)荷計算

規(guī)范DL/T 5153-2014中提到站用電負(fù)荷Sc的計算原則與站用變壓器的負(fù)荷計算原則相同，不同部分可按如下處理：

（1）只計算經(jīng)常連續(xù)運行的負(fù)荷；

（2）對于備用的負(fù)荷，即使由不同變壓器供電也不予計算；

（3）全廠性公用負(fù)荷，按機組的容量比例分?jǐn)偟礁鳈C組；

（4）隨機組運行工況或季節(jié)性變動的負(fù)荷，如采用了變頻調(diào)速等節(jié)能手段的機爐輔機、循環(huán)水泵、通風(fēng)、采暖等，按一年中的時間加權(quán)平均負(fù)荷值計算；

（5）在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷，可按設(shè)計采用工作班制進行修正，一班制工作的乘以系數(shù)0.33，兩班制工作的乘以系數(shù)0.67；

（6）照明負(fù)荷乘以系數(shù)0.5。

對于余熱電站，需要進一步核算的主要是隨機組運行工況或季節(jié)性變動的負(fù)荷及在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷[4]。

影響余熱電站負(fù)荷的主要電氣設(shè)備為鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機等。目前絕大多數(shù)余熱電站以上電機均已選用變頻電機，以更好地適應(yīng)余熱電站工況不穩(wěn)定的情況。對于此類設(shè)備及空調(diào)、采暖等應(yīng)按一年中的時間加權(quán)平均負(fù)荷值計算。表2顯示某公司在巴基斯坦某余熱電站一年中不同季節(jié)循環(huán)水泵的負(fù)荷率，設(shè)計時選用3臺220kW的循環(huán)水泵，兩用一備，變頻控制。

表2 某余熱電站循環(huán)水泵不同季節(jié)負(fù)荷率對比

從表2可以看出，在發(fā)電量基本保持穩(wěn)定的情況下，一年中不同季節(jié)循環(huán)水泵的負(fù)荷率波動較大，這直接影響到站用電的負(fù)荷計算。由于余熱電站主要的大容量電機均已采用變頻控制，變頻電機占余熱電站總負(fù)荷的比例很大，所以變頻系數(shù)（季節(jié)系數(shù)）必須引起重視。

除此之外，在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷，例如余熱電站的水處理車間，一般容納48h除鹽水消耗量的除鹽水箱所需制水時間大約為12h，此類設(shè)備需考慮倒班系數(shù)12/48=0.25。

由此可知，在進行站用電負(fù)荷計算時，除了經(jīng)常連續(xù)穩(wěn)定運行的負(fù)荷，必須要考慮隨季節(jié)變動較大的變頻負(fù)荷及在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷，基于此，在設(shè)計階段，站用電負(fù)荷需在站用變壓器負(fù)荷計算的基礎(chǔ)上考慮一定的系數(shù)，得到下式：

式中：Sj——汽輪發(fā)電機組在設(shè)計工況時的站用電計算負(fù)荷，kVA

表3 余熱電站站用電率估算值與實際值對比

Sj1——隨季節(jié)變化較大的負(fù)荷及變頻負(fù)荷，kVA

Sj2——在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷，kVA

Sj3——其他負(fù)荷，kVA

α——變頻系數(shù)或季節(jié)系數(shù)

β——倒班系數(shù)

式（6）中系數(shù)α的取值，需根據(jù)余熱電站所處地區(qū)的氣候條件進行選擇，綜合后一般取0.6～0.9，熱帶地區(qū)可取偏大一些，寒帶地區(qū)可取偏小一些，不同設(shè)備根據(jù)實際運行情況可取不同系數(shù)；式（7）中倒班系數(shù)β的取值，對于余熱電站來說，主要考慮化學(xué)水車間的負(fù)荷，影響因素主要為除鹽水箱容量大小、設(shè)備制水能力等，綜合后系數(shù)一般取0.2～0.4。對于其他在24h內(nèi)變動大的負(fù)荷，可根據(jù)實際倒班時間進行核算。

站用變壓器的負(fù)荷計算方法，可采用規(guī)范DL/T 5153-2014附錄F中的換算系數(shù)法、軸功率法或其他設(shè)計手冊中提到的需要系數(shù)法、利用系數(shù)法等，本文不再贅述。站用電率值，根據(jù)實際運行經(jīng)驗，采用“換算系數(shù)法”計算所得，通常較實際運行站用電率偏大[5]，因此本文采用“需要系數(shù)法”進行計算，需要系數(shù)根據(jù)某公司多個項目用電設(shè)備實際運行數(shù)據(jù)及參考國內(nèi)外規(guī)范、手冊上的數(shù)據(jù)確定。

4 計算實例

為驗證以上算法的實用性，下面對表1中四個不同容量的水泥工廠余熱電站進行站用電率估算，并與實際值進行比較，所得結(jié)果如表3所示。

表中關(guān)于α取值，循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機為0.7，給水泵及凝結(jié)水泵為0.8；β取值0.3；cos?av取值0.8。由結(jié)果可見，采用式（3）計算所得站用電率與實際運行所得站用電率，平均偏差約為3%，在設(shè)計階段此偏差是可以接受的。

5 結(jié)語

對于水泥工廠余熱電站，余熱熱源具有不穩(wěn)定性，受生產(chǎn)線影響較大，使用常規(guī)站用電率計算方法得到的數(shù)值往往偏差較大。本文在傳統(tǒng)站用電率計算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際，在充分了解站用電負(fù)荷運行情況后，對負(fù)荷計算以及影響站用電率的主要因素進行了分析，優(yōu)化了站用電率的計算方法，計算值與實測值誤差很小，可供后續(xù)設(shè)計參考。