發(fā)電廠電能平衡用能體系與測試系統(tǒng)的設(shè)計及實現(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) 自動化工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，電力更是生產(chǎn)發(fā)展的動力，也是今后相當(dāng)長時期國民經(jīng)濟發(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，對行業(yè)生產(chǎn)成本或競爭力的影響很大[5-10]。為此，必須加強企業(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行電能平衡測試[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。開展企業(yè)電能平衡測試工作，是加強能源科學(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]。

以下針對某發(fā)電廠2臺機組主要設(shè)備與系統(tǒng)，進行相應(yīng)的能量平衡及電平衡測算與評價。主要是根據(jù)機組主要設(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，對大中型電機設(shè)備進行用電量測算與趨勢分析，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、水泵、電動機、變壓器等耗能設(shè)備的耗電量差異較大，在進行電能平衡測試后，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，對調(diào)整用電負荷、節(jié)約能源具有指導(dǎo)意義。

1 用能體系劃分

在進行電能平衡測試之前，首先應(yīng)將電能平衡測試對象進行劃分，劃清電能平衡測試對象的用電體系。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)電能平衡測試對象和達到的目標(biāo)等因素來確定。進行電能平衡測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號主變壓器（以下簡稱主變）、2號主變、1號起動變壓器（以下簡稱起變）、2號起變共同提供，廠用電量為以上4臺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，即機組在一定的負荷工況條件下，達到規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時，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)電的動力、通風(fēng)、生產(chǎn)、維護、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)計到的損耗。

發(fā)電廠用電體系的電能平衡核算實質(zhì)上是測量與計算廠用電用量，包括用于發(fā)電生產(chǎn)運行設(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)電機組的實際運行經(jīng)驗，生產(chǎn)運行設(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)輔助運行設(shè)備、汽輪機側(cè)輔助運行設(shè)備和輸煤系統(tǒng)運行設(shè)備。鍋爐側(cè)輔助運行設(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；汽輪機側(cè)輔助運行設(shè)備包括汽輪機凝結(jié)水系統(tǒng)、補給水系統(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)等包含的運行設(shè)備。對以上系統(tǒng)進行調(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 計算方法簡化

根據(jù)DL/T 606.1-2014《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則》（以下簡稱《導(dǎo)則》）可得到各設(shè)備有效用能的計算方法。但根據(jù)《導(dǎo)則》中的計算方法進行計算時，計算公式較復(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)備測點信息，對電能平衡測試的計算公式進行改進和簡化，使最終計算出來的數(shù)據(jù)更加接近實際值。

2.1 生產(chǎn)設(shè)備和裝置有效用能的計算方法

（1）功率測點和電流測點齊全的設(shè)備

風(fēng)機、水泵、電動機等生產(chǎn)設(shè)備的測試方法，按現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)進行。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)的測點中采集其用電功率，采出的用電功率值即為設(shè)備的實際用電功率，可直接參與到電能平衡的測試中。其有效用能計算為：

式中：Py為設(shè)備有效用能；Pc為測點采集到的設(shè)備在該時刻的有效用能。

（2）只有功率測點的設(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)的測點中采集其用電功率值，即為設(shè)備的實際用電功率，并直接參與到電能平衡的測試中，其有效用能按式（1）計算。

（3）只有電流測點的設(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)備的實際電流值，計算出該設(shè)備的有效用能，即：

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

（4）無任何測點信息的設(shè)備

由于該類設(shè)備未裝電能表和電流表，可根據(jù)運行經(jīng)驗并參考同行業(yè)進行電能平衡測試時針對此類設(shè)備的處理方法，計算該類設(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)國家對現(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在機組滿負荷工況時取0.85，低負荷工況時取0.7。如計算出的設(shè)備有效用能之和超過實際值，則在后期對其進行修正。

2.2 變壓器損耗的計算方法

求取變壓器損耗目的是為了通過現(xiàn)場實際測試，求出變壓器的損耗和使用效率，以達到經(jīng)濟運行的目的。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，對于變壓器損耗按公式（4）進行計算：

式中：ΔPo為變壓器空載損耗；ΔPk為變壓器短路損耗；Ic為測點采集到的變壓器高壓側(cè)（一次側(cè)）在該時刻的有效電流；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算方法

為簡化繁瑣的計算過程，對于廠用電線路損耗、其他損耗（電動機損耗，磨煤機與除塵器的損耗暫不測試）以及生活用能，在滿足電能平衡測試基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)值進行估算。

3 用電部分劃分

該發(fā)電廠1號、2號機組均為350 MW的燃煤發(fā)電機組，故對1號、2號機組的電能平衡測試按照發(fā)電機組工作原理進行分系統(tǒng)測試，這樣有助于更加清楚地了解和掌握機組工作流程。在對全廠的電能平衡測試結(jié)束后，再對各部分用電量與同行業(yè)以及國家標(biāo)準(zhǔn)進行對比分析，最后根據(jù)對比分析結(jié)果，對發(fā)電廠運行過程給出改進措施和建議。

根據(jù)實際運行工作情況對1號、2號機組進行系統(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)、點火冷卻和密封空氣系統(tǒng)，汽輪機側(cè)可劃分為凝結(jié)水系統(tǒng)、補給水系統(tǒng)、軸承冷卻水系統(tǒng)、汽輪機室排水系統(tǒng)、油系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)。

進行電能平衡測試的目的除了摸清發(fā)電機組的用能情況以及電能分布及流向之外，還可在電能平衡測試基礎(chǔ)上搞清機組主要設(shè)備與系統(tǒng)的耗電情況，針對各部分耗電率大小與同行業(yè)進行比較，在對比分析下得出存在的差距，及時發(fā)現(xiàn)高耗能設(shè)備以及能耗浪費情況，并在此基礎(chǔ)上給出廠內(nèi)用電設(shè)備及系統(tǒng)進行升級改造的措施，以期進一步降低廠用電率，降低發(fā)電成本。

4 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)電廠電能平衡測試系統(tǒng)在設(shè)計上包括：用于監(jiān)測機組發(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)測機組各母線所接設(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)庫建立和連接、流程工藝?yán)L制、程序編寫和實現(xiàn)等。系統(tǒng)最終應(yīng)具有流程監(jiān)測界面、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)管理和對于數(shù)據(jù)實時更新的需求，相對于其余的界面設(shè)計和展示軟件，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，也可以進行大量的數(shù)據(jù)儲存和計算，因此選其作為軟件系統(tǒng)的搭建平臺，在該平臺上實現(xiàn)的全廠用電分布和機組功率流向如圖3、圖4所示。

5 電能平衡測試結(jié)果分析

該發(fā)電廠2臺機組均為亞臨界機組，其中鍋爐、汽輪機等主機和輔機設(shè)備型號均相同，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、2號機組生產(chǎn)工藝和設(shè)備構(gòu)成基本相同，故放在一起進行分析和對比，機組各系統(tǒng)有效用能及占比如表1所示。

1號機組滿負荷發(fā)電時的用電占比如圖5所示，滿負荷發(fā)電時低壓側(cè)用電占比如圖6所示。

機組按母線分段功率流向如表2所示，當(dāng)1號機組滿負荷350 MW時，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。

通過分析可知，在1號機組滿負荷350 MW工況時，1號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)電機組的重要輔機，為了確保安全生產(chǎn)和可靠性，設(shè)計了備用輔機，其用電設(shè)備對于負荷的變化是敏感的，用電情況變化曲線與負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，如采用交流電機變頻調(diào)速器，對風(fēng)機采用先進的變頻調(diào)速技術(shù)等。

圖3 全廠用電分布界面

圖4 機組功率流向界面

表1 1號、2號機組各系統(tǒng)有效用能及占比

圖5 滿負荷1號機組各部分用電占比

圖6 滿負荷1號機組低壓用電占比

表2 機組按母線分段功率流向

（2）400 V母線上存在許多對負荷改變敏感度較低的設(shè)備和系統(tǒng)，稱為可間斷運行的設(shè)備。該類設(shè)備對于生產(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，同時測試誤差也較低，用能設(shè)備配置的測點數(shù)據(jù)較完整，可為不同工況的運行分析提供支持。400 V母線上，對于生產(chǎn)較為關(guān)鍵的設(shè)備，測點也相對較為完整。而其他設(shè)備的用電量則需依靠設(shè)計參數(shù)來進行推算，會對電能測試精度帶來影響。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)實時監(jiān)測點。

依據(jù)各機組實際運行狀態(tài)及對用能設(shè)備的要求，就可以綜合分析各臺機組的運行狀況、公輔系統(tǒng)狀況、各種燃料特性與供應(yīng)方式等，從而進行發(fā)電廠電能平衡測試。再根據(jù)系統(tǒng)測出不同時刻和工況下的電能分布及占比情況，用以支持運行人員分析、判斷各部分用能情況。最后結(jié)合歷史運行經(jīng)驗，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，實現(xiàn)機組的經(jīng)濟運行，減少廠用電耗量。

6 結(jié)語

電能平衡測試的簡化計算方法根據(jù)測點類型對發(fā)電機組用能設(shè)備進行具體分類，采用工業(yè)組態(tài)軟件構(gòu)建發(fā)電廠機組電能平衡測試系統(tǒng)，通過采集數(shù)據(jù)在滿負荷的典型運行工況下進行了電能平衡測試和計算，從而支持運行人員分析、判斷各部分用能情況。

通過電能平衡測試，可以提高安全用電的可靠性，通過構(gòu)建廠內(nèi)電能平衡系統(tǒng)與相關(guān)統(tǒng)計報表，可以促進用能考核機制。發(fā)電廠在大力抓好電力建設(shè)、增加供電能力的同時，必須加強用電需求側(cè)科學(xué)管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的節(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。

電能平衡測試工作是一項技術(shù)性強、工作量繁雜的系統(tǒng)工程，對于不同用電設(shè)備與系統(tǒng)開展電能平衡測試的過程也不盡相同，需要在實際工作中不斷積累經(jīng)驗。