發電廠電能平衡用能體系與測試系統的設計及實現

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 自動化工程學院，上海 200090）

0 引言

能源是發展國民經濟的主要物質基礎，電力更是生產發展的動力，也是今后相當長時期國民經濟發展的能源資源[1-4]。電力成本已占到了企業總成本的約40%，由于該類單位產品或單位增加值的電耗非常高，電能產能占總生產成本的比重較高，對行業生產成本或競爭力的影響很大[5-10]。為此，必須加強企業用電需求側科學管理，采取技術上可行、經濟上合理的節電措施，減少電能的直接和間接損耗，提高能源使用效率。

發電企業掌控用電情況最直接有效的方法是進行電能平衡測試[11]，其主要內容是系統地摸清用能設備電量消耗總量、構成、分布、流向、用電設備的狀況和電能利用率等。開展企業電能平衡測試工作，是加強能源科學管理、制訂節電規劃、確定節能技改方案和提高能源合理利用水平的重要基礎工作[12]。

以下針對某發電廠2臺機組主要設備與系統，進行相應的能量平衡及電平衡測算與評價。主要是根據機組主要設備與系統（含脫硫/脫硝/除塵/灰處理系統、輸煤系統、化學制水與廢排水系統等）的生產工藝特性，對大中型電機設備進行用電量測算與趨勢分析，得出相應的技術結論。發電廠供電設備中同類型風機、水泵、電動機、變壓器等耗能設備的耗電量差異較大，在進行電能平衡測試后，可準確掌握設備用能效率，加快淘汰和更新效率較低的設備，對調整用電負荷、節約能源具有指導意義。

1 用能體系劃分

在進行電能平衡測試之前，首先應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，根據電能平衡測試對象和達到的目標等因素來確定。進行電能平衡測試所研究的用電體系內部稱為界內[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，在本文中指火力發電廠的廠用電量。根據發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工藝下，即機組在一定的負荷工況條件下，達到規定的質量標準時，滿足物理化學變化所必須消耗的有功電能。本文中有效電能包括用于發電的動力、通風、生產、維護、輸煤、脫硫、脫硝、化水等生產設備用電量以及非生產用電量。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計到的損耗。

發電廠用電體系的電能平衡核算實質上是測量與計算廠用電用量，包括用于發電生產運行設備的耗電量以及生活、損耗電量的總和。根據電力行業發電機組的實際運行經驗，生產運行設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備主要包括鍋爐側輔助運行設備、汽輪機側輔助運行設備和輸煤系統運行設備。鍋爐側輔助運行設備包括鍋爐風煙系統、制粉系統等所包含的設備；汽輪機側輔助運行設備包括汽輪機凝結水系統、補給水系統、循環水系統、排水系統所包含的設備；輸煤系統運行設備包括灰處理系統、脫硫脫硝系統、化學水處理系統等包含的運行設備。對以上系統進行調研和總結，得出了影響火力發電廠廠用電率的主要指標和影響因素，歸納后如圖2所示。

圖2 發電廠廠用電率的主要指標和影響因素

2 計算方法簡化

根據DL/T 606.1-2014《火力發電廠能量平衡導則》（以下簡稱《導則》）可得到各設備有效用能的計算方法。但根據《導則》中的計算方法進行計算時，計算公式較復雜，所需參數較多，而大部分發電廠的SIS（安全儀表系統）均能提供部分大型設備的有效用能數據。因此，可以根據發電廠SIS系統所提供的設備測點信息，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據更加接近實際值。

2.1 生產設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備

風機、水泵、電動機等生產設備的測試方法，按現行測試標準進行。由于該類設備均裝設了電能表和電流表，因此只需讀出電能表中的數值，直接從發電廠SIS系統的測點中采集其用電功率，采出的用電功率值即為設備的實際用電功率，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為設備有效用能；Pc為測點采集到的設備在該時刻的有效用能。

（2）只有功率測點的設備

由于該類設備裝有電能表，但未裝電流表，故只需讀出電能表中的數值，直接從發電廠SIS系統的測點中采集其用電功率值，即為設備的實際用電功率，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）只有電流測點的設備

由于該類設備未裝電能表，但裝有電流表，因此直接從發電廠SIS系統讀取其有效電流值，即為該設備的實際電流值，計算出該設備的有效用能，即：

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

（4）無任何測點信息的設備

由于該類設備未裝電能表和電流表，可根據運行經驗并參考同行業進行電能平衡測試時針對此類設備的處理方法，計算該類設備的有效用能：

式中：Py為設備有效用能；Pe為設備額定功率；cosφ為設備的功率因數。

根據國家對現行火力發電廠生產設備的功率因數cosφ≥0.7的規定，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場實際測試，求出變壓器的損耗和使用效率，以達到經濟運行的目的。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（一次側）在該時刻的有效電流；Ie為變壓器高壓側（一次側）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上，根據經驗統計數值進行估算。

3 用電部分劃分

該發電廠1號、2號機組均為350 MW的燃煤發電機組，故對1號、2號機組的電能平衡測試按照發電機組工作原理進行分系統測試，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束后，再對各部分用電量與同行業以及國家標準進行對比分析，最后根據對比分析結果，對發電廠運行過程給出改進措施和建議。

根據實際運行工作情況對1號、2號機組進行系統劃分：鍋爐側可劃分為鍋爐風煙系統、制粉系統、排水系統、灰處理系統、油系統、爐水泵系統、控制雜用空氣系統、點火冷卻和密封空氣系統，汽輪機側可劃分為凝結水系統、補給水系統、軸承冷卻水系統、汽輪機室排水系統、油系統、循環水系統。

進行電能平衡測試的目的除了摸清發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上搞清機組主要設備與系統的耗電情況，針對各部分耗電率大小與同行業進行比較，在對比分析下得出存在的差距，及時發現高耗能設備以及能耗浪費情況，并在此基礎上給出廠內用電設備及系統進行升級改造的措施，以期進一步降低廠用電率，降低發電成本。

4 系統設計與實現

發電廠電能平衡測試系統在設計上包括：用于監測機組發電功率以及廠用變/起變輸入功率的全廠電氣一次系統圖、用于監測機組各母線所接設備耗電情況的設備清單圖和用電功率流程圖，所以，該系統由以下部分構成：數據通信、數據庫建立和連接、流程工藝繪制、程序編寫和實現等。系統最終應具有流程監測界面、主要參數界面、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、用能設備監控界面等。

由于工業組態軟件符合電力行業管理和對于數據實時更新的需求，相對于其余的界面設計和展示軟件，組態軟件可以創建離線和在線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據儲存和計算，因此選其作為軟件系統的搭建平臺，在該平臺上實現的全廠用電分布和機組功率流向如圖3、圖4所示。

5 電能平衡測試結果分析

該發電廠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備型號均相同，燃料結構也完全相同，可燃用煤、高爐煤氣、焦爐煤氣、輕油，燃燒方式采用全燒煤和煤/煤氣混燒2種。1號、2號機組生產工藝和設備構成基本相同，故放在一起進行分析和對比，機組各系統有效用能及占比如表1所示。

1號機組滿負荷發電時的用電占比如圖5所示，滿負荷發電時低壓側用電占比如圖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母線側的1C 400 V P/C所占比重最多。

（1）6 kV母線側的用電設備是發電機組的重要輔機，為了確保安全生產和可靠性，設計了備用輔機，其用電設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。如果從這類設備中找尋用電成本減少的方向，可以從設備的技術改造和減少不必要備用設備兩方面入手，如采用交流電機變頻調速器，對風機采用先進的變頻調速技術等。

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備和系統，稱為可間斷運行的設備。該類設備對于生產的重要性不如6 kV母線上的設備，基本處于低電耗或停止狀態。因此可間斷設備的停運可以很大程度上節約廠用電成本。

（3）6 kV母線上所連接的設備對于生產比較重要，因此設備電流信息和功率信息都較全，同時測試誤差也較低，用能設備配置的測點數據較完整，可為不同工況的運行分析提供支持。400 V母線上，對于生產較為關鍵的設備，測點也相對較為完整。而其他設備的用電量則需依靠設計參數來進行推算，會對電能測試精度帶來影響。雖然此類設備容量不大，但仍然存在一定的節電潛力，如有條件應增設實時監測點。

依據各機組實際運行狀態及對用能設備的要求，就可以綜合分析各臺機組的運行狀況、公輔系統狀況、各種燃料特性與供應方式等，從而進行發電廠電能平衡測試。再根據系統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。最后結合歷史運行經驗，指導發電廠合理安排各用能設備的優化控制，提高能源利用率，實現機組的經濟運行，減少廠用電耗量。

6 結語

電能平衡測試的簡化計算方法根據測點類型對發電機組用能設備進行具體分類，采用工業組態軟件構建發電廠機組電能平衡測試系統，通過采集數據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，通過構建廠內電能平衡系統與相關統計報表，可以促進用能考核機制。發電廠在大力抓好電力建設、增加供電能力的同時，必須加強用電需求側科學管理，采取技術上可行、經濟上合理的節電措施，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性強、工作量繁雜的系統工程，對于不同用電設備與系統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驗。