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經濟先進性的一項重要指標，反映的是電站的耗電量在發電量中所占的百分比。從設計角度，電氣專業設計者根據工藝專業提供的用電設備容量（包括電力生產過程中電動機、照明、采暖通風以及其他控制、保護裝置等）及設備運行方式估算出設計工況下的站用電率。但往往實際運行工況與設計工況存在偏差[1]，不時有業主反映余熱電站在投運后，實際運行的站用電率與設計值不符，要求設計方予以解釋；也有業主要求降低站用電率，以項目站用電率的高低作為評判設計是否先進的標準。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

站用電率是指統計期內廠用電量與發電量的比值。電站投產后，運行人員一般是把通過關口計量計測得的電站發電量與上網電量的差值，同電站發電量的比值作為站用電率。即：

式中：

e——站用電率，%

Wf——電站發電量，kWh

WSW——電站的上網電量，kWh

2.2 設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，發電企業可將其用于運行監控和指標考核。但對于設計方來說，由于并不掌握電站運行的實測電量數據，加之建設方在項目建設前期就需要設計方提供站用電率來對項目進行經濟評價和分析，因此在實際工作中式（1）的計算方法對設計方并不適用。目前在設計中對站用電率多采取以下方法進行計算。

根據《火力發電廠廠用電設計技術規定》[2]，凝汽式發電廠站用電率計算（估算）公式：

式中：

e——站用電率，%

Sc——汽輪發電機組在100%額定出力時季）的站用電計算負荷，kVA

cos?av——電動機在運行時的平均功率因數，可取0.8

Pg——發電機的額定功率，即100%出力時的功率

當確有需要且具備相應條件時，也可對Sc、Pg進行年度時間段內的時間加權統計。

由于水泥工廠余熱電站一般選用凝汽式汽輪發電機，所以設計時站用電率的估算采用式（2）是合適的，但發電機的額定功率值需要進一步核算，同時站用電負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，根據式（1），站用電率運行計算值是某一時期站用電耗電量與發電量實測值的比值，而根據式（2），站用電率設計估算值是按照機組滿發的工況，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]，主要受余熱電站發電機裝機容量及站用電負荷波動影響。

3.1 余熱電站發電機裝機容量

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

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

表1 余熱電站設計發電量與發電機裝機容量對比

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

式中：

η——設計發電功率與裝機容量比值，可取0.9

Sj——汽輪發電機組在設計工況時的站用電計算負荷，kVA

Pj——汽輪發電機組在設計工況時的發電量，kW

3.2 水泥工廠余熱電站站用電負荷計算

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

（1）只計算經常連續運行的負荷；

（2）對于備用的負荷，即使由不同變壓器供電也不予計算；

（3）全廠性公用負荷，按機組的容量比例分攤到各機組；

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

（5）在24h內變動大的負荷，可按設計采用工作班制進行修正，一班制工作的乘以系數0.33，兩班制工作的乘以系數0.67；

（6）照明負荷乘以系數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性變動的負荷及在24h內變動大的負荷[4]。

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

表2 某余熱電站循環水泵不同季節負荷率對比

從表2可以看出，在發電量基本保持穩定的情況下，一年中不同季節循環水泵的負荷率波動較大，這直接影響到站用電的負荷計算。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荷的比例很大，所以變頻系數（季節系數）必須引起重視。

除此之外，在24h內變動大的負荷，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，此類設備需考慮倒班系數12/48=0.25。

由此可知，在進行站用電負荷計算時，除了經常連續穩定運行的負荷，必須要考慮隨季節變動較大的變頻負荷及在24h內變動大的負荷，基于此，在設計階段，站用電負荷需在站用變壓器負荷計算的基礎上考慮一定的系數，得到下式：

式中：Sj——汽輪發電機組在設計工況時的站用電計算負荷，kVA

表3 余熱電站站用電率估算值與實際值對比

Sj1——隨季節變化較大的負荷及變頻負荷，kVA

Sj2——在24h內變動大的負荷，kVA

Sj3——其他負荷，kVA

α——變頻系數或季節系數

β——倒班系數

式（6）中系數α的取值，需根據余熱電站所處地區的氣候條件進行選擇，綜合后一般取0.6～0.9，熱帶地區可取偏大一些，寒帶地區可取偏小一些，不同設備根據實際運行情況可取不同系數；式（7）中倒班系數β的取值，對于余熱電站來說，主要考慮化學水車間的負荷，影響因素主要為除鹽水箱容量大小、設備制水能力等，綜合后系數一般取0.2～0.4。對于其他在24h內變動大的負荷，可根據實際倒班時間進行核算。

站用變壓器的負荷計算方法，可采用規范DL/T 5153-2014附錄F中的換算系數法、軸功率法或其他設計手冊中提到的需要系數法、利用系數法等，本文不再贅述。站用電率值，根據實際運行經驗，采用“換算系數法”計算所得，通常較實際運行站用電率偏大[5]，因此本文采用“需要系數法”進行計算，需要系數根據某公司多個項目用電設備實際運行數據及參考國內外規范、手冊上的數據確定。

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，所得結果如表3所示。

表中關于α取值，循環水泵、冷卻塔風機為0.7，給水泵及凝結水泵為0.8；β取值0.3；cos?av取值0.8。由結果可見，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%，在設計階段此偏差是可以接受的。

5 結語

對于水泥工廠余熱電站，余熱熱源具有不穩定性，受生產線影響較大，使用常規站用電率計算方法得到的數值往往偏差較大。本文在傳統站用電率計算方法的基礎上，結合工程實際，在充分了解站用電負荷運行情況后，對負荷計算以及影響站用電率的主要因素進行了分析，優化了站用電率的計算方法，計算值與實測值誤差很小，可供后續設計參考。