寶鋼熱軋2050水處理電力系統經濟運行策略研究

袁顯能

（寶鋼股份能環部，上海 200941）

引言

電力變壓器、輸電線路等作為供配電系統中電能變換及輸送過程中的重要設備，在給負載傳輸電能的同時，會造成其自身發熱，產生能源損耗。

一般來說，其損耗與設備的結構、材質、負載情況和因素等有關。以熱軋2050 水處理電力系統為例，結合實際工況，分析通過優化系統運行方式，實現系統節能運行的途徑。

1 熱軋2050水處理電力系統現狀

熱軋2050 水處理電力系統為2050 熱軋水處理設備供電，按電壓等級可分為6 kV 高壓系統和400 V 低壓系統。高壓6 kV 系統由1 臺容量為20 MVA、電壓為35/6.3 kV 主變及相關高壓配電裝置、一套3.51 MVar 無功補償裝置（濾波）、6 臺動力變壓器及2臺照明變壓器等設備組成，低壓400 V配電裝置分為三組，其中兩組動力配電系統均采用單母線三分段方式，分段母線間設置有兩只母聯開關；一組照明配電系統采用單母線二分段的方式，設有一只母聯開關。其系統圖見圖1所示。

圖1 熱軋2050水處理電力系統簡圖

基于以上電力系統，針對實際運行工況，圍繞減少運行變壓器數量、優化動力變負荷分配、優化無功補償投切模式等方面進行分析，以減少系統中變壓器運行總損耗為目標，探討實現該系統經濟運行途徑。

2 動力及照明變壓器經濟運行模式分析

為了分析系統運行情況，正常生產中對該系統動力變及照明變低壓側電流數據進行了一次抄表，其數據見表1所列。

從表1數據可以看出，2臺照明變壓器負載率非常低，均低于5%，接近于空載運行。6 臺動力變任意兩臺變壓器負載之和均不超過單臺的100%。故兩組動力變和一組照明變均可退出1 臺（共3 臺）變壓器運行，負載能力能滿足日常生產的要求。

表1 運行中抄表數據

接下來分析動力配電系統每組在2臺變壓器運行模式下，其最佳經濟運行模式。根據變壓器損耗公式，其損耗ΔP 與空載損耗P0、短路損耗PK及負載率α有關[1]，如下式：

ΔP=P0+α2×PK

故2臺變壓器的總損耗可由以下方程組來進行描述：

式中，ΔP——兩臺變壓器總損耗；

ΔP1、ΔP2——單臺變壓器損耗；

P01、P02——單臺變壓器空載損耗；

PK1、PK2——單臺變壓器短路損耗；

α、β——變壓器短路負載率；

S——兩臺變壓器總負載；

S1、S2——單臺變壓器負載。

為了求出使總損耗ΔP取最小值時負載分配情況，對總損耗ΔP關于一臺變壓器的負載S1求導，并令其值為0，即

解出上式，得

以上負荷分配模式即基于運行能耗最低的最優化動力變負荷分配策略，稱之為經濟運行點。在經濟運行點，2臺變壓器負荷的分配與2臺短路損耗及容量比的平方相關，當2臺變壓器參數相同時，上式可進一步簡化為

S1＝S2＝0.5S

以上結論表明，當某工序負荷由2 臺相同變壓器供電時，通過調整運行設備，使2臺變壓器負荷盡可能均衡分布，能使2臺變壓器運行總損耗最低，達到經濟運行目的。在工程設計階段，應分析系統負載特點，使投運后2臺變壓器負荷盡量均衡。

3 無功補償裝置經濟運行模式分析

無功補償裝置是電力系統常用的電氣設備，通過補償系統無功消耗，能提高系統電壓、降低系統損耗，從而提高系統效率。同時，串聯一定電抗率的電抗器，能夠消除系統諧波，從而提高電源質量。但是，無功補償裝置投用不當，反而會加劇系統有功損耗。目前，無功補償裝置一般是利用電壓、無功功率、功率因素或時間等條件進行投切[2]。

從降低系統（主變）損耗的角度，分析無功補償裝置基于有功功率的經濟投切模式。

在無功補償裝置不投入時，設主變損耗為?P1，在無功補償裝置投入時，設主變損耗為?P2，則兩種運行模式下，主變損耗分別表示為：

式中，?P1、?P2——主變在無功補償裝置投入前后變壓器損耗；

P0——主變空載損耗；

PK——主變短路損耗（當線路比較長、損耗大時，可包括線路在主變額定負載時損耗）；

A——無功補償裝置未投入運行時，系統功率因素角；

P——主變有功負載；

QN——無功補償裝置容量；

SN——主變額定容量。

為了在投入無功補償裝置后，能產生降低系統損耗效果，則無功補償投入的條件為

?P2-?P1<0

解以上不等式，得

上式即為基于能耗指標的無功補償裝置投切策略，滿足上述條件的無功補償裝置投入，能夠產生節能效益，反之會增加系統損耗。針對2050水處理6 kV 高壓系統，在正常運行情況下，對部分運行參數進行了記錄，見表2。

表2 6 kV系統運行中抄表數據

基于以上數據，計算了當無功補償裝置不投入時，系統相關運行數據見表3。

表3 無功補償不投入時，計算數據

該作業線處于低負荷模式，如定修、年修、換輥等生產模式時，其有功負載大約1 600 kW，低于所計算的2 740 kW，按照以上結論，在此工況下，投運無功補償裝置，會造成系統有功損耗加大，故在該工況下，無功補償裝置應退出運行。該系統主要為異步電動機負載，在各種負荷工況下，其功率因素比較穩定，單純按照功率因素條件進行投切是不合理的。

4 結語

通過以上分析，可得出如下結論：減少低負荷運行變壓器數量、基于最優化動力變負荷分配策略、基于能耗指標的無功補償裝置投切策略等，可有效減少電力系統有功損耗，提高電力系統運行效率，具有一定的推廣價值。