寶鋼低壓電網(wǎng)無功當(dāng)量分析

王志坤

（寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠 上海 200941）

1 前言

國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局十分重視電網(wǎng)的節(jié)能降損工作。將電網(wǎng)節(jié)能降損工作提升到國(guó)家戰(zhàn)略地位。在此形勢(shì)下，開展電網(wǎng)節(jié)能降損分析和對(duì)策研究，對(duì)降低電能損耗，提高能源利用率和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。鋼鐵企業(yè)是電能消耗的大戶，例如寶鋼用電占上海市全社會(huì)用電的8%左右，占上海市工業(yè)用電量的16%左右。降低電網(wǎng)損耗方面應(yīng)當(dāng)走在社會(huì)前列。

降低電網(wǎng)損耗一般采取增加無功補(bǔ)償裝置的方式或者是包括增加無功補(bǔ)償裝置的綜合治理［1，2］。無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的依據(jù)是無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，其含義是供配電系統(tǒng)中每減少單位無功功率引起的系統(tǒng)有功功率損耗下降量［3］。

在寶鋼，煉鐵工序電耗占全廠電耗25%以上，燒結(jié)工序電耗占煉鐵各工序電耗的30%以上。由于歷史原因，煉鐵有部分400V變壓器功率因數(shù)偏低，是不是需要補(bǔ)償，一直存在爭(zhēng)議。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／T36571－2018表B.1典型無功補(bǔ)償位置的無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量值，配電變壓器無功當(dāng)量取8%～10%［3］。以此為依據(jù)的話，對(duì)這些變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)年即可收回投資。

但是寶鋼這樣的大型工礦企業(yè)電網(wǎng)與社會(huì)電網(wǎng)有顯著的不同，這里引入電耗密度的概念，即單位面積每年耗電量，用以比較電網(wǎng)負(fù)載差異。如表1所示選取代表特大工礦企業(yè)、特大都市、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份、能源重化工省份，進(jìn)行電耗密度計(jì)算及對(duì)比。

表1 部分典型地區(qū)的年耗電量、面積及電耗密度

寶鋼的電耗密度是上海市平均值的24倍，江蘇省平均值的100倍，山西省平均值的415倍。電耗密度雖然和無功當(dāng)量沒有直接關(guān)系，但至少也說明了寶鋼企業(yè)電網(wǎng)在國(guó)家電網(wǎng)中是一個(gè)比較極端的存在，各級(jí)配電所距負(fù)荷中心相對(duì)近，輸電線路短。用通用的無功當(dāng)量估算表計(jì)算節(jié)能效益，是不合適的。

一般企業(yè)電費(fèi)采用二部制電費(fèi)計(jì)價(jià)，變壓器容量直接關(guān)系到電費(fèi)，變壓器容量和實(shí)際用電量較匹配。大型企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)，不存在這個(gè)問題，往往考慮將來的發(fā)展，變壓器容量選擇較大。另外寶鋼廠內(nèi)各用戶普遍采用雙回路供電制，正常運(yùn)行時(shí)線路及變壓器的負(fù)荷率低。根據(jù)焦耳公式，輸電線路的損耗與線路電阻及電流的平方成正比，類似寶鋼這樣的企業(yè)電網(wǎng)，線路短、線徑粗、負(fù)荷低（電流小），電網(wǎng)的損耗比較低，致使無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量偏小。簡(jiǎn)單電網(wǎng)可以按參考文獻(xiàn)［5］直接計(jì)算線路損耗和變壓器銅損減少的方法，寶鋼除了市網(wǎng)、自備電廠供電外還有多給余能回收發(fā)電，無功補(bǔ)償投運(yùn)后會(huì)引起全網(wǎng)拓?fù)鋮?shù)的變化，不宜采用這種方法計(jì)算。

選取一個(gè)典型樣本對(duì)寶鋼低壓電網(wǎng)的無功當(dāng)量進(jìn)行分析計(jì)算，是一件非常有意義的事。負(fù)載以電動(dòng)機(jī)、通用變頻器、電阻加熱器、照明、檢修等為主的一般動(dòng)力變壓器，是寶鋼主要的低壓用電負(fù)荷。寶鋼僅鐵區(qū)就有300多個(gè)一般動(dòng)力變壓器，一個(gè)簡(jiǎn)單明確的無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量估算方法，對(duì)于下一步節(jié)能工作的推進(jìn)有重要的指導(dǎo)作用。

2 燒結(jié)典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種基本電氣計(jì)算。它的任務(wù)是根據(jù)給定的運(yùn)行條件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如各母線上的電壓（幅值及相角）、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布以及功率損耗等。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的結(jié)果是電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算和故障分析的基礎(chǔ)。在電網(wǎng)規(guī)劃階段，通過潮流計(jì)算，合理規(guī)劃電源容量及接入點(diǎn)，合理規(guī)劃網(wǎng)架，選擇無功補(bǔ)償方案，滿足規(guī)劃水平的大、小方式下潮流交換控制、調(diào)峰、調(diào)相、調(diào)壓的要求。在編制年運(yùn)行方式時(shí)，在預(yù)計(jì)負(fù)荷增長(zhǎng)及新設(shè)備投運(yùn)基礎(chǔ)上，選擇典型方式進(jìn)行潮流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)，供調(diào)度員日常調(diào)度控制參考，并對(duì)規(guī)劃、基建部門提出改進(jìn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加快基建進(jìn)度的建議。正常檢修及特殊運(yùn)行方式下的潮流計(jì)算，用于日運(yùn)行方式的編制，指導(dǎo)發(fā)電廠開機(jī)方式，有功、無功調(diào)整方案及負(fù)荷調(diào)整方案，滿足線路、變壓器熱穩(wěn)定要求及電壓質(zhì)量要求。預(yù)想事故、設(shè)備退出運(yùn)行對(duì)靜態(tài)安全的影響分析及做出預(yù)想的運(yùn)行方式調(diào)整方案［6］。在這里用來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的功率損耗以及無功當(dāng)量。

目前，四燒結(jié)區(qū)域3TM、4TM、7TM、8TM四臺(tái)變壓器功率因數(shù)相對(duì)較低，這里計(jì)算其無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量分析節(jié)能潛力。對(duì)于電纜及10kV變壓器參數(shù)，參照相關(guān)手冊(cè)選取。

圖1 供電單線系統(tǒng)示意圖

3 BPA系統(tǒng)建模及計(jì)算

BPA程序是美國(guó)聯(lián)邦政府能源部下屬邦納維爾電力局（Bonneville Power Administration）計(jì)算方法開發(fā)組開發(fā)的大型電力系統(tǒng)離線分析程序。該程序采用稀疏矩陣技巧的牛頓－拉夫遜法，并將梯形積分法運(yùn)用于暫態(tài)穩(wěn)定的計(jì)算，形成較為穩(wěn)定的數(shù)值解。這里使用中國(guó)電力科學(xué)研究院在引進(jìn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過消化吸收，開發(fā)的暫態(tài)穩(wěn)定性程序PSD－BPA（Power System Dynamic－BPA）。

表2 功率因數(shù)偏低變壓器負(fù)荷一覽表

根據(jù)前述資料，在BPA中搭建仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 典型潮流圖

系統(tǒng)各點(diǎn)電壓降非常小，與文獻(xiàn)［1，2］中的典型社會(huì)電網(wǎng)不同，沒有電網(wǎng)綜合治理的需要，僅需對(duì)無功功率的治理進(jìn)行分析。

4 無功當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)：

式中：KQ—無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量；

P—有功功率；

Q—無功功率；

U—電壓；

R—電阻。

所有變量采用標(biāo)幺值。計(jì)算變壓器0.4kV側(cè)節(jié)點(diǎn)無功當(dāng)量如表3所示。

表3 無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算表

選取KQ最大的8T變壓器為例，無功341千乏，假設(shè)安裝低壓補(bǔ)償300千乏。降低損耗300×0.008936＝2.681千瓦；一年損耗小時(shí)數(shù)按8760小時(shí)計(jì)，節(jié)省電量8760×2.681＝23483度，折合電費(fèi)23483×0.71＝16673元。300千乏低壓靜止無功補(bǔ)償器投資單價(jià)按300元／千乏計(jì)，總投資9萬元，需要5.39年收回投資。有投資價(jià)值，但經(jīng)濟(jì)性比較一般。

5 分散式補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性分析

燒結(jié)區(qū)域適合分散補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合不多，四燒結(jié)僅有水處理電氣室沒有變壓器從鄰近配電室取電，有分散補(bǔ)償?shù)男枨蟆Ｋ离姎馐覐?T變壓器取電，電纜為雙拼240，長(zhǎng)度170米，平均工作電流365安培，無功117千伏安。電纜阻抗為0.046＋0.044j歐姆／公里，則該電纜阻抗實(shí)際值4.89＋4.67jPU。KQ＝0.005804＋0.001144＝0.0625。假定低壓靜止無功補(bǔ)償器配置容量120千乏，則減少損耗2.064千瓦。則一年節(jié)約電量18080度，節(jié)約電費(fèi)10848元。投資約3.6萬元，2.8年收回投資。經(jīng)濟(jì)性非常好，但效益總額不高。

6 影響無功補(bǔ)償當(dāng)量主要因素

影響無功補(bǔ)償當(dāng)量的主要有因素有二，一是待補(bǔ)償?shù)臒o功，二是補(bǔ)償點(diǎn)短路阻抗電阻分量標(biāo)幺值。前者不用細(xì)說，后者主要取決于補(bǔ)償點(diǎn)距離系統(tǒng)電源的電氣距離。一般而言，離終端負(fù)載越近，電壓等級(jí)越低，對(duì)于同樣參數(shù)的物理電纜，電阻標(biāo)幺值越大，無功補(bǔ)償當(dāng)量越大。

根據(jù)線路電阻標(biāo)幺值計(jì)算公式：

式中：R*—線路電阻標(biāo)幺值，Ω；

R—線路電阻有名值，Ω；

Sj—基準(zhǔn)容量，MVA；

Uj—基準(zhǔn)電壓，kV。對(duì)于阻抗有名值相同的電纜，標(biāo)幺值大小反比于基準(zhǔn)電壓的平方，低壓0.4千伏系統(tǒng)的標(biāo)幺值是10千伏系統(tǒng)標(biāo)幺值的690倍，3千伏系統(tǒng)的標(biāo)幺值是10千伏系統(tǒng)的11.1倍。

根據(jù)變壓器阻抗標(biāo)幺值計(jì)算公式：

式中：Z*—變壓器電抗標(biāo)幺值，Ω；

UK—線路變壓器短路阻抗，%；

Sj—基準(zhǔn)容量，MVA；

Uj—基準(zhǔn)電壓，kV；

SN—變壓器容量，MVA。

變壓器阻抗標(biāo)幺值和變壓器容量成反比，同理變壓器電阻也和容量成反比。

待補(bǔ)償?shù)臒o功功率大，變壓器的容量小，無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量大。可以理解為，變壓器的負(fù)荷率高，功率因數(shù)低，無功補(bǔ)償都是經(jīng)濟(jì)當(dāng)量大。

7 結(jié)論

無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)當(dāng)量正比于補(bǔ)償點(diǎn)短路阻抗電阻分量標(biāo)幺值。離電源點(diǎn)越遠(yuǎn)，電壓等級(jí)越低，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量越大。

無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)當(dāng)量和變壓器的負(fù)荷率近似成正比，負(fù)荷率越高，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量越大。

10千伏變壓器低壓側(cè)補(bǔ)償?shù)闹饕獮?0千伏及以上系統(tǒng)的損耗，電阻標(biāo)幺值較小，經(jīng)濟(jì)當(dāng)量也較小；在高負(fù)荷率，高無功功率的場(chǎng)合，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量相對(duì)較高，增加無功補(bǔ)償裝置有一定的經(jīng)濟(jì)效益；在變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償，與在高壓側(cè)補(bǔ)償無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量相差不大，由于高壓無功補(bǔ)償價(jià)格低只有低壓的四分之一左右，可以考慮高壓無功補(bǔ)償。

若在具備分散補(bǔ)償?shù)臈l件，補(bǔ)償?shù)闹饕獮榈蛪弘娎|的損耗，電阻標(biāo)幺值較10千伏及以上系統(tǒng)有數(shù)量級(jí)的提高，經(jīng)濟(jì)效益突出。