2×1000 MW大型火力發電廠電氣節能降耗設計與研究

王曉飛

（江西贛能股份有限公司豐城二期發電廠，江西豐城 331100）

0 引言

大型火力發電廠已邁入“大容量、高參數、高效率、低能耗、低排放”時代，“高效、節能、環保、綠色、低碳”理念已融入電廠設計、運營每個環節。在規劃設計階段，節能設計水平決定整體能耗水平，做好電氣節能降耗、高效運行設計至關重要[1]。

1 合理選擇中、高壓系統電壓等級，降低損耗

在滿足電網安全和容量的前提下，選取500 kV或1000 kV 接入電網，比220 kV 能減小損耗,提高輸電效率。最終接入電網電壓等級與形式在接入系統研究中確定。通過以10 kV 代替6 kV 電壓，電纜線路損耗平均下降20%[2,3]。

考慮設690 V 電壓等級?；鹆Πl電廠大量使用75 kW～200 kW 電動機，按規范200 kW 以下電動機采用400 V 供電。75 kW～200 kW 電動機采用400 V 供電時啟動電流大，會造成母線電壓大幅下降，系統損耗增大。采用690 V 電壓后，可有效降低電動機啟動電流和運行損耗。75 kW～200 kW 電動機在輸煤系統大量使用，普遍存在電纜距離較遠。采用690 V 電壓后，能有效降低啟動和運行電流，減小線路壓降和損耗，損耗相當于400 V 系統的30%[4]。

2 優化總平面布置和廠用電系統結構

火力發電廠電氣設備主要有電動機、開關、變壓器、電纜線路、照明等，通過電纜連接成廠用電系統。據統計2×1000 MW 火力發電廠使用10 kV 電纜45 kM～50 kM，400V 動力電纜300 kM～350 kM ，數量巨大，損耗總量不容忽視。

因地制宜，合理功能分區，充分利用地形地勢，盡量按工藝流程布置設備，減少介質輸送距離、高度差、彎度和不必要的往返輸送等，從根本上減少用電設備和減小用電負荷?？偲矫婢o湊布置，合理統計和分配負荷，在負荷中心就近設配電裝置，控制供電半徑，縮短電纜距離，降低損耗。選用銅電纜，導體截面按經濟電流密度并適當增大選擇，可大幅降低電纜損耗，也降低電纜火災的概率。電廠30 年周期內，降低損耗所節省電費大幅超過適當增大截面所增加的費用。

合理設計電氣設備布置、電纜走向及短電纜長度，減少電纜及降低電壓損耗。有區別地追求供電可靠性，不盲目追求雙電源電纜不同路徑造成電纜迂回。溫度越低，電阻率越小，損耗越小。在電纜橋架、溝道、隧道、夾層等設計時盡量遠離熱源，設置通風設施。在電纜敷設中，適當增大電纜間間距，降低充滿度，中高壓電纜間隔敷設，大截面低壓電纜不疊層敷設。改善電纜運行環境，降低電纜運行溫升，減少損耗。不設或少設電纜接頭，降低接觸電阻和損耗。

3 選用高效節能變壓器，合理選擇變壓器容量、臺數和接線形式

2×1000 MW 發電機通常采用單元接線形式與配電裝置相連，主變容量約1140 MVA，2 臺；高廠變及啟備變約（82/48～48）MVA，三繞組分裂變，3 臺；勵磁變約3×3.7 MVA 三個單體變，2 臺；中壓系統設低壓干式變約54 臺，總容量約85 MVA。變壓器數量多，容量大，節能降耗空間巨大。

3.1 設計及政策依據

變壓器設計及政策依據見表1。

表1 變壓器設計及政策依據

3.2 選用高效節能變壓器

非晶合金鐵芯變壓器具有損耗低、效率高等特點，較普通低壓干式變壓器損耗降低約28%，節能效果顯著。采用節能變壓器后，1600 kVA 和2000 kVA 變壓器損耗可分別下降4.7 kW 和6 kW 左右。目前大量使用節能型主要有SCB-11、SCB-13系列。

3.3 合理選擇變壓器

依據負荷統計，合理選擇變壓器容量、臺數，科學分配負荷，使變壓器長時間運行在高效區間。當負荷率長期低于30%，應更換變壓器，負荷率超過80%，適當增大變壓器容量。

保持變壓器三相負載平衡。不平衡時，中性線電流增大，低壓供電線損增大，同時變壓器零序電流產生的零序磁通加大變壓器損耗。不平衡率在20%以上時，線損率升高2%～3%。

自動調容變壓器容量按負荷自動調整，使變壓器運行在高效區間，降低變壓器損耗。自動調容變壓器適用于負荷分散、季節性強、平均負荷率低、峰谷負荷差較大的場所。

選用調壓變壓器。通過手動或自動調整變壓器分接頭位置以及投切無功補償裝置容量，調整運行電壓，使電壓維持在合理水平。

合理選擇變壓器阻抗。變壓器容量越大，阻抗越大、損耗越大。在不引起下級系統設備短路電流水平提高等級情況下，合理降低變壓器阻抗，降低變壓器本身損耗。通常10 kV 配電變壓器阻抗約5%，500 kV變壓器阻抗約12%～18%。

盡量選用星三角形接線變壓器，減少三次諧波污染引起的損耗及功率因素降低。

大件運輸允許時，三相一體主變代替三個單相變。高廠變、啟備變選用三繞組分裂變代替兩個兩繞組變壓器等。變壓器冷風扇、軸流風機依據負荷和溫度自動智能啟停，避免風機長期無區別運行。

4 選用高效節能電動機

4.1 設計及政策依據

關于發電機，國家和地方未出臺大型同步發電機能效標準。目前國內大型同步發電機效率達到99.0%為先進水平。低壓電機按《電動機能效限定值及能效等級》規定的1 級能效選擇。高壓電機按《高壓三相籠型異步電動機能效限定值及能效等級》1級能效選取。

4.2 合理選擇設備高效運行區間

火力發電廠輔機容量按發電機額定出力選定，但發電機實際負荷按電網調度在30%～100%額定負荷不斷調整，各輔機真正運行在效率較高點時間是有限的。在火電廠規劃科研階段，對電網充分研究，合理確定機組年利用小時數，選擇輔機效率較高點與發電機較長運行負荷區間相匹配，降低損耗。

4.3 合理選擇電動機容量

對風煙、制粉、水汽、除灰渣等系統進行準確計算，給出合理軸功率。依據設備重要性科學劃分I、Ⅱ、Ⅲ類負荷。電氣依據運行方式、負荷分類做好統計，確定變壓器和電動機容量。通常電動機按機械設備軸功率110%～115%選擇，容量過大，損耗大；容量過小，運行溫度較高，軸承、絕緣易損壞。

4.4 選用高效節能電動機

高效節能電機采用新型設計、新工藝及新材料可降低電磁能、熱能和機械能損耗，效率高。與傳統電動機相比，高效節能電機效率平均提高4%，損耗平均下降20%。選用功率因數大于0.85 的電動機，降低空載電流，減少繞組發熱。

5 在負荷工況變化較大輔機上使用變頻器、永磁電機、永磁傳遞、雙速電機等

發電機負荷按電網調度在30%～100%額定負荷不斷調整時，鍋爐和汽輪機的風煙、燃燒、汽水、除灰渣等系統輔機負荷也急劇變化。若電動機轉速無法調整，則只能通過調整風機擋板、管路閥門開度、啟停設備臺數來實現風量和水流量等調整匹配發電機負荷，造成大量節流損失和能量浪費。

對風機、水泵、壓縮機類電動機采用變頻器、永磁電機或永磁傳遞技術，調整機械負荷轉速，實現風量、流量、壓力和系統出力調整。據統計負荷率在50%時節電率在50%以上，負荷率100%時節電率在30%左右。

據國家發改委2010 年第33 號公告《國家重點節能技術推廣目錄（第三批）》關于電機變頻技術內容，交流電機變頻調速一般能節電30%。永磁傳遞節能量與變頻調速相似。

季節性強的場所使用雙速電動機。冷卻塔用于循環冷卻水降溫。在建成后，淋水面積固定，降溫效果與環境溫度和循環水流速相關。1000 MW火電機組每臺泵配3 臺2040 kW/3200 kW 雙速循環水泵電機，依據季節靈活調節。4 月～10 月熱季，環境溫度高，3 臺電動機高速運行；11 月～3 月冷季，環境溫度低，2臺電動機低速運行。

多臺小容量設備并列運行代替大容量單設備運行，以增強適應性。依據負荷變化，靈活啟停不同電動機臺數來匹配需要，降低電能消耗。

6 電除塵采用高頻開關電源

采用“電除塵器節能提效控制技術”，一、二電場采用高頻電源，三、四、五電場采用脈沖電源，較采用工頻電源大幅降低電耗。

“電除塵器節能提效控制技術”為《國家重點節能低碳技術推廣目錄（2016 年版）》推薦技術。將工頻交流電轉換為電壓70 kV 以上、電流峰值4 A～6 A、時間寬度20μs以下的脈沖電流給電除塵器供電。通過對電流脈沖采取一定控制模式，增加電除塵器內煙電荷量，增加帶電煙塵收集移動速度，減少無效能量供給，提高電除塵器除塵效率。根據《國家重點節能低碳技術推廣目錄（2016 年版）》，單臺1000 MW 機組采用“電除塵器節能提效控制技術”后，年節約電能574×104 kWh。

7 采用綠色智能照明技術

堅持自然采光為主、照明為輔設計原則，從根本上減少照明耗能。選用節能光源、高效燈具加智能控制方式，降低廠用電率。

選用高效節能燈具、節能光源、電子鎮流器和節能電感鎮流器。在滿足照度要求下，可將電廠照明總容量降低20%～30%。

采用配電壓自動補償和功率因數補償裝置，使電壓保持在額定范圍內，功率因數提高至0.9，降低損耗。避免電壓過高、照度過高、光源壽命降低和耗能增加。

合理布置照明燈具，按需設燈。對照度要求較高場所，局部增強照明，合理確定安裝高度。采用多種控制方式，按需開關，避免長明燈。燈具分組分區域控制，按需靈活啟停。走廊、樓梯等人少場所采用聲控、感應等，人走滅燈。道路、鍋爐、升壓站等采用時控加光控，自動按照度要求開關。室內照度要求較高場所，用調光開關。采用智能控制系統，根據運行和照度的要求，在控制系統內實現燈具的開關。如人員巡視時，在后臺機上將巡視沿線燈具開啟，巡視完畢后，沿線燈具自動關閉。通過照明智能控制，達到全廠燈具按需開關，降低20%～30%電能消耗。

8 合理設計計量裝置，做好節能監督、管理

配備能源計量器具和人員，建立相應的管理制度，對各系統耗能情況實施監督和評估，不斷優化和調整系統運行方式，及時改造耗能大戶，為節能降耗提供決策依據。

1000 MW 單元機組電度計量主要分關口、考核表和統計三類。各智能電度表、測控裝置接入全廠電能采集系統和廠用電監控系統，系統自動統一抄表和分析，為生產運行提供實時指導。

9 結束語

通過機務和電氣采取措施，節能設計和節能運行，廠用電率降低明顯，1000 MW 火力發電廠廠用電率從5.5%逐步下降至4.0%甚至更低。新廠設計值已降至3.62%，與汽機、鍋爐、電氣、煤炭等各專業的綜合努力是分不開的。