火電機組勵磁系統電能消耗對發電煤耗指標計算的影響分析

摘要：勵磁系統為同步發電機提供磁場電流，是同步發電機的重要組成部分。實際工作中發現，在計算火電機組的發電煤耗指標時，都不考慮勵磁系統的電能消耗影響，因此根據勵磁系統的不同種類，分別就勵磁系統用電量對火電機組發電煤耗指標計算的影響進行了分析，希望能使核算更加準確。

關鍵詞：火電；勵磁系統；發電煤耗；節能

引言

勵磁系統是提供同步發電機磁場電流的裝置，是同步發電機的重要組成部分。勵磁系統的運行也要消耗一部分的電能，因此需要分析研究該部分電能的統計情況是否會對機組的發電煤耗計算產生影響，助力節能降耗目標更好地實現。

1 常用的勵磁系統種類

發電機勵磁系統主要分為勵磁機勵磁系統和靜止勵磁系統[1]。其中，勵磁機勵磁系統是指使用勵磁機勵磁功率單元的勵磁系統，一般有直流勵磁機勵磁系統、交流勵磁機勵磁系統和無刷勵磁系統；靜止勵磁系統是指使用靜止勵磁功率單元的勵磁系統，主要采用變壓器或變流器作為交流勵磁電源，勵磁變壓器或變流器接在發電機出口或廠用電母線上，有自并勵勵磁系統、復勵-可控整流勵磁系統等方式。隨著火力發電相關技術的發展，目前工程中常用的勵磁系統主要有交流勵磁機勵磁系統、無刷勵磁系統和自并勵勵磁系統，本文主要就這3種常用勵磁系統進行分析。

1.1交流勵磁機勵磁系統

交流勵磁系統采用與主機同軸的交流發電機作為交流勵磁電源，經硅整流或晶閘管整流，供給發電機勵磁。常見的交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統原理如圖1所示。交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統通過靜止硅整流器，將交流勵磁機產生的交流電動勢，經過整流輸出給發電機勵磁。交流勵磁機的勵磁電流，通常由中頻副勵磁機經硅整流裝置供給主發電機的勵磁調節器，機組的調節通過控制交流勵磁機的勵磁電流來進行。由于交流勵磁電源來自主機同軸的交流發電機，因此交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統的電源來自發電機外的其它獨立電源。

1.2無刷勵磁系統

無刷勵磁系統是使用旋轉整流器交流勵磁機勵磁功率單元的勵磁系統，硅整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉，給發電機勵磁繞組供給勵磁電流，不需要經過轉子集電環和電刷引入。

根據勵磁電流的不同來源，可將無刷勵磁系統分為2種，即勵磁電流來源于副勵磁機的三機組式無刷勵磁系統；勵磁電流來源于勵磁變壓器的兩機組式無刷勵磁系統。其中，三機組式無刷勵磁系統，勵磁機的勵磁繞組電源由副勵磁機引接，交流勵磁機的電樞繞組感應電動勢經整流橋后，送到發電機轉子供給勵磁，交流勵磁機的勵磁電流由副勵磁機通過自動電壓調節器調節，其系統原理如圖2所示；兩機組式無刷勵磁系統，其交流勵磁機的勵磁電流由勵磁變壓器通過自動電壓調節器調節，系統原理如圖3所示。由于無刷勵磁系統中交流勵磁機產生的交流電動勢，經過旋轉整流器變換為直流后，供給發電機轉子勵磁繞組，因此交流勵磁機的三相交流繞組、硅整流器和發電機的轉子也都在一個軸上一同旋轉。

1.3 自并勵勵磁系統

自并勵勵磁系統屬于靜止勵磁系統，采用變壓器或變流器作為交流勵磁電源，勵磁變壓器或變流器接在發電機出口或廠用電母線上，系統原理如圖4所示。自并勵勵磁系統是靜止勵磁系統中最簡單的一種勵磁方式，采用接在發電機端的勵磁變壓器作為勵磁電源，可通過晶閘管整流裝置直接控制發電機的勵磁。

2火力發電企業發電煤耗指標計算

根據火力發電廠技術經濟指標計算方法[2]，

統計期內平均每發出1kWh電能所消耗的標準煤量，即發電煤耗，按式（1）計算。

由式（1）可見在計算發電煤耗指標時是以機組的發電量作為分母，在機組耗用的標準煤量確定的情況下，統計發電量的多少與機組發電煤耗成反比例關系。統計發電量多了，則機組實際發電煤耗下降；統計發電量少了，則機組實際發電煤耗上升。

3勵磁系統消耗電量對發電煤耗計算的影響

由于發電機的發電量是通過電流互感器、電壓互感器測量后所得，因而通常情況下該計量的電量即為發電機的發電量。勵磁系統是發電機組的重要構成部分，勵磁系統的存在及勵磁系統消耗電能的來源情況，使得該計量點所統計的電量與機組實際發電量并不完全一致，因此若機組計量的發電量中包含了用于勵磁系統的電量則應予以扣除。

勵磁系統消耗的電量直接影響機組的發電量，進而對機組發電煤耗計算產生影響，如表1所示，應根據勵磁系統種類分情況進行計算。

3.1采用交流勵磁機勵磁系統對發電煤耗計算的影響

由圖1可知，交流勵磁機勵磁系統的勵磁電源來自與主機同軸的交流發電機，根據圖1所示原理，該交流發電機的動力來源于汽輪機，這種情況下機組出口側所統計的發電量即機組的發電量。此時，勵磁系統用電量對該交流發電機發電量沒有影響，勵磁機勵磁系統用電量對交流發電機組統計的發電量數據沒有影響，對以此計算的發電煤耗指標也沒有影響。

3.2采用無刷勵磁系統對發電煤耗計算的影響

由于無刷勵磁系統分為三機組式無刷勵磁系統與兩機組式無刷勵磁系統2種類型，因此需分別對2種無刷勵磁系統進行分析。

3.2.1三機組式無刷勵磁系統

三機組式無刷勵磁系統的硅整流元件和交流勵磁機電樞與主軸一同旋轉，給發電機勵磁繞組供給勵磁電流，勵磁系統消耗的能量來自電機主軸旋轉的機械能，即來自汽輪機，發電機出口處計量的發電量即為機組的實際發電量，因此三機組式無刷勵磁系統不影響機組的發電量計量，也不影響以此計算的發電煤耗指標。

3.2.2兩機組式無刷勵磁系統

兩機組式無刷勵磁系統的勵磁電流來自勵磁變壓器，根據圖3的接線圖可以看出，其消耗的電能來自發電機發出的電量，但由于勵磁變壓器的接線位置在發電機出口與電壓互感器、電流互感器之間，其消耗的電能并未被測量裝置所計量，計量所得的發電量即為發電機出口全部電量減去勵磁變壓器消耗電量后的電量，勵磁系統消耗電量沒有被計入測量所得發電量，因此兩機組式無刷勵磁系統不影響機組的發電量計量，也不影響以此計算的發電煤耗指標。

3.3采用自并勵勵磁系統對發電煤耗計算的影響

自并勵勵磁系統所消耗的電能來自勵磁變壓器，在廠用電母線上或發電機出口處連接勵磁變壓器，并按照電力流向，勵磁變壓器接在電壓互感器、電流互感器外側，而發電機的發電量則是通過電壓互感器、電流互感器測量后所得，因此勵磁系統所消耗電量已經計入測量所得的發電量，即發電機的發電量中包含了勵磁系統的電量消耗。

由于勵磁系統是發電機組的重要組成部分之一，缺少勵磁系統發電機組無法正常工作，該部分電量應作為發電機組的自身消耗，因而機組的實際發電量應該為發電機出口電量減去勵磁系統消耗電量之后的電量。以統計的發電量進行計算，其大于實際的發電量，進而計算出的發電煤耗低于實際的發電煤耗。

結合自并勵勵磁系統屬于靜止勵磁系統的特性，以及勵磁系統主要為發電機組提供建立磁場所需的勵磁電流特征，計算出靜止勵磁系統（自并勵勵磁系統）所消耗的電量約占發電量的0.15%左右[3]，因此以測量的發電量進行計算，所得出的發電煤耗略低于實際發電煤耗。

結論

通過對不同種類發電機勵磁系統的原理分析，以及不同勵磁系統對常規燃煤機組發電量計量和發電煤耗計算的影響進行分析，得出以下4項結論。

①當勵磁系統電量來源于勵磁發電機，且勵磁發電機能量來自汽輪機或發電機主軸旋轉的機械能時，勵磁系統消耗的電能都不是來自發電機所發出的電能，因此其對機組計量的發電量沒有影響，也不影響機組的發電煤耗計算。

②勵磁系統電量來自勵磁變壓器時，若勵磁變壓器接線位置在發電機出口，位于電流互感器和電壓互感器之間的，則勵磁系統消耗的電能來自發電機發出的電能。但由于該部分電能消耗在機組發電量計量點之前，因此未被計入發電量，這種情況下勵磁系統的電能消耗對機組計量的發電量沒有影響，也不影響機組的發電煤耗計算。

③勵磁系統電量來自勵磁變壓器時，若勵磁變壓器接線位置在發電機出口，且位于電流互感器和電壓互感器之后的，勵磁系統消耗的電量來自發電機發出的電量，并且是被計量入機組的發電量，這種情況下勵磁系統電能消耗對機組計量的發電量有影響，將會導致以計量統計的發電量進行計算所得出的發電煤耗略小于實際的發電煤耗。

④在實際工作中，應根據勵磁系統的不同情況，結合各種勵磁系統電能消耗對機組發電量計量和發電煤耗計算的影響，核算出更加準確的發電煤耗，讓節能降耗工作效果更加顯著。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團有限公司.電力工程設計手冊 火力發電廠電氣二次設計[M].北京：中國電力出版社，2018.

[2] DL/T 904-2015，火力發電廠技術經濟指標計算方法[S].

[3]楊金偉，李國明.火電機組自并勵方式勵磁變電量對廠用電率的影響分析[J].河南電力，2020（S1）：72-73.

作者簡介

田東蒙（1988—），男，漢族，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事節能監察、節電技術、電力需求側管理、碳排放研究等工作。