摘要: 火力发电厂作为能源消耗的大户 ,应该更多地承担节能降耗的责任 ,从设计的角度 ,对火力发电厂电气 节能技术进行分析和介绍。

　　关键词: 火力发电厂;节能; 电气设计

　　随着我国经济飞速发展 ,能源的供需矛盾日益突出,可持续发展和绿色经济概念将成为我国工业经济发展的主导方向。以往的掠夺式开发、粗放型经营、高能耗的工业将退出历史舞台。作为现代能源的主导, 电力行业也需要及时转变观念 ,在节能降耗上加大投入 ,加快新技术的开发及应用。

　　发电厂的节能降耗 ,最明显的是节约燃料、提高锅炉燃烧效率、提高热力循环效率、降低传输热量损耗。但这些往往是设备材料制造水平决定的,在设计中继续挖掘的潜力不大。而电气专业由于总体能耗相对比重不是很大, 以往重视程度也不够 ,反而有较大的潜力可挖。电气节能,可以从以下几个方面着手。

　　1 降低变电过程中变压器损耗

　　变压器损耗分空载损耗和负载损耗。空载损耗主要取决于变压器铁心的材质及变压器内部结构。负载损耗主要取决于线圈的材质和导体截面。

　　1. 1 采用节能型变压器

　　由于材料技术的不断发展和变压器厂对结构的不断改进 ,节能型变压器发展也很快 , 目前以发展到 “10”型 设计序号 甚至 “11” 型。而以节能为技术特点的 “9”型变压器 ,相对于节能效果更好的“10 ”型,已变成“费能”型。

　　下面对常用的 “7”型、“9”型、“10”型10kV级配电变压器的损耗对照如表 1 (以 1600kVA容量变压器为例。)

　　表 1 10 kV 级配电变压器的损耗对照表

　　变压器型号 空载损耗 /kW 负载损耗 /kW

　　S7 - 1600 / 10 2.65 16.5

　　S9 - 1600 / 10 2.4 14.5

　　S10- 1600 / 10 1.8 14

　　通过表 1可以看出节能型变压器节能效果还是非常好的,因此应优先选择节能的“10 ”型变压器或更新型的节能变压器。

　　1.2 调整变压器运行方式节约能耗

　　尽量减少空载运行变压器数量。我们知道，火力发电厂一般都设置大容量的高压启动备用变压器 ,作为高压厂用变压器的备用兼作电厂启动电源 ,其容量一般都与最大的高压厂用变压器相同,容量很大 ,空载损耗也很大。2×300 MW电厂启 /备变容量一般为 40 MW ,空载损耗一般为46kW ,按照全年空载运行8000 h计算 ,全年需要多向电网购电37万千瓦时。如果能将启/备变设计为 “冷备用 ”处于备用状态时不带电 ,则可节约大量电能和开支。当然 ,是否采用冷备用还得听从大区电网的具体规定和听取业主的运行意见。要使启备变可为 “冷备用 ”运行方式 ,厂用电方案设计时应使启备变正常不带公用负荷 ,公用负荷设计为 1号机组高压厂用变压器全带,或合理分配至 1号和 2号机组的高压厂用变压器上。但应注意厂用电的可靠性应满足规程规范的要求。

　　在满足厂用电可靠性的前提下 ,低压厂用电接线尽量采用暗备用动力中心方式接线。在暗备用动力中心接线方式下 ,正常运行时,两台互为备用的变压器各带一半负荷运行 ,每台变压器的负载损耗降为带全部负荷时的 1/4,节能效果明显。采用明备用动力中心接线虽然可以节约变压器投资,但增加了电缆和电缆通道的投资,经济上优势不大 ,从长期运行角度看 ,暗备用动力中心接线方式经济上更具有优势。

　　2 降低输电过程中的线路损耗及铁磁性损耗

　　2.1 用经济电流密度选择载流导体载面

　　导体选择时,除配电装置的汇流母线以外 ,对于全年负荷利用小时数较大，母线较长（长度超过20 m ），传输容量较大的回路 如发电机至主变压器和发电机至主配电装置的回路 ，均应按照经济电流密度选择导体截面。这样可以在投资优化的前提下 ,也降低了线损能耗。

　　2. 2 采用封闭母线

　　发电机引出线载流导体除应按照经济电流密度选择外 ,还应在布置及安装可能的基础上 ,优先采用离相封闭母线。以使主厂房内及A 排前布置紧凑 ,缩短导体长度 ,减少输电线损。同时由于屏蔽效果良好 ,极大的降低了输电路径上的铁磁性损耗。另外在运行可靠性、减少维护工作量和美观上也有较大提升，可谓一举多得。对于传统的设计思想，200 MW 及以上机组采用离相封闭母线作为发电机出线，但近些年，很多150 MW机组、135MW机组、100 MW机组、60（50）MW机组采用了离相封闭母线作为发电机出线，取代了传统的裸母线方式，效果非常好，受到了运行单位和施工单位的极大欢迎。

　　2. 3 减少输电过程中的铁磁性损耗

　　在交变磁场的作用下 ,钢材料会产生涡流损耗和磁滞损耗 ,统称为铁磁性损耗。如果铁磁性损耗过大 ,会造成钢材料局部过热 ,可能全威胁到人身安全、设备安全或结构安全 ,还造成大量电能损耗。要减少铁磁性损耗 ,应从减少交变磁场中钢材料的使用、增加屏蔽、避免形成闭合回路、改善钢材料与载流导体空间关系等方面入手。

　　具体措施简要介绍如下：

　　导体金具应采用设计更为先进的型号及尽量采用非导磁性材料制造的金具,这样既降低了损耗,也意味着温升降低,延长了金具安全使用寿命。

　　在电抗器周围应严格按照制造厂给出的空间尺寸来限制钢结构使用的空间范围。同时也要注意尽量减少电抗器周围钢材料的使用 ,在合理的范围内尽量加大钢结构与电抗器的距离。

　　在有强交变磁场 如电抗器周围、大电流敞露导体周围 的空间内,在钢结构设计上 ,不应使用单相导体支持钢构及导体支持夹板的零件构成闭合磁路。合理加大钢构与母线的距离 ,一般母线中心至横越钢构中心的距离（mm）为母线电流(A )的 0.7倍或以上 ,可以不采取其它设施。合理选择钢构与母线的相对位置 ,使钢构尽量与导体垂直 ,以使不产生感应电势和环流。避免较长钢结构与母线平行。大面积钢筋混凝土中的钢筋结构 ,应将钢筋结构割成不连续的小尺寸或在纵横钢筋交叉点用包扎绝缘的方法，以减少环流。断开闭合回路。设计中应避免大电流母线附近的钢构件形成包围一相或两相的闭合回路，如不可避免时可采用黄铜焊缝或绝缘板隔离磁路的方式。在大电流敞开式母线与钢构之间加装电阻率低的非导磁率材料制作的屏蔽板或屏蔽栅，可明显减少钢构的铁磁性损耗。在大电流敞开式母线支持钢结构上加装电阻率低的非导磁率材料制作屏蔽环 ,可明显减少钢构的铁磁性损耗。

　　3 降低电力拖动过程中的损耗

　　发电厂中使用的电动机基本都是鼠笼型异步交流电动机 ,具有结构简单、运行可靠、价格便宜、易于维护等优点,是电力拖动的绝对主力。但由于其结构上的原因,在低负荷情况下效率较低 ,效率—功率曲线见图 1。

　　为了降低电力拖动中异步电动机的损耗 ,首先要选择效率高、功率因数高的电动机;二是采用调速技术 ,使用电动机在低负荷时低转速运行 ,进而提高效率 ,达到节能降耗的目的。

　　根据异步电动机的转速公式:

　　n = n1*( 1-s) =60f1/p* ( 1-s)

　　可以知道 ,调节异步电动机转速的方法有:改变绕组的极对数 p;改变电源的频率 f 1 ;改变电动机的转差率 s。

　　根据以上的理论 ,在实践中获得应用的三相异步电动机电气调速技术 ,常见的有如下几种:

　　3. 1 变极调速

　　电动机采用多速电机 一般为双速电机 ,通过绕组的不同接法获得不同的极对数 , 以获得不同的转速。例如 2 极电机变为 4 极电机 , 同步速就由3000转 /分变为1500转/分。

　　高压多速电机 ,一般应用于大功率风机、大功率水泵。低压多速电机 ,一般应用于通风机、机床、行车、起重机等。

　　优点是:设备简单、运行可靠、初投资低。缺点是:调速变化率小,有级调速 只有两级或三级调速 ,不适合在负荷变化大、调速要求高的场合。相比单速电机 ,也有较好的节能效果。

　　3. 2 变频调速

　　交流电机变频调速系统由交流电机、可以变频变压的静止变频装置及其控制电路等组成。静止变频装置可以分为交—交变频和交—直—交变频两大类。其中交—直—交变频应用较广。

　　交—交变频器:亦称直接变频器或循环变频器。它由接到同一交流电源上的若干相控整流器所组成 ,按照一定的规律控制各相控整流器的控制角 ,使整流器工作在整流或有源逆变状态 ,就可以在输出端得到多相整流波的包络线所组成的较低频率的交流电。这种方法仅适合大功率低速的交流拖动。

　　交—直—交变频器:亦称间接变频器。它是先把电网频率的交流电用可控或不可控的整流器变为直流电,经过中间直流电路 直流环节，再用逆变器变换为频率可调的交流电,从而控制电动机的转速。此种变频器优点是: 调速范围大（一般为 0 ～100%同步速），平滑性好 (无级调速)，效率高，节电效果好（平均节电 20%～60%)，调速精确 媲美直流电机调速 ,调速控制方式灵活 ,通过软件控制能适应各种负荷特性的电机调速要求 ,可实现软启动 ,降低电机启动网的扰动，可实现电机过热、过流、过载、过压、欠压、缺相、接地等保护,使电机运行更安全可靠。缺点是价格较高,但由于节能效果明显 ,一般几年内节约的电能费用就可以收回设备投资,长期运行节能效果极其明显。由于变频调速有以上诸多优点,对于电厂中负荷变化较大的电力拖动机械 , 或经常处于低负荷运行的电力拖动机械 ,在经过技术经济分析后及安装可能的前提下 ,均应采用变频调速装置 ,可以节约大量电能。

　　3. 3 改变转差率调速

　　转子串接调速变阻器调速。电机采用绕线型异步电机 ,通过控制电路投切转子回路中串接电阻数量 ,随着转子电阻增加 ,转差率s变大 ,异步电动机转速降低。此方法优点是简单 ,可获得较高的转矩。缺点是转子铜耗增加 ,电机效率较低。此法不能节能,已很少使用 ,只是在起重机械上还有应用。经常使用的起重类机械 ,不应采用此种调速方式 ,应采用变频调速以节约电能。

　　串级调速改变转子回路电阻调速时,将在调节电阻中消耗很大的功率。为了使这部分功率不消耗掉 ,于是提出了在转子回路中接入附加电势的调速方法 ,称为串级调速。

　　现在串级调速方法是将异步电机转子回路的转差频率交流电由半导体整流器整流为直流 ,再经过静止的逆变器把直流转变为和电网同频率的交流 ,通过变压器反馈回交流电网,提高了调速系统的效率。优点是:无级调速、效率高、恒转矩、节电效果明显。缺点是:功率因数低、调速范围较小(调速比2∶1～4∶1) 、设备复杂、投资高、必须使用绕线型电机等。一般只应用于大功率风机、水泵、空压机等调速比小于2∶1的场合。由于高压变频器价格逐步下降, 高压串级调速装置也将退出市场 ,由高压变频器取代。

　　电磁转差调速。采用电磁调速笼型电动机 , 通过改变电磁离合器的励磁电流 ,进而改变异步电机转差 ,达到调速目的。缺点是:效率较低 ,节能效果不明显。

　　电磁调速一般用于锅炉的给煤机和给粉机 , 由于效率低 ,现在已经逐步被变频调速器代替 ,设计中建议不予采用。

　　综合以上异步电动机各调速方式的特点,推荐采用变极调速或变频调速 ,不推荐转子串电阻调速、串级调速、电磁调速。电气专业实际设计工作中,应根据工艺专业提供的负荷特点和调速要求 ,通过技术经济分析 ,灵活选用调速方式 ,最终达到节能降耗的良好目的。

　　4 降低照明损耗

　　4. 1 采用专用照明调压器

　　火力发电厂照明电一般都取自动力电源 ,动力电源要求电网的电压高, 以使电机类电力拖动负荷更容易启动 ,一般供电电压为 400/230 V。而照明灯具要求供电电压为 380/220V ,二者之间存在矛盾 ,对于电厂来说 , 由于动力负荷要比照明更为重要 ,实际运行时照明灯具电源电压就迁就于动力电电压400 /230V。照明灯具属于电阻性负荷 ,功率近似正比于电压的平方。因此采用400/230 V 供电的照明灯具将比采用380/220V 供电时浪费电能约10% ,浪费很严重。照明调压器可以稳定保持供电电压为380/220 V节约了电能。另外 ,由于降低了工作电压 ,也解决了发电厂灯具寿命短 ,更换频繁的顽疾。可谓一举多得。

　　4. 2 采用节能型灯具

　　随着技术的不断发展 ,节能型灯具的寿命逐步提高,价格不断下降,其综合经济指标已具有明显优势。因此发电厂的照明设计应紧跟照明技术的发展 ,积极推广使用新型节能灯具, 以节约电能。

　　4. 3 对功率因数低的气体放电灯采用电容补偿

　　气体放电灯的功率因数一般在0.4～0.6之间,采用电容补偿型灯具可使功率因数补偿至0. 85或更高,灯具工作电流较未补偿前降低(按照功率因数未补偿时0.4,补偿后0.85计算)，灯具线损较未补偿前降低（按照功率因数未补偿时0.4,补偿后0.85计算），节电效果明显。

　　5 结论

　　节能变压器、变频驱动、节能照明技术、优化的电气接线方案设计、优化的导体选择、优化的安装都是电气节能的主要手段 ,作为电气设计人员, 应该适应新形式的要求 ,将节能降耗作为设计的指导思想 ,积极推进电气节能技术的发展。
　　

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