2×1000 MW大型火力发电厂电气节能降耗设计与研究

2023-11-20王晓飞

电工材料 2023年5期

关键词：电动机损耗电缆

王晓飞

（江西赣能股份有限公司丰城二期发电厂，江西丰城 331100）

0 引言

大型火力发电厂已迈入“大容量、高参数、高效率、低能耗、低排放”时代，“高效、节能、环保、绿色、低碳”理念已融入电厂设计、运营每个环节。在规划设计阶段，节能设计水平决定整体能耗水平，做好电气节能降耗、高效运行设计至关重要[1]。

1 合理选择中、高压系统电压等级，降低损耗

在满足电网安全和容量的前提下，选取500 kV或1000 kV 接入电网，比220 kV 能减小损耗,提高输电效率。最终接入电网电压等级与形式在接入系统研究中确定。通过以10 kV 代替6 kV 电压，电缆线路损耗平均下降20%[2,3]。

考虑设690 V 电压等级。火力发电厂大量使用75 kW～200 kW 电动机，按规范200 kW 以下电动机采用400 V 供电。75 kW～200 kW 电动机采用400 V 供电时启动电流大，会造成母线电压大幅下降，系统损耗增大。采用690 V 电压后，可有效降低电动机启动电流和运行损耗。75 kW～200 kW 电动机在输煤系统大量使用，普遍存在电缆距离较远。采用690 V 电压后，能有效降低启动和运行电流，减小线路压降和损耗，损耗相当于400 V 系统的30%[4]。

2 优化总平面布置和厂用电系统结构

火力发电厂电气设备主要有电动机、开关、变压器、电缆线路、照明等，通过电缆连接成厂用电系统。据统计2×1000 MW 火力发电厂使用10 kV 电缆45 kM～50 kM，400V 动力电缆300 kM～350 kM ，数量巨大，损耗总量不容忽视。

因地制宜，合理功能分区，充分利用地形地势，尽量按工艺流程布置设备，减少介质输送距离、高度差、弯度和不必要的往返输送等，从根本上减少用电设备和减小用电负荷。总平面紧凑布置，合理统计和分配负荷，在负荷中心就近设配电装置，控制供电半径，缩短电缆距离，降低损耗。选用铜电缆，导体截面按经济电流密度并适当增大选择，可大幅降低电缆损耗，也降低电缆火灾的概率。电厂30 年周期内，降低损耗所节省电费大幅超过适当增大截面所增加的费用。

合理设计电气设备布置、电缆走向及短电缆长度，减少电缆及降低电压损耗。有区别地追求供电可靠性，不盲目追求双电源电缆不同路径造成电缆迂回。温度越低，电阻率越小，损耗越小。在电缆桥架、沟道、隧道、夹层等设计时尽量远离热源，设置通风设施。在电缆敷设中，适当增大电缆间间距，降低充满度，中高压电缆间隔敷设，大截面低压电缆不叠层敷设。改善电缆运行环境，降低电缆运行温升，减少损耗。不设或少设电缆接头，降低接触电阻和损耗。

3 选用高效节能变压器，合理选择变压器容量、台数和接线形式

2×1000 MW 发电机通常采用单元接线形式与配电装置相连，主变容量约1140 MVA，2 台；高厂变及启备变约（82/48～48）MVA，三绕组分裂变，3 台；励磁变约3×3.7 MVA 三个单体变，2 台；中压系统设低压干式变约54 台，总容量约85 MVA。变压器数量多，容量大，节能降耗空间巨大。

3.1 设计及政策依据

变压器设计及政策依据见表1。

表1 变压器设计及政策依据

3.2 选用高效节能变压器

非晶合金铁芯变压器具有损耗低、效率高等特点，较普通低压干式变压器损耗降低约28%，节能效果显著。采用节能变压器后，1600 kVA 和2000 kVA 变压器损耗可分别下降4.7 kW 和6 kW 左右。目前大量使用节能型主要有SCB-11、SCB-13系列。

3.3 合理选择变压器

依据负荷统计，合理选择变压器容量、台数，科学分配负荷，使变压器长时间运行在高效区间。当负荷率长期低于30%，应更换变压器，负荷率超过80%，适当增大变压器容量。

保持变压器三相负载平衡。不平衡时，中性线电流增大，低压供电线损增大，同时变压器零序电流产生的零序磁通加大变压器损耗。不平衡率在20%以上时，线损率升高2%～3%。

自动调容变压器容量按负荷自动调整，使变压器运行在高效区间，降低变压器损耗。自动调容变压器适用于负荷分散、季节性强、平均负荷率低、峰谷负荷差较大的场所。

选用调压变压器。通过手动或自动调整变压器分接头位置以及投切无功补偿装置容量，调整运行电压，使电压维持在合理水平。

合理选择变压器阻抗。变压器容量越大，阻抗越大、损耗越大。在不引起下级系统设备短路电流水平提高等级情况下，合理降低变压器阻抗，降低变压器本身损耗。通常10 kV 配电变压器阻抗约5%，500 kV变压器阻抗约12%～18%。

尽量选用星三角形接线变压器，减少三次谐波污染引起的损耗及功率因素降低。

大件运输允许时，三相一体主变代替三个单相变。高厂变、启备变选用三绕组分裂变代替两个两绕组变压器等。变压器冷风扇、轴流风机依据负荷和温度自动智能启停，避免风机长期无区别运行。

4 选用高效节能电动机

4.1 设计及政策依据

关于发电机，国家和地方未出台大型同步发电机能效标准。目前国内大型同步发电机效率达到99.0%为先进水平。低压电机按《电动机能效限定值及能效等级》规定的1 级能效选择。高压电机按《高压三相笼型异步电动机能效限定值及能效等级》1级能效选取。

4.2 合理选择设备高效运行区间

火力发电厂辅机容量按发电机额定出力选定，但发电机实际负荷按电网调度在30%～100%额定负荷不断调整，各辅机真正运行在效率较高点时间是有限的。在火电厂规划科研阶段，对电网充分研究，合理确定机组年利用小时数，选择辅机效率较高点与发电机较长运行负荷区间相匹配，降低损耗。

4.3 合理选择电动机容量

对风烟、制粉、水汽、除灰渣等系统进行准确计算，给出合理轴功率。依据设备重要性科学划分I、Ⅱ、Ⅲ类负荷。电气依据运行方式、负荷分类做好统计，确定变压器和电动机容量。通常电动机按机械设备轴功率110%～115%选择，容量过大，损耗大；容量过小，运行温度较高，轴承、绝缘易损坏。

4.4 选用高效节能电动机

高效节能电机采用新型设计、新工艺及新材料可降低电磁能、热能和机械能损耗，效率高。与传统电动机相比，高效节能电机效率平均提高4%，损耗平均下降20%。选用功率因数大于0.85 的电动机，降低空载电流，减少绕组发热。

5 在负荷工况变化较大辅机上使用变频器、永磁电机、永磁传递、双速电机等

发电机负荷按电网调度在30%～100%额定负荷不断调整时，锅炉和汽轮机的风烟、燃烧、汽水、除灰渣等系统辅机负荷也急剧变化。若电动机转速无法调整，则只能通过调整风机挡板、管路阀门开度、启停设备台数来实现风量和水流量等调整匹配发电机负荷，造成大量节流损失和能量浪费。

对风机、水泵、压缩机类电动机采用变频器、永磁电机或永磁传递技术，调整机械负荷转速，实现风量、流量、压力和系统出力调整。据统计负荷率在50%时节电率在50%以上，负荷率100%时节电率在30%左右。

据国家发改委2010 年第33 号公告《国家重点节能技术推广目录（第三批）》关于电机变频技术内容，交流电机变频调速一般能节电30%。永磁传递节能量与变频调速相似。

季节性强的场所使用双速电动机。冷却塔用于循环冷却水降温。在建成后，淋水面积固定，降温效果与环境温度和循环水流速相关。1000 MW火电机组每台泵配3 台2040 kW/3200 kW 双速循环水泵电机，依据季节灵活调节。4 月～10 月热季，环境温度高，3 台电动机高速运行；11 月～3 月冷季，环境温度低，2台电动机低速运行。

多台小容量设备并列运行代替大容量单设备运行，以增强适应性。依据负荷变化，灵活启停不同电动机台数来匹配需要，降低电能消耗。

6 电除尘采用高频开关电源

采用“电除尘器节能提效控制技术”，一、二电场采用高频电源，三、四、五电场采用脉冲电源，较采用工频电源大幅降低电耗。

“电除尘器节能提效控制技术”为《国家重点节能低碳技术推广目录（2016 年版）》推荐技术。将工频交流电转换为电压70 kV 以上、电流峰值4 A～6 A、时间宽度20μs以下的脉冲电流给电除尘器供电。通过对电流脉冲采取一定控制模式，增加电除尘器内烟电荷量，增加带电烟尘收集移动速度，减少无效能量供给，提高电除尘器除尘效率。根据《国家重点节能低碳技术推广目录（2016 年版）》，单台1000 MW 机组采用“电除尘器节能提效控制技术”后，年节约电能574×104 kWh。

7 采用绿色智能照明技术

坚持自然采光为主、照明为辅设计原则，从根本上减少照明耗能。选用节能光源、高效灯具加智能控制方式，降低厂用电率。

选用高效节能灯具、节能光源、电子镇流器和节能电感镇流器。在满足照度要求下，可将电厂照明总容量降低20%～30%。

采用配电压自动补偿和功率因数补偿装置，使电压保持在额定范围内，功率因数提高至0.9，降低损耗。避免电压过高、照度过高、光源寿命降低和耗能增加。

合理布置照明灯具，按需设灯。对照度要求较高场所，局部增强照明，合理确定安装高度。采用多种控制方式，按需开关，避免长明灯。灯具分组分区域控制，按需灵活启停。走廊、楼梯等人少场所采用声控、感应等，人走灭灯。道路、锅炉、升压站等采用时控加光控，自动按照度要求开关。室内照度要求较高场所，用调光开关。采用智能控制系统，根据运行和照度的要求，在控制系统内实现灯具的开关。如人员巡视时，在后台机上将巡视沿线灯具开启，巡视完毕后，沿线灯具自动关闭。通过照明智能控制，达到全厂灯具按需开关，降低20%～30%电能消耗。