王樂(lè)

（寧波鋼鐵有限公司 浙江寧波 315807）

1 前言

鋼鐵生產(chǎn)具有耗電量大、用電量高的特征，鋼鐵生產(chǎn)活動(dòng)中，各類用電設(shè)備除了將電能按照一定工作效率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械能、熱能、光能外，還伴隨著一定的功率損耗，同樣在企業(yè)變配電系統(tǒng)中，由于變配電設(shè)備的制造工藝、材料選擇、技術(shù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)的差異，不同變配電設(shè)備的功率損耗也不盡相同。近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行效率等方面的要求愈發(fā)嚴(yán)格，新建企業(yè)已要求采用高效低耗的電氣設(shè)備，而老企業(yè)也逐步在進(jìn)行更新升級(jí)。

運(yùn)行節(jié)電主要是根據(jù)在用變配電設(shè)備的功率損耗情況，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)特性，將變配電系統(tǒng)各項(xiàng)電氣參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，來(lái)最大程度上降低企業(yè)在電能分配、傳輸過(guò)程中的損耗。

2 某鋼鐵公司變配電系統(tǒng)概述

2.1 主結(jié)線

某鋼鐵公司電力系統(tǒng)由地區(qū)電網(wǎng)引入兩回220kV進(jìn)線至公司內(nèi)總降壓變電所，經(jīng)220／35kV變壓器降壓后供各區(qū)域變電所。各區(qū)域變?cè)俳?jīng)35／10kV變壓器后，將10kV電源送至各生產(chǎn)用戶開關(guān)站。如圖1所示。

2.2 主要運(yùn)行參數(shù)

2.2.1 煉鐵區(qū)域

1＃主變二次側(cè)負(fù)荷約7000kW，功率因數(shù)0.7；2＃主變二次側(cè)負(fù)荷約5000kW，功率因數(shù)0.7；1＃、2＃TRT發(fā)電機(jī)組分別于10kVI、II段母線并網(wǎng)發(fā)電，各自出力約10000kW，功率因數(shù)0.85。如圖2所示。

圖1 某鋼鐵公司主結(jié)線圖

圖2 煉鐵區(qū)域系統(tǒng)圖

2.2.2 燒結(jié)區(qū)域

1＃主變二次負(fù)荷約3000kW，功率因數(shù)0.26；2＃主變二次負(fù)荷約20000kW，功率因數(shù)0.75；3＃主變二次負(fù)荷約10000kW，功率因數(shù)0.87；余熱回收發(fā)電機(jī)組于10kVI段母線并網(wǎng)發(fā)電，出力約9000kW，功率因數(shù)0.85。如圖3所示。

圖3 燒結(jié)區(qū)域系統(tǒng)圖

2.2.3 焦化區(qū)域

1＃主變向35kV側(cè)反向輸出7000kW，功率因數(shù)1；2＃主變二次負(fù)荷約7000kW，功率因數(shù)0.76。CDQ發(fā)電機(jī)組于10kVI段母線并網(wǎng)發(fā)電，出力約15000kW，功率因數(shù)0.85。如圖4所示。

圖4 焦化區(qū)域系統(tǒng)圖

2.2.4 各區(qū)域主變負(fù)荷系數(shù)，如表1所示：

負(fù)荷系數(shù)計(jì)算公式：

式中：β—負(fù)荷系數(shù)；

P2—變壓器負(fù)載測(cè)輸出功率，kW；

SN—變壓器額定容量，MVA；

cosφ2—負(fù)載功率因數(shù)。

表1 各區(qū)域變壓器負(fù)荷系數(shù)

對(duì)上述三個(gè)區(qū)域電氣運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)各區(qū)域均存在功率因數(shù)偏低和變壓器負(fù)荷系數(shù)偏低的問(wèn)題。

功率因數(shù)低一方面會(huì)造成系統(tǒng)電壓壓降較大，給用電設(shè)備運(yùn)行條件帶來(lái)不利，另一方面還會(huì)降低變配電設(shè)備的供電能力，例如燒結(jié)區(qū)域變1＃主變雖然僅帶3000kW 的有功負(fù)荷，但其負(fù)荷系數(shù)卻與3＃主變帶10000kW 時(shí)相同。功率因數(shù)低也會(huì)增加變配電網(wǎng)絡(luò)中各元器件的功率損耗。

變壓器負(fù)荷系數(shù)低則會(huì)影響變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

不論是功率因數(shù)低還是變壓器負(fù)荷系數(shù)低，均會(huì)帶來(lái)較大的電能損失，在企業(yè)內(nèi)部日常的電力平衡調(diào)控工作中，應(yīng)在兼顧系統(tǒng)供電安全的前提下，予以優(yōu)化調(diào)整，使企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)達(dá)到安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行目的。

3 功率因數(shù)改善

在冶金企業(yè)中，有大量的感性負(fù)荷存在，因此自然功率因數(shù)較低，老企業(yè)更加明顯。在功率因數(shù)控制方面，由于供電部門對(duì)企業(yè)功率因數(shù)是有一定考核機(jī)制的，所以企業(yè)往往比較重視與供電部門

計(jì)量關(guān)口處的功率因數(shù)是否達(dá)標(biāo)，而容易忽視廠內(nèi)部分變配電系統(tǒng)中因功率因數(shù)低而造成電能損耗增加的問(wèn)題，部分已經(jīng)裝設(shè)的就地補(bǔ)償裝置也疏于維護(hù)管理，未能投入運(yùn)行。目前鋼鐵企業(yè)內(nèi)部可采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置、調(diào)整發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出、利用同步電機(jī)補(bǔ)償?shù)确椒▉?lái)提高功率因數(shù)［4］。

功率因數(shù)與變配電設(shè)備運(yùn)行損耗的關(guān)系，在鋼鐵企業(yè)的變配電系統(tǒng)中主要反映在輸電線路損耗和變壓器銅損兩個(gè)方面。

3.1 提高功率因數(shù)降低線路損耗

輸電線路的功率損耗公式：

式中：ΔP線—輸電線路功率損耗，kW；

R—輸電線路電阻值，Ω／kM；

U—線電壓，V；

cosφ—線路功率因數(shù)。

當(dāng)輸電線路系統(tǒng)電壓、輸送功率一定時(shí)，功率因數(shù)越低，則線路損耗越大［3］。

雖然理論上提高功率因數(shù)可以降低輸電線路損耗，但根據(jù)鋼鐵企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，各區(qū)域性變電所基本都是貼近負(fù)荷中心，輸電電纜長(zhǎng)度一般不會(huì)太長(zhǎng)，且現(xiàn)代化鋼鐵制造企業(yè)輸電線路多采用電力電纜的形式，其線路電阻較低，正常運(yùn)行時(shí)損耗本就不高。例如，某供原料廠10kV供電電纜，線路全長(zhǎng)5公里，電纜線路電阻R為0.3歐，正常運(yùn)行時(shí)輸送有功5000kW，功率因數(shù)為0.8，利用公式求得該輸電線路運(yùn)行損耗僅為0.12W，將功率因數(shù)提升至0.95后，線路運(yùn)行損耗僅僅只降低了0.04W。

所以不能僅從降低線路損耗的角度去考慮提高功率因數(shù)，而應(yīng)將降低線路損耗和降低變壓器銅損相結(jié)合，開展節(jié)電投資。

3.2 提高功率因數(shù)降低變壓器銅損

變壓器運(yùn)行損耗主要由鐵損和銅損構(gòu)成，其受限于變壓器的制造工藝、材料選擇及絕緣結(jié)構(gòu)等方面影響。鐵損即變壓器空載損耗，為固定損耗，與變壓器負(fù)荷無(wú)關(guān)。而銅損為可變損耗，其值的大小與負(fù)荷電流的平方成正比。

在變壓器負(fù)荷一定的前提下，提高功率因數(shù)可降低二次側(cè)負(fù)荷電流，從而減少銅損［2］。

功率因數(shù)改善前后，所降低的有功功率損耗公式：

式中：ΔP銅—變壓器有功損耗減少值，kW；

cosφ1—變壓器原功率因數(shù)；

cosφ2—功率因數(shù)提高目標(biāo)率；

Pk—變壓器短路損耗，kW。

將某鋼鐵廠功率因數(shù)由當(dāng)前值提升至0.95后各區(qū)域主變有功功率損耗變化，如表2所示：

表2 功率因數(shù)改善后有功損耗降低情況

由此可見，功率因數(shù)提高至0.95后，各變壓器的有功功率損失均有所降低，6臺(tái)主變合計(jì)功率損失降低了36.1kW，全年可減少有功電量31.6萬(wàn)kWh。

4 調(diào)整運(yùn)行方式停運(yùn)空載或輕載變壓器

本案例中，由于燒結(jié)、煉鐵、焦化區(qū)域10kV系統(tǒng)側(cè)均接有自備發(fā)電機(jī)組，因此正常運(yùn)行時(shí)，區(qū)域主變壓器的負(fù)荷系數(shù)均不高，部分變壓器常年輕載運(yùn)行。此外，功率因數(shù)的提高在降低變壓器及輸電線路運(yùn)行損耗的同時(shí)，也提高了變壓器的帶負(fù)荷能力，在變壓器負(fù)載不變的前提下，則進(jìn)一步降低了變壓器的負(fù)荷系數(shù)，變壓器仍不是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式。

因此，對(duì)于“大馬拉小車”，負(fù)荷系數(shù)不高的變壓器應(yīng)及時(shí)結(jié)合系統(tǒng)結(jié)線對(duì)負(fù)荷進(jìn)行重新分配，停運(yùn)空載或輕載變壓器。

1）煉鐵區(qū)域：可停運(yùn)1＃主變，由2＃主變帶10kVⅠ＼Ⅱ段母線運(yùn)行。

2）燒結(jié)區(qū)域：可停運(yùn)2＃主變，由1＃主變帶10kVⅠ＼Ⅱ段母線，3＃主變帶10kVⅢ＼Ⅳ段母線運(yùn)行。

3）焦化區(qū)域：可停運(yùn)1＃主變，由2＃主變帶10kVI＼Ⅱ段母線運(yùn)行。

負(fù)荷調(diào)整后各區(qū)域變壓器負(fù)荷系數(shù)及有功損耗變化情況，如表3所示。（現(xiàn)運(yùn)行有功損耗按功率因數(shù)提升至0.95計(jì)算）

表3 負(fù)荷系數(shù)及有功損耗變化情況

變壓器最低損失率大致發(fā)生在負(fù)荷系數(shù)0.5-0.6左右，雖然各區(qū)域主變二次負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整后，仍然沒有達(dá)到變壓器最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果，但已經(jīng)最大程度上降低了變壓器運(yùn)行損耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)整后變壓器運(yùn)行有功損失可減少93.5kW。全年可減少有功電量81.6萬(wàn)kWh。

鋼鐵企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于用電負(fù)荷等級(jí)的不同，其對(duì)供電電源的要求也不盡相同，煉鐵和焦化車間等一類負(fù)荷，正常工作電源必須要有兩路，且能互為備用。因此，在生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整及空載變壓器停運(yùn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮，制定對(duì)策。本案例中，焦化區(qū)域CDQ發(fā)電機(jī)組出力正常情況下是能滿足焦化區(qū)域內(nèi)用電需求的，在配置低周減載系統(tǒng)后，可視為一路供電電源，從而停運(yùn)焦化1＃主變。而煉鐵區(qū)域內(nèi)任何一臺(tái)TRT發(fā)電機(jī)組均無(wú)法滿足區(qū)域內(nèi)的用電總量，如果停運(yùn)一臺(tái)輕載變壓器，則會(huì)降低區(qū)域內(nèi)的供電可靠性，故實(shí)施時(shí)應(yīng)結(jié)合企業(yè)自身情況，權(quán)衡利弊后選擇是否停運(yùn)。

停運(yùn)的變壓器，企業(yè)應(yīng)開展定期檢查、試驗(yàn)工作，以確保其100%可開動(dòng)率，當(dāng)所在供電區(qū)域發(fā)生故障或緊急缺陷處理時(shí)，應(yīng)能及時(shí)投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，運(yùn)行節(jié)電沒有設(shè)備改造、工藝改善等方面節(jié)電效果直觀、節(jié)電收益明顯，往往容易被忽視，但無(wú)論多么優(yōu)化的電氣設(shè)計(jì)、多么優(yōu)良的電氣設(shè)備，在沒有規(guī)范和高效的電氣運(yùn)行管理時(shí)，都會(huì)造成電能的浪費(fèi)。因此，企業(yè)電氣運(yùn)行應(yīng)結(jié)合企業(yè)自身的用電情況，及時(shí)調(diào)整電氣運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，提高企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)中各電壓等級(jí)下的功率因數(shù)，優(yōu)化負(fù)荷分配，視情況退出輕載或空載變壓器，使企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)中的各類電氣元件始終處于較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。