脱硫特许经营无功补偿节能改造的研究

董 力

（中国节能减排有限公司，北京 100011）

脱硫特许经营无功补偿节能改造的研究

董 力

（中国节能减排有限公司，北京 100011）

电费是脱硫特许经营一项重要的日常运营费用，对脱硫电气系统进行无功补偿节能改造，可降低供电损耗以节约电费。根据某发电厂脱硫工程设计数据和脱硫特许经营实际运营数据，对在不同地点进行无功补偿改造的效益进行计算，得到在脱硫380V电动机就地安装无功补偿装置进行节能改造较合理的结论。

脱硫特许经营；无功补偿；节能改造

1 引言

为消除我国电力行业脱硫装置建设质量及运行管理等方面所暴露出来的种种问题，国家发展改革委和原国家环保总局于2007年7月联合印发了《关于开展火电厂烟气脱硫特许经营试点工作的通知》，启动了火电厂烟气脱硫特许经营的试点及推广工作。脱硫特许经营将污染治理工程的投资、设计、施工和运营一体委托专业化环保公司实施，利用市场机制，促进火电厂烟气脱硫设施长期可靠运行。经过几年的试点和推广，特许经营模式确实对我国火电厂烟气脱硫技术的进步、脱硫工程质量和设施投运率的提高起到了关键性作用。据统计，2012年五大发电集团新投运火电厂烟气脱硫机组中，采用特许经营方式的约占50%。

对脱硫电气系统进行无功补偿节能改造，可降低电费计量点至无功补偿点之间供电网络的损耗以节约电能，进而达到降低脱硫特许经营运营费用的目的。本文根据国电集团宁夏某发电厂2×330MW机组烟气脱硫工程施工图中的设计数据和脱硫系统实际运营数据，以该工程特许经营运营情况为例，对无功补偿的电能节约和投资收益进行了计算分析。

2 无功功率及无功补偿

2.1 电力系统的无功功率

交流发电机输出功率分为有功功率和无功功率。有功功率（单位kW）是用于做功和发热损耗的那部分电能，如转换为机械能、热能、光能等。有功功率流向是单向的电源至负载，一个周期的平均有功功率大于零。

无功功率（单位kvar）是用于电路内电场与磁场交换的那部分电能。电动机和变压器的运行，必须通过无功功率建立交变磁场才能传递、转换电能；电力系统的输电线路、各种负载也存在电抗，消耗无功功率。电源传送到电抗的能量，转化为磁能储存在电抗中，随后又从磁能转化为电能输送到电源。无功功率是能量在电源和负载电抗之间往返交换，双向流动；能量交换中无功功率并没有消耗，一个周期的平均无功功率等于零。

2.2 无功补偿的意义和方式

无功功率是电力系统正常运行必不可少的。电动机运行所需的无功功率由发电机提供，则无功功率流过自发电机至电动机就地整个输、配电网络。无功功率的存在使电网输送固定有功功率时视在功率增加、流过电网的电流增加，进而使得供电线路和变压器的容量增加、供电线路损耗增加。

在电动机就地或供电母线处并联电容器，电动机所需的无功功率由电容器作为无功发生源供给。由此减少了自发电机至无功补偿点（即并联电容器处）的电网的无功功率输送，可在一定程度上减少供电线路和变压器的容量，降低线路损耗。

从无功补偿装置的安装地点划分，无功补偿的方式分为：

（1）集中补偿：补偿装置安装在高、低压配电母线处；

（2）分组补偿：补偿装置安装在配电变压器低压侧和用户车间配电屏；

（3）就地补偿：补偿装置安装在单台电动机处。

2.3 无功补偿应用在脱硫系统中的节能作用

无功补偿不能提高电动机等用电负荷本身的功率因数，即不能降低负荷本身的能耗。其节能作用体现在提高了电源点至补偿点之间电网的功率因数，降低了电网的损耗。

脱硫特许经营的电费计量点一般在电厂厂用电6kV段脱硫馈线开关柜出口处，安装无功补偿装置，可降低电费计量点至补偿点之间供电网络的损耗以节约电能。

脱硫厂用电系统原理接线图如图1所示。

图1 脱硫厂用电系统原理接线图

其中：

G — 发电机；T1：高压厂用变压器；T2：低压脱硫变压器；

B1 — 脱硫6kV母线；B2：脱硫380V母线；

M1 — 脱硫6kV电动机；M2：脱硫380V电动机；

L1、L2、L3 — 6kV电缆；L4：380V电缆；

A点— 发电机口；

B点— 电厂厂用电6kV段馈线处（脱硫电费计量点）。

2.4 并联电容器补偿无功功率对电网的节能分析

并联电容器补偿电动机的功率因数，原则上电容器的无功容量可按照电动机空载时补偿到cosφ = 1设计，因为若在有负载时将cosφ补偿到1，则电动机空载或轻载时会造成过补偿。

（1）按照电动机空载时cosφ=1所需电容器容量QC为：

其中：

UN— 电动机定子额定线电压；

ION— 电动机额定电压空载电流；

P0— 电动机空载损耗。

（2）如电动机补偿过大，切断电容器或电源时，电容器放电给电动机以励磁，使旋转着的电动机成为感应发电机，导致严重的过电压。因此并联电容器的容量应不大于励磁电容。防止电动机出现励磁电流的电容器补偿容量QCj为：

计算并联电容器补偿容量应选择QC和中QCj较小者，一般情况QCj＜QC。

（3）补偿电容值C为：

其中：

f — 电动机额定频率。

（4）电动机有功功率为P、无功功率为Q、供电线路单位电阻为r、线路长度为L、采用容量为QC的电容器补偿、电容器的介质损耗为tanδ（W/var），采用并联电容器补偿电动机无功功率后减少线路电能损耗ΔP为：

（5）电动机额定电压空载电流值在没有准确数值时可采用以下公式计算：

其中：

IN—— 电动机额定线电流；cosφN— 电动机额定功率因数。（6）电动机的负载率K为：

其中：

I1— 电动机负载线电流。

3 实例分析1

以国电集团宁夏某发电厂脱硫工程为例，在脱硫6kV母线处进行无功补偿改造的节能分析。

3.1 脱硫工程电气系统的设计参数和运行实测数据

（1）国电集团宁夏某发电厂2×330MW机组烟气脱硫工程，施工图负荷统计如表1所示。

表1 脱硫系统施工图负荷统计

（2）脱硫系统运行数据见表2。

表2 脱硫系统实际运行数据（注）

3.2 在脱硫6kV，B段进行无功补偿改造的节能分析

在脱硫6kV母线处进行无功补偿改造，从图1看，补偿点在B1处，脱硫特许经营可获得收益为电缆L1节约的电能。为方便计算，可以认为表1所列各负荷均为并联在母线上的6kV电动机，各电动机均按照国产YKK系列6kV三相异步电动机取额定功率因数cosφN= 0.85、ηN= 0.94。由式 ① ～ ⑥ 得到：

（1）额定电流IN ：

（2）额定空载电流I0N：

（3）防止出现励磁电流的容量QCj：

（4）补偿电容值C：

（5）脱硫6kV，B段进线电缆为3根直径为185mm2的YJV22-6/6kV铜芯电缆，查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.033Ω/km。由施工图知进线电缆长度为0.545km。取tanδ= 0.0005W/var。无功补偿后节约电能ΔP：

（6）无功补偿后的功率因数cosφ：

3.3 脱硫6kV母线处无功补偿改造的技术经济分析

向无功补偿设备供货商询价，1800～2200kvar的6kV无功补偿全套设备，平均报价约42万元。电容器的使用寿命不小于10年。

该电厂脱硫系统2011年用电电价为0.2元/kW·h。2011年每台机组平均运营发电8040.5h，假定特许经营公司提供运营数据为机组平均出力的情况。

脱硫6kV，B段无功补偿改造年节约电费F= 3.41×8040.5×0.2 = 5483.62元；

不考虑资金成本、设备维护成本的投资成本回收期T = 42/0.548 = 76.6年。

若年资金成本为5%，则投资的年资金成本为42×5% = 2.1万元。资金成本远超过预期收益。

由此可见，在脱硫6kV母线处进行无功补偿技术改造，在经济上不可行。

4 实例分析2

以国电集团宁夏某发电厂脱硫工程为例，在脱硫380V母线处进行无功补偿改造的节能分析。

在脱硫380V母线处进行无功补偿改造，从图1看，补偿点在B2处；对脱硫特许经营来说，可获得的收益包括设备和线路L1、L3、T2等处节约的电能。

4.1 脱硫380V母线处无功补偿量

以脱硫PC，B段为例，按照设计施工图及表1的计算，脱硫PC，B段电动机额定功率1190kW。不同功率的电动机功率因数、效率有所不同，考虑脱硫电动机大致平均的情况，取电动机额定值：（1）额定电流IN：

（2）额定空载电流I0N：

（3）防止出现励磁电流的容量QCj：

（4）特许经营公司运行人员提供母线B2及进线开关表计读数为：U=390V、IA=724A、IB=688A、IC= 700A、P=158.9kW、cosφ=1。其中P=158.9kW、cosφ= 1与电气系统运行的实际情况不符，应属读数有误。

取U = 390V，I =（IA+ IB+ IC）/3 = 704A，假定运营中cosφ= 0.8。

（5）母线B2处容量：

（6）Qcj＞Q，实际运行中负荷率很低，按照额定功率计算补偿容量将会出现过补偿。将功率因数补偿到0.95，则补偿后无功容量：

4.2 低压脱硫变T2的节能

变压器负载运行时，可等效为“一”字型电路。图1脱硫厂用电系统部分可等效为图2所示电路：

图2 脱硫厂用电系统等效电路图

其中：RT0+ jXT0为变压器折算到高压侧的空载阻抗，其引起的损耗为空载损耗PT0+ jQT0，可以认为变压器运行中空载损耗是不变的。RT+ jXT为变压器折算到高压侧的负载阻抗，变压器的节能可通过考察无功补偿前后负载阻抗RT损耗的变化得出。

（1）变压器额定参数：

SCB10 - 2000kVA、Dyn11、Uk= 8%、I0= 0.3%、Pk= 13.94kW，空载损耗P0= 3.02kW、Q0= I0×SN= 0.3%×2000 = 6kvar。

（2）折算到高压侧的负载阻抗ZT:

（3）低压脱硫变T2节能计算：

P = 380.4kW，Q = 285.3kvar，Q´= 125.0kvar，

Qcj= 160.3kvar。

补偿前变压器负载阻抗引起的损耗为：

补偿后变压器负载阻抗引起的损耗为：

无功补偿后节约电能ΔPT2：

4.3 6kV电缆L3的节能

由图1无功补偿前C点处容量：

无功补偿后C点处容量：

补偿前后C点处无功容量变化：QC= 300.358 - 137.432 = 162.926kvar。

C点处补偿容量变化约为1.6%，为简便计算，认为C点处补偿容量不变，取补偿容量Qcj= 160.3kVA。

查电气施工图，脱硫变电缆L3为3×120mm2直径的YJV22-6/6kV铜芯电缆，电缆长度为20m。查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.153Ω/km。

无功补偿后节约电能ΔPL3（式 ④）：

4.4 6kV电缆L1的节能

查电气施工图，脱硫变电缆L1为3根直径185mm2的YJV22-6/6kV铜芯电缆，电缆长度为0.545km。查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.033Ω/km。

特许经营公司提供图1母线B1处无功容量Q= 3437kvar、电压U = 6.37kV（见表2）；取补偿容量Qcj= 160.3kVA。

无功补偿后节约电能ΔPL1（式 ④）：

4.5 脱硫380V母线处无功补偿的技术经济分析

380V母线处无功补偿后脱硫系统（图1中B点考核）节约总电能为：

按照脱硫电价0.2元/kW·h考虑，年可节约电费为：

F = 0.631×8040.5×0.2 = 1014.71元。

无功补偿供货商报价，380V无功补偿装置约为100元/kvar。设备单价t = 100元/kvar，年运行维修费用1%，年资金成本5%，计算改造投资回收年限T为：

由于技术改造的投资成本回收期极长，该技术改造方案在经济上不可行。

5 实例分析3

以国电集团宁夏某发电厂脱硫工程为例，在脱硫380V典型电动机就地进行无功补偿改造的节能分析。

在脱硫380V电动机就地无功补偿，从图1看，补偿点在M2处；对脱硫特许经营来说，可获得的收益包括设备和线路L1、L3、T2、L4各处节约的电能，是收益最大化的情况。

5.1 石膏排出泵电动机的额定数据和实际运行数据

根据脱硫特许经营公司提供的数据，选择在#2-1石膏排出泵就地无功补偿。电动机的额定数据为：

额定空载电流I0N：

特许经营公司提供的石膏排出泵电动机的实际运行数据为：

电动机的负载率K（式 ⑥）：

查电动机工作表，K=0.81时，功率因数、效率大致为：

cosφ= 0.86，η= 0.928。

石膏排出泵电动机运行中消耗功率：无功补偿后的功率因数cosφ：

5.2 380V电缆L4的节能

查电气施工图，石膏排出泵电动机电缆L4为3×70mm2直径的YJV22-1kV铜芯电缆，电缆长度为0.19km。查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.286Ω/km。

无功补偿后节约电能ΔPL4（式 ④）：

5.3 低压脱硫变T2的节能

变压器负载运行时脱硫厂用电系统等效电路如图2所示。低压脱硫变B的实际运行数据见4.2节。

母线B2处容量：P = 380.4kW，Q = 285.3kvar。

补偿后无功容量：Q´= 285.3 - 20 = 265.3kvar。

补偿前变压器负载阻抗引起的损耗为：

5.4 6kV电缆L3的节能

由图2，无功补偿前C点处容量：

无功补偿后C点处容量：

补偿前后C点处无功容量变化：

C点处补偿容量变化约为2.2%，为简便计算，认为C点处补偿容量不变，取补偿容量Qcj= 20kVA。

查电气施工图，脱硫变电缆L3为3×120mm2直径的YJV22-6/6kV铜芯电缆，电缆长度为20m。查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.153Ω/km。

无功补偿后节约电能ΔPL3（式 ④）：

5.5 6kV电缆L1的节能

查电气施工图，脱硫变电缆L1为3根直径185mm2的YJV22-6/6kV铜芯电缆，电缆长度为0.545km。查电缆手册得到进线电缆单位长度电阻为0.033Ω/km。

特许经营公司运行提供图1母线B1处无功容量Q=3437kvar、电压U=6.37kV，见表2；取补偿容量Qcj=20kVA。

无功补偿后节约电能ΔPL1（式 ④）：

5.6 石膏排出泵电动机就地无功补偿的技术经济分析

就地无功补偿后脱硫系统（图1中B点考核）节约总电能为：ΔP = ΔPL1+ΔPL3+ΔPT2+ΔPL4- QCtanδ = 0.0608+0.0009 + 0.038 + 0.383 - 20×0.0005 = 0.473kW

按照脱硫电价0.2元/kWh考虑，年节约电费为：

F = 0.473×8040.5×0.2 = 760.63元

无功补偿供货商报价，380V无功补偿装置约为100元/kvar。设备单价t = 100元/kvar，年运行维修费用1%，年资金成本5%，计算改造投资回收年限T为：

改造投资回收期较短，该技术改造方案在经济上是可行的。

从计算结果看，节约电能最主要集中在为380V电动机供电的电缆L4的节能ΔPL4。ΔPL1、ΔPL3、ΔPT2、ΔPL4、QCtanδ分别占总节能的12.9%、0.2%、8.0%、81.0%、2.1%。

5.7 脱硫380V电动机就地无功补偿的计算分析

不同功率的380V电动机，其功率因数、效率有所不同，且电动机在实际运行中因工况不同实际消耗功率与额定功率比值有差异。考虑脱硫电动机大致平均的情况，取电动机额定值：UN=380V，cosφN=0.86，ηN=0.91；取实际运行功率为额定功率的80%，即P=0.8PN。根据该发电厂特许经营公司提供的数据，#2炉脱硫系统实际运行中取值为：6kV母线电压UH=6.37kV，380V电动机电压U=390V；380V电动机功率因数cosφ=0.85。

按照前述方法计算，对脱硫PC，B段连续运行的380V电动机进行就地无功补偿节能计算。计算结果见表3。

表3 脱硫PC B段电动机就地无功补偿计算

考虑计算的误差及费用计算的其他情况，以及补偿电容器不小于10年的使用寿命，对投资回收期在7年以下的电动机可进行就地无功补偿改造。

计算的22台电动机中，19台投资成本回收期小于7年。即若所计算电动机都是长期、连续运行，其中86%进行就地无功补偿节能改造经在济上是可行的。

就地无功补偿节能改造在经济上可行的380V电动机，为其供电的380V电缆较长，该电缆节能效果较明显。脱硫PC，B段节能改造经济上可行的电动机，供电电缆长度均不小于175m，380V供电电缆节能占总节能比例（ΔPL4/ΔP）70%以上。

6 结论

根据国电集团宁夏某发电厂2×330MW机组烟气脱硫工程施工图中的设计数据和脱硫系统实际运营数据，对在不同地点进行无功补偿改造的电能节约和投资收益进行计算分析，得到如下结论：

（1）脱硫380V电动机就地安装无功补偿装置，投资成本回收期较短，有较好的经济效益；尤其是380V供电电缆较长的情况，节能效果明显。

（2）脱硫380V母线处安装无功补偿装置，投资成本回收期极长，节能改造得不偿失。

（3）脱硫6kV母线处安装无功补偿装置，年节约电费小于改造投资的年资金成本，节能改造得不偿失。

[1] 四川电力设计咨询有限责任公司.国电集团宁夏某发电厂2×330MW机组烟气脱硫工程施工图（电气部分）[Z].2006.

[2] 李青，高山，薛彦廷.火力发电厂节能技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 三相异步电动机经济运行(GB/T12497-2006) [S].

[4] 李发海，朱东起.电机学（第三版）[M]. 北京：科学出版社，2005.

[5] 牟旭涛，慕志恒，张卫星，等.无功补偿在发电厂厂用电系统中应用的研 究[N].电力系统及其自动化学报，2004，3：42-45.

Discussion on Reactance Compensation and Energy Saving Reform in Desulfurization License Management

DONG Li
(China Energy Saving & Emission Reduction Co., Ltd, Beijing 100011, China)

The electrical charge is an important daily operation charge, the electrical system of desulfurization which is carried through reactance compensation and energy saving reform, can decrease power supply consumption and save electrical charges. Based on the designing data of desulfurization engineering in a certain power plant and the actual operation data of desulfurization license management as well as benefits of reactance compensation reform counted in different sites, the rational conclusion is gained when energy saving and reform are conducted in the desulfurization 380V electromotor which installs reactance compensation device on the spot.

desulfurization license management; reactance compensation; energy saving and reform

X322

A

1006-5377（2015）02-0050-08