鋼鐵廠供配電系統(tǒng)與用電設備的節(jié)電運行技術

n更多企業(yè)學院： 中小企業(yè)管理全能版183套講座+89700份資料總經理、高層管理49套講座+16388份資料中層管理學院46套講座+6020份資料國學智慧、易經46套講座人力資源學院56套講座+27123份資料各階段員工培訓學院77套講座+ 324份資料員工管理企業(yè)學院67套講座+ 8720份資料工廠生產管理學院52套講座+ 13920份資料財務管理學院53套講座+ 17945份資料銷售經理學院56套講座+ 14350份資料銷售人員培訓學院72套講座+ 4879份資料河北省冶金企業(yè)中推廣節(jié)電新技術新設備研討會專家材料之五鋼鐵廠供配電系統(tǒng)和用電設備的節(jié)電運行技術（教育部電能質量工程研究中心李令冬 朱明星）摘要本文介紹配電網系統(tǒng)和用電設備的節(jié)電運行技術，并初步指出在做運行方式和配電網重構計算時應以節(jié)電指標作為目標函數，安全運行、電能質量指標作為約束條件，這樣會得到較好的結果。1 概述1.1 鋼鐵廠耗能現狀和節(jié)電指標鋼鐵行業(yè)是高耗能行業(yè)，2000年鋼鐵工業(yè)總能耗占全國總能耗的10，用電占全國總用電量的8.36左右;大型鋼鐵企業(yè)能源成本占總生產成本的30左右，其中電能成本占總生產成本的10左右；2000年全國重點企業(yè)噸鋼可比能耗為784kg標煤/噸鋼，綜合耗電752kWh/t,日本噸鋼可比能耗為646kg標煤/噸鋼，我國計劃2010年、2020年噸鋼可比能耗目標分別為685標煤/噸鋼、640標煤/噸鋼，鋼鐵企業(yè)能耗將達到國際先進水平。1.2 鋼鐵工業(yè)節(jié)能措施鋼鐵工業(yè)節(jié)能措施主要有：（1）調整企業(yè)組織結構、產品品種結構和生產工藝結構；（2）改造或更新用電設備和生產工藝；（3）推行供配電系統(tǒng)和用電設備的節(jié)電運行技術，我們這里主要介紹的是供配電系統(tǒng)和用電設備的節(jié)電運行技術1.3 節(jié)電運行技術本質上是一種投資少、收益高的軟件技術配電網和用電設備節(jié)電運行技術主要包括：低電壓偏差運行技術；變壓器經濟運行技術；配電網重構技術；電加熱設備的配電功率曲線控制等技術。節(jié)電運行技術是對電網的結構、電網和用電設備的運行方式、運行參數進行優(yōu)化的技術，本質是一種軟件技術。推廣節(jié)電運行技術不像推廣節(jié)電設備那樣需要較大的資金支持，它推廣的是先進的節(jié)電技術理念。因此，推廣節(jié)電運行技術是一種投資少收益高的工作。2 低電壓偏差運行技術2.1 低電壓偏差運行技術的節(jié)電原理低電壓偏差運行技術的節(jié)電原理的依據有以下幾個方面：（1）鋼鐵廠配電系統(tǒng)和用電設備具有較高的無功電壓靈敏度;（2）配電變壓器運行在一定程度的磁飽和狀態(tài)下，當電壓降低時變壓器的勵磁電流減小?，F場測試表明，當電壓降低1時，變壓器的無功功率相應減少36；（3）鋼鐵廠負荷中約75是電機負荷和電加熱負荷及空調負荷，而這些負荷功率的靜態(tài)特性表明，當電壓降低時，鋼鐵廠有功功率變化很少，而無功功率變化很大。負荷電壓靈敏度的靜態(tài)模型可以表示為如下的指數形式： （1）鋼鐵工業(yè)主要用電設備的靜態(tài)特性參數及U/U0由1.05降到1.0時，P/P0和Q/Q0變化如下表所示：設備工業(yè)電機泵、風扇和其他電機電弧爐中央空調室用空調煉爐鼓風機工業(yè)電視熒光燈PV0.050.082.30.20.50.082.01.0QV0.61.64.62.22.51.65.23.0P/P0U/U01.051.0021.0041.1191.011.0251.0041.1031.050U/U01.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000Q/Q0U/U01.051.0301.0811.2521.1131.1301.0811.2891.158U/U01.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000降低運行電壓，有功功率變化較小，但無功變化較大。對于鋼鐵工業(yè)負荷平均來說，當供電電壓大于額定電壓時，電壓降低5，無功功率可減少8左右，設備有功功率減小很少，降至額定功率，不會影響生產，但無功電流產生的線路損耗減少了，同時也減少了無功補償設備的投入。2.2 推行低電壓偏差技術應注意的問題在供配電系統(tǒng)中推行低電壓偏差技術的條件和電壓調整范圍：供電電壓較穩(wěn)定，電壓波動范圍較??；電壓波動范圍在10左右，則用電設備終端電壓偏差應整定在+0和-1之間； 電壓波動范圍在5左右,則用電設備終端電壓偏差應整定在0和-2之間。上個世紀80年代，由于供電不足，輸配電技術落后,電壓波動很大，特別是往負方向波動大，用戶為了保證設備的正常供電，在供電設計上，不得不把設備終端電壓調的很高。到了本世紀，電力充足，電壓穩(wěn)定，但很多用戶還保留原來設計思想，致使電力設備運行電壓較高，使有功損耗和無功損耗大大增加，因此大力推廣配電網和用電設備的低電壓偏差技術勢在必行。l 案例一美國電科院(EPRI)資助的節(jié)能性降低運行電壓研究項目中，曾經測試了 許多電動機和包含電動機的用電設備特性，主要結論如下：電動機的無功電壓靈敏度隨著負荷水平的增加下降，對于一臺20HP(1HP=745.7W) 230V的三相感應電動機，當負荷轉矩恒定時，對應于負荷為0.7Pu (1Pu=17.01 kVA) 、1.0Pu、 1.2Pu的Qv在額定電壓附近分別為1.8、1.4和1.0；若負荷轉矩隨轉速變化，則有相應的Qv分別為1.9、1.5和1.3。在重負荷條件下，當電壓低于0.9Pu時，電動機會發(fā)生堵轉，吸收大量無功功率，導致電壓進一步下降。并且，一臺電機的堵轉還會使相鄰電壓也發(fā)生堵轉現象，出現電壓崩潰現象。由以上結論可以看出，電動機負載系數不宜過低，當負載系數低于30%時，可以將型接法改為Y型接法，以提高功率因數，降低損耗； 在應用低電壓偏差運行技術時，必須在電壓比較穩(wěn)定前提下降低運行電壓，且運行電壓不小于0.95Pu。l 案例二2005年，我們對年產1000萬噸鋼的某大型鋼鐵公司進行全面的電能質量及安全經濟運行評估，該公司6kV、10kV、35kV供電母線電壓普遍偏高(+5%到+10%)，電壓波動大都在5以內，因此我們建議將電壓偏差調整在+0%。調整后，全公司無功損耗減小約50MVar，功率因數提高了，無功當量按照0.01kW/kVar計算，照明設備、線路及變壓器有功損耗也因此減少500kW，并減少50MVar的無功補償設備(價值500萬元)的投入，無功補償設備的有功損耗設為補償容量的0.5%，因此減少無功設備的損耗約250 kW，總有功損耗減少750kW，全年按7000小時運行時間計算，節(jié)電500萬kWh以上。3 變壓器的經濟運行3.1 鋼鐵廠配電變壓器存在著巨大的節(jié)電潛力1000萬噸鋼鐵廠用電功率在500MW左右，變壓器的平均負載率為50，配電變壓器總容量應在2000MVA，設各級變壓器的平均運行效率為99，變壓器有功損耗為10MW，如果將變壓器的運行效率提高0.2%，則可節(jié)電2MW ，全年按照8000小時運行時間計算，可節(jié)約電能1600萬度電。鋼鐵廠配電變壓器的無功損耗：高壓(220kV/10kV)變壓器為負載容量10左右，中壓變壓器為負載容量的5左右，平均在8%左右，1000萬噸鋼的鋼鐵廠配電變壓器總無功損耗在80MVar左右。3.2 使用高壓用電設備，減少變壓器總容量使用高壓用電設備，減少變壓器總容量是減小變壓器損耗最有效的措施，1000萬噸鋼的鋼鐵廠配電變壓器容量由2000MVA減少到1800MVA，則可節(jié)電1 MW，全年節(jié)約電能在800萬度電，并減少無功損耗8MVar左右。3.3 變壓器經濟負載系數(1)有功經濟負載系數p設變壓器額容量為SN，輸入功率為P1，輸出功率為P2，負載功率因數為cos2 ，空載損耗為P0，負載損耗為PK，負載系數為，變壓器效率為，則變壓器有功損耗： (2)即變壓器銅損和鐵損相等時，變壓器有功損耗最小。變壓器效率: (3)一般變壓器的,.(2)無功經濟負載系數Q設變壓器空載電流為I0，短路阻抗電壓UK%，則變壓器的空載勵磁功率Q0=SN(I0)，額定漏磁功率QK=SN(UK )，變壓器的無功消耗率 (4)即變壓器空載勵磁功率等于負載漏磁功率時，無功損耗最小。(3)變壓器綜合經濟負載系數Z多數情況下，變壓器有功經濟負載系數和無功經濟負載系數很接近，但也有差異較大的，必須綜合考慮有功和無功的影響，設無功經濟當量為KQ， (5)變壓器等效有功損耗 (6)變壓器效率 (7) KQ的物理意義是：變壓器每減少1kVar無功功率消耗時，引起連接系統(tǒng)有功功率損失下降的kW值。無功當量值如下表所示變壓器在連接系統(tǒng)的位置KQ(kW/kVar)負載最大時負載最小時發(fā)電機電壓供電的變壓器0.020.02高壓線路變壓器0.070.04由區(qū)域線路供電的11035kV的降壓變壓器0.100.06由區(qū)域線路供電的610kV的降壓變壓器0.150.10由區(qū)域線路供電的降壓變壓器，但無功補償由同步調相機負擔0.050.03表中數據表明，無功源離電源越遠無功當量越大， 因此無功就地補償原則對減小線損具有很重要的意義。3.4 配電變壓器節(jié)電運行案例某用戶負載容量為16MVA，負載電壓為10kV，現有兩種供電方案A. 用一臺110kV/10kV，20MVA供電變壓器帶16MVA負載，變壓器參數UK10.5，PK 135kW，I0%=2.8，P0=22kW。B. 用兩臺同A一樣的供電變壓器，各帶8MVA容量負載，試比較兩種方案的有功損耗和無功損耗。供電變壓器綜合經濟負載系數,根據上面的公式，取無功經濟當量KQ=0.13，可以算出：方案A ，；方案B ， 。方案B比方案A節(jié)電計算：一年以8000小時計算，節(jié)約電能kWh，兩臺變壓器并列運行，不僅節(jié)電，而且提高了供電的可靠性。4.配電網重構技術4.1 配電網重構技術的概念通過改變配電網絡拓撲結構來提高可靠性，降低線損，均衡負荷和改善供電電壓質量的技術稱為配電網重構技術。配電網重構包括正常運行時的網絡重構和故障狀態(tài)下的網絡重構。重構時的運行狀態(tài)重構目標約束條件重構方法重構計算正常降低線損、平衡負荷、提高供電質量潮流方程，支路電流和節(jié)電電壓，網絡拓撲（輻射狀），開關操作次數，繼電保護可靠性開關操作數學優(yōu)化算法、最優(yōu)流模式算法、支路交換法、人工智能算法故障隔離故障源，恢復非故障源區(qū)域供電故障診斷算法配電網重構是優(yōu)化配電系統(tǒng)技術、提高配電系統(tǒng)安全性和經濟性的重要手段。配電網重構是在滿足配電網呈輻射狀、饋線熱熔、節(jié)點電壓偏差要求和變壓器容量要求的前提下，確定使配電網線損、負荷均衡度，供電質量等指標最佳的配電網運行方式。由于配電網中存在大量的分段開關和聯絡開關，因此配電網重構是一個多目標非線性混合優(yōu)化問題。4.2 鋼鐵廠配電網重構技術鋼鐵廠配電網具有電壓等級多（220kV、110kV、35kV、10kV、6kV、0.4kV），配電節(jié)點多，配電網絡拓撲復雜，配電變壓器多，負載功率密度大，負荷的沖擊性、不對稱性和非線性嚴重，配電網內包括自備電廠，電力設備功率大，連續(xù)生產等特點。上述特點使配電網重構變得十分復雜。鋼鐵廠使個用電大戶，而且用電效率低。不斷降低鋼鐵廠配電系統(tǒng)的能耗和線損，提高配電系統(tǒng)運行經濟效益是鋼鐵廠供電系統(tǒng)面臨的一項長期課題，通過實施配電網重構技術、改變運行方式，從而降低配電網線損是鋼鐵廠節(jié)電的重要途徑之一。因此，我們在配電網重構時把線損最小作為目標函數，把負載均衡、提高供電質量、安全可靠運行等目標作為約束條件。通過降維處理，把多目標非線性混合優(yōu)化問題簡化為單一目標的非線性混合優(yōu)化問題。配電網重構算法時一個十分復雜的理論問題，更是一個實際工程問題。沒有實際經驗，僅根據理論計算結果對配電網進行重構風險大，一旦出現安全運行問題，后果不堪設想。我們在實際工程中推薦使用“基于專家系統(tǒng)的配電網重構算法”，按照 經過實踐證明是有效的專家知識和經驗制定配電網重構規(guī)則，盡管不是最優(yōu)，但最可靠，可以得到在滿足安全可靠運行及供電質量前提下優(yōu)化的配電網結構。安全可靠運行是配電網經濟運行的保證，某冷軋廠一次電壓驟降造成全廠停產10多個小時，經濟損失超過一千萬元人民幣，因此我們在推廣節(jié)電技術同時，要注意如何通過配電網重構，提高配電網運行的安全可靠性。4.3 基于專家知識和經驗的配電網重構案例案例1 某冷扎廠配電網重構計算(1) 配電系統(tǒng)圖如圖1所示。(2) 電網絡重構計算的基礎資料目標：現負荷狀況下，運行損耗最小，新增負荷狀況下運行損耗最小。約束條件： 功率因數大于0.9； 配電網電能質量達到國家標準規(guī)定的指標。供電參數：110kV進線最大短路容量6000MVA，最小短路容量3000MVA； 供電變壓器St80MVA，110kV/10.5kV，Uk10.5%， I00.6，Pk310kW，P078.5kW（3）重構計算 重構計算 計算配電網電能質量考核點的電壓偏差、電壓波動與閃變、諧波電壓、諧波電流、負序電壓、負序電流等各項電能質量指標限值。圖1配電系統(tǒng)圖 配電網運行方式共6種接通W1、W4、W5、W8，其余斷開；接通W1、W4、W6、W7、W8,其余斷開；接通W1、W2、W3、W5、W8,其余斷開；接通W1、W2、W3、W5、W6、W7,其余斷開；接通W2、W3、W4、W6、W7、W8,其余斷開；接通W1、W2、W3、W6、W7、W8,其余斷開； 濾波器運行方式共5種H3+H5；H3+H5+H7；H3+H5+H7+H9；H3+H5+H7+H9+H11；H3+H5+H7+H9+H11+H13 負載組合2種原負載；原負載新增3熱鍍鋅3彩涂配電網、濾波器及負載共60種組合 對每種組合計算如下參數變壓器負載系數，負載功率（P、Q、S、cos）、運行功率損耗；各段母線諧波電壓、負序電壓、電壓偏差、電壓波動與閃變并評估是否超過規(guī)定限值；注入系統(tǒng)的諧波電流、負序電流并評估是否超過國標限值。根據計算結果，給出節(jié)電運行方式排序排序規(guī)則：在滿足電能質量指標不超過國標限值，變壓器運行功率因數不小于0.90的約束條件下，按照運行損耗大小排序，損耗最小為最優(yōu)運行方式。主要結論A.現負載狀態(tài)下，濾波器采用H3+H5運行方式，滿足約束條件的配電網運行方式為方式1、2、3、4、5、6。方式6運行損耗最小，其次是方式4、5、1、2、3。正常情況，方式6為最節(jié)電運行方式，當3#主變需要檢修時，可采用運行方式4，當1#主變需要檢修時，可采用運行方式5。B.新增3#彩涂和3#熱鍍鋅后，濾波采用H3+H5+H7+H9+H11 +H13或H3+H5+H7+H9+H11 或H3+H5+H7+H9運行方式，正常情況，方式6為最節(jié)電運行方式，方式6比方式1全年節(jié)電17萬kWh，當3#主變需要檢修時，可采用運行方式4，當1#主變需要檢修時，可采用方式5。C.新增3#彩涂和3#熱鍍鋅后，配電網仍有再新增負載的能力。案例2 基于專家知識和經驗的某熱軋廠配電網重構（1）問題：某熱軋廠35kV段母線諧波電壓嚴重超標，電壓總諧波畸變率高達10以上，供電變壓器、線路和用電設備諧波損耗大 ，電力事故頻繁，無法安全生產。（2）專家知識和經驗：測試數據表明：35kV配電網絡電纜的充電電容與系統(tǒng)阻抗在1300Hz左右產生并聯諧振，致使熱軋負荷較小的23、25、29、31次諧波電流在35kV母線上產生很高的諧波電壓。數據分析結果：配電網23次和25次諧波阻抗輻角在第三象限，諧波電流是由負載流向系統(tǒng)，系統(tǒng)的諧波阻抗為感性阻抗；配電網29次、31次、37次的諧波阻抗的輻角在第二象限，諧波電流是由負載流向系統(tǒng)，系統(tǒng)的諧波阻抗為容性阻抗；當系統(tǒng)諧波阻抗隨頻率增大由感性阻抗向容性阻抗變化時，肯定存在一個諧振頻率。25次系統(tǒng)諧波阻抗遠大于23次和31次系統(tǒng)諧波阻抗，系統(tǒng)阻抗諧振頻率應在1250Hz和1525Hz之間，并靠近1250Hz，應在1300Hz左右。解決方案：配電網絡重構，破壞原諧振條件 ，Xs為系統(tǒng)的基波阻抗，Xc為35kV配電系統(tǒng)電纜容抗。將35kV段母線上其中一條支路負荷移至35kV段母線上，破壞了原來的諧振條件，使諧振頻率上移并遠離非特征諧波頻率。效果:配電網重構后，35kV 段母線電壓總諧波畸變率下降至3以下，降低了諧波損耗，消除了諧波運行事故。5電加熱設備的配電功率曲線控制 51概述2000年全國工業(yè)電加熱設備年耗電量占全國總用電量的12.2%，熱處理工業(yè)爐（97.5萬臺）耗電86億kWh，電弧爐（1000臺）耗電132億kWh，鐵合金埋弧爐耗電232.5億kWh，電石埋弧爐耗電115億kWh。我國電加熱設備較國外同類設備單耗平均高出15以上。西安電爐廠制造的GW1.0感應爐單耗為670kWh/t，西德AEGNTG-1000感應爐單耗為570 kWh/t；我國煉鋼電弧爐平均單耗為550kWh/t，國外先進水平為280 kWh/t 。由此可見，電加熱設備節(jié)電潛力巨大。 電加熱設備的主要節(jié)電措施：選用高效電熱設備、采用先進工藝、采用大功率加熱設備、配電功率曲線控制。本文以某鋼廠100噸交流電弧爐為例說明配電功率曲線控制的節(jié)電效果5.2 交流電弧爐的配電功率控制曲線 （1）電弧爐合理的供電制度電弧爐煉鋼過程的溫度由高到低較為合理：高溫氧化、中溫還原、低溫澆鑄。這樣有利于高產優(yōu)質低耗，電弧爐的配電功率曲線應符合這一原則。配電功率曲線控制A 熔化期熔化前期與中期以最大功率輸入，保證快速熔化；熔化后期為保護爐蓋和爐墻不受熱輻射損傷應減少輸入功率。B氧化期氧化前期為滿足鋼液升溫需要，輸入功率可大一些；氧化中后期，由于碳氧激烈反應放熱，鋼液快速升溫，應小功率供電，在吹氧脫碳時，應停電吹氧。C 還原期加入稀薄渣料后的化渣及加碳粉吸熱反應，需輸入中等功率；還原渣一旦形成，應立即轉換小功率輸入，只需彌補正常熱損失即可。按照最佳配電功率曲線控制輸入電流和電壓，可以取得10