钢铁厂供配电系统和用电设备的节电运行技术.

钢铁厂供配电系统和用电设备的节电运行技术

（教育部电能质量工程研究中心—李令冬朱明星）

[摘要]本文介绍配电网系统和用电设备的节电运行技术，并初步指出在做运行方式和配电网重构计算时应以节电指标作为目标函数，安全运行、电能质量指标作为约束条件，这样会得到较好的结果。

1 概述

1.1 钢铁厂耗能现状和节电指标

钢铁行业是高耗能行业，2000年钢铁工业总能耗占全国总能耗的10％，用电占全国总用电量的8.36％左右;大型钢铁企业能源成本占总生产成本的30％左右，其中电能成本占总生产成本的10％左右；2000年全国重点企业吨钢可比能耗为784kg 标煤/吨钢，综合耗电752kWh/t,日本吨钢可比能耗为646kg标煤/吨钢，我国计划2010年、2020年吨钢可比能耗目标分别为685标煤/吨钢、640标煤/吨钢，钢铁企业能耗将达到国际先进水平。

1.2钢铁工业节能措施

钢铁工业节能措施主要有：（1）调整企业组织结构、产品品种结构和生产工艺结构；（2）改造或更新用电设备和生产工艺；（3）推行供配电系统和用电设备的节电运行技术，我们这里主要介绍的是供配电系统和用电设备的节电运行技术

1.3 节电运行技术本质上是一种投资少、收益高的软件技术

配电网和用电设备节电运行技术主要包括：低电压偏差运行技术；变压器经济运行技术；配电网重构技术；电加热设备的配电功率曲线控制等技术。

节电运行技术是对电网的结构、电网和用电设备的运行方式、运行参数进行优化的技术，本质是一种软件技术。推广节电运行技术不像推广节电设备那样需要较大的资金支持，它推广的是先进的节电技术理念。因此，推广节电运行技术是一种投资少收益高的工作。

2 低电压偏差运行技术

2.1 低电压偏差运行技术的节电原理

低电压偏差运行技术的节电原理的依据有以下几个方面：（1）钢铁厂配电系统

和用电设备具有较高的无功电压灵敏度;（2）配电变压器运行在一定程度的磁饱和状态下，当电压降低时变压器的励磁电流减小。现场测试表明，当电压降低1％时，变压器的无功功率相应减少3％～6％；（3）钢铁厂负荷中约75％是电机负荷和电加热负荷及空调负荷，而这些负荷功率的静态特性表明，当电压降低时，钢铁厂有功功率变化很少，而无功功率变化很大。

负荷电压灵敏度的静态模型可以表示为如下的指数形式：

Q U U Q Q 00U U 00P

V

V

P P ⎛⎫⎛⎫

⎪

⎪== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

（1） 钢铁工业主要用电设备的静态特性参数及U/U0由1.05降到1.0时，P/P0和Q/Q0变化如下表所示：

降低运行电压，有功功率变化较小，但无功变化较大。对于钢铁工业负荷平均来说，当供电电压大于额定电压时，电压降低5％，无功功率可减少8％左右，设备有功功率减小很少，降至额定功率，不会影响生产，但无功电流产生的线路损耗减少了，同时也减少了无功补偿设备的投入。 2.2 推行低电压偏差技术应注意的问题

在供配电系统中推行低电压偏差技术的条件和电压调整范围：供电电压较稳定，电压波动范围较小；电压波动范围在10％左右，则用电设备终端电压偏差应整定在+0％和-1％之间； 电压波动范围在5％左右,则用电设备终端电压偏差应整定在0％和-2％之间。

上个世纪80年代，由于供电不足，输配电技术落后,电压波动很大，特别是往负方向波动大，用户为了保证设备的正常供电，在供电设计上，不得不把设备终端电压调的很高。到了本世纪，电力充足，电压稳定，但很多用户还保留原来设计思想，致使电力设备运行电压较高，使有功损耗和无功损耗大大增加，因此大力推广配电网和用电设备的低电压偏差技术势在必行。

●案例一

美国电科院(EPRI)资助的节能性降低运行电压研究项目中，曾经测试了许多电动机和包含电动机的用电设备特性，主要结论如下：

电动机的无功电压灵敏度随着负荷水平的增加下降，对于一台20HP(1HP=745.7W) 230V的三相感应电动机，当负荷转矩恒定时，对应于负荷为0.7Pu (1Pu=17.01 kVA) 、1.0Pu、 1.2Pu 的Qv在额定电压附近分别为1.8、1.4和1.0；若负荷转矩随转速变化，则有相应的Qv分别为1.9、1.5和1.3。

在重负荷条件下，当电压低于0.9Pu时，电动机会发生堵转，吸收大量无功功率，导致电压进一步下降。并且，一台电机的堵转还会使相邻电压也发生堵转现象，出现电压崩溃现象。

由以上结论可以看出，电动机负载系数不宜过低，当负载系数低于30%时，可以将△型接法改为Y型接法，以提高功率因数，降低损耗；在应用低电压偏差运行技术时，必须在电压比较稳定前提下降低运行电压，且运行电压不小于0.95Pu。

●案例二

2005年，我们对年产1000万吨钢的某大型钢铁公司进行全面的电能质量及安全经济运行评估，该公司6kV、10kV、35kV供电母线电压普遍偏高(+5%到+10%)，电压波动大都在5％以内，因此我们建议将电压偏差调整在+0%。调整后，全公司无功损耗减小约50MVar，功率因数提高了，无功当量按照0.01kW/kVar计算，照明设备、线路及变压器有功损耗也因此减少500kW，并减少50MVar的无功补偿设备(价值500万元)的投入，无功补偿设备的有功损耗设为补偿容量的0.5%，因此减少无功设备的损耗约250 kW，总有功损耗减少750kW，全年按7000小时运行时间计算，节电500万kWh以上。

3 变压器的经济运行

3.1 钢铁厂配电变压器存在着巨大的节电潜力

1000万吨钢铁厂用电功率在500MW左右，变压器的平均负载率为50％，配电变压器总容量应在2000MVA，设各级变压器的平均运行效率为99％，变压器有功损耗

为10MW ，如果将变压器的运行效率提高0.2%，则可节电2MW ，全年按照8000小时运行时间计算，可节约电能1600万度电。

钢铁厂配电变压器的无功损耗：高压(220kV/10kV)变压器为负载容量10％左右，中压变压器为负载容量的5％左右，平均在8%左右，1000万吨钢的钢铁厂配电变压器总无功损耗在80MVar 左右。

3.2 使用高压用电设备，减少变压器总容量

使用高压用电设备，减少变压器总容量是减小变压器损耗最有效的措施，1000万吨钢的钢铁厂配电变压器容量由2000MVA 减少到1800MVA ，则可节电1 MW ，全年节约电能在800万度电，并减少无功损耗8MVar 左右。 3.3 变压器经济负载系数

(1)有功经济负载系数βp 设变压器额容量为S N ，输入功率为P 1，输出功率为P 2，负载功率因数为cos φ2 ，空载损耗为P 0，负载损耗为P K ，负载系数为β，变压器效率为η，则变压器有功损耗：

(2)

(%)

0%d P P P d βββ∆==

∆令，得最小。 即变压器铜损和铁损相等时，变压器有功损耗最小。 变压器效率:

(3)

一般变压器的

011

~ 43

K P P ≈,0.5~0.6P β=. (2)无功经济负载系数βQ

设变压器空载电流为I 0％，短路阻抗电压U K %，则变压器的空载励磁功率Q 0=S N (I 0％)，额定漏磁功率Q K =S N (U K ％)，变压器的无功消耗率

(4) (%)0%Q d Q Q d βββ∆===

∆令，得最小。 220%100%100%

2cos 10P P P K P P S P P N K

ββϕβ+∆∆=⨯=⨯++%100cos cos 2

022

⨯++=K N N P P S S βϕβϕβη2

20

%100%100%100%2cos 1Q Q Q Q K Q P P S N

ββϕ+∆∆∆=⨯≈⨯=⨯