水泥工厂余热电站站用电率计算方法分析

武猛

1 站用电率计算的必要性

余热电站站用电率是评价水泥工厂余热电站技术经济先进性的一项重要指标，反映的是电站的耗电量在发电量中所占的百分比。从设计角度，电气专业设计者根据工艺专业提供的用电设备容量（包括电力生产过程中电动机、照明、采暖通风以及其他控制、保护装置等）及设备运行方式估算出设计工况下的站用电率。但往往实际运行工况与设计工况存在偏差[1]，不时有业主反映余热电站在投运后，实际运行的站用电率与设计值不符，要求设计方予以解释；也有业主要求降低站用电率，以项目站用电率的高低作为评判设计是否先进的标准。所以有必要对站用电率计算方法进行研究分析，找出适合余热电站的站用电率计算方法。

2 站用电率计算方法

2.1 实测站用电率计算方法

站用电率是指统计期内厂用电量与发电量的比值。电站投产后，运行人员一般是把通过关口计量计测得的电站发电量与上网电量的差值，同电站发电量的比值作为站用电率。即：

式中：

e——站用电率，%

Wf——电站发电量，kWh

WSW——电站的上网电量，kWh

2.2 设计阶段站用电率计算方法

通过上述公式计算得到的站用电率即是电站的运行站用电率，发电企业可将其用于运行监控和指标考核。但对于设计方来说，由于并不掌握电站运行的实测电量数据，加之建设方在项目建设前期就需要设计方提供站用电率来对项目进行经济评价和分析，因此在实际工作中式（1）的计算方法对设计方并不适用。目前在设计中对站用电率多采取以下方法进行计算。

根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》[2]，凝汽式发电厂站用电率计算（估算）公式：

式中：

e——站用电率，%

Sc——汽轮发电机组在100%额定出力时季）的站用电计算负荷，kVA

cosϕav——电动机在运行时的平均功率因数，可取0.8

Pg——发电机的额定功率，即100%出力时的功率

当确有需要且具备相应条件时，也可对Sc、Pg进行年度时间段内的时间加权统计。

由于水泥工厂余热电站一般选用凝汽式汽轮发电机，所以设计时站用电率的估算采用式（2）是合适的，但发电机的额定功率值需要进一步核算，同时站用电负荷亦需要更精确地计算。

3 站用电计算方法分析

从前文可以看出，根据式（1），站用电率运行计算值是某一时期站用电耗电量与发电量实测值的比值，而根据式（2），站用电率设计估算值是按照机组满发的工况，模拟全年情况进行计算的。这两种计算方式得到的站用电率存在一定的差异[3]，主要受余热电站发电机装机容量及站用电负荷波动影响。

3.1 余热电站发电机装机容量

由于余热电站是利用废气废热进行热能转换后进行发电的，而水泥工厂的废气废热量具有不稳定性，且随着水泥的产量及工艺的要求，在一定范围内变化。设计时根据废气参数的情况选定余热锅炉、汽轮发电机组，此时依据设计工况计算所得发电量均应小于发电机额定功率，同时实际运行时基本保证与设计工况不会相差太大。表1显示某公司设计的4个余热电站的设计工况、运行工况发电量与发电机装机容量比较。

由表1可以看出，设计工况、运行工况发电量均小于发电机装机容量，平均比值约为90%。其原因在于余热机组的热源不可控，设计时一般按照前期收集资料阶段业主提供的废气参数或者现场标定的参数进行设计。根据某公司余热电站运行经验,大部分时段实际发电量不会超过装机容量，实际平均发电量与设计发电量偏差一般≯10%，如偏差较大往往是设计时提供的废气参数不准造成的。

表1 余热电站设计发电量与发电机装机容量对比

由此可以得出，对于式（2）中的余热电站发电机额定功率应修改为设计工况时发电功率。如暂时没有设计工况时发电功率，可考虑设计发电功率与装机容量比值η，得到式（3）、（4）：

式中：

η——设计发电功率与装机容量比值，可取0.9

Sj——汽轮发电机组在设计工况时的站用电计算负荷，kVA

Pj——汽轮发电机组在设计工况时的发电量，kW

3.2 水泥工厂余热电站站用电负荷计算

规范DL/T 5153-2014中提到站用电负荷Sc的计算原则与站用变压器的负荷计算原则相同，不同部分可按如下处理：

（1）只计算经常连续运行的负荷；

（2）对于备用的负荷，即使由不同变压器供电也不予计算；

（3）全厂性公用负荷，按机组的容量比例分摊到各机组；

（4）随机组运行工况或季节性变动的负荷，如采用了变频调速等节能手段的机炉辅机、循环水泵、通风、采暖等，按一年中的时间加权平均负荷值计算；

（5）在24h内变动大的负荷，可按设计采用工作班制进行修正，一班制工作的乘以系数0.33，两班制工作的乘以系数0.67；

（6）照明负荷乘以系数0.5。

对于余热电站，需要进一步核算的主要是随机组运行工况或季节性变动的负荷及在24h内变动大的负荷[4]。

影响余热电站负荷的主要电气设备为锅炉给水泵、凝结水泵、循环水泵、冷却塔风机等。目前绝大多数余热电站以上电机均已选用变频电机，以更好地适应余热电站工况不稳定的情况。对于此类设备及空调、采暖等应按一年中的时间加权平均负荷值计算。表2显示某公司在巴基斯坦某余热电站一年中不同季节循环水泵的负荷率，设计时选用3台220kW的循环水泵，两用一备，变频控制。

表2 某余热电站循环水泵不同季节负荷率对比

从表2可以看出，在发电量基本保持稳定的情况下，一年中不同季节循环水泵的负荷率波动较大，这直接影响到站用电的负荷计算。由于余热电站主要的大容量电机均已采用变频控制，变频电机占余热电站总负荷的比例很大，所以变频系数（季节系数）必须引起重视。

除此之外，在24h内变动大的负荷，例如余热电站的水处理车间，一般容纳48h除盐水消耗量的除盐水箱所需制水时间大约为12h，此类设备需考虑倒班系数12/48=0.25。

由此可知，在进行站用电负荷计算时，除了经常连续稳定运行的负荷，必须要考虑随季节变动较大的变频负荷及在24h内变动大的负荷，基于此，在设计阶段，站用电负荷需在站用变压器负荷计算的基础上考虑一定的系数，得到下式：

式中：Sj——汽轮发电机组在设计工况时的站用电计算负荷，kVA

表3 余热电站站用电率估算值与实际值对比

Sj1——随季节变化较大的负荷及变频负荷，kVA

Sj2——在24h内变动大的负荷，kVA

Sj3——其他负荷，kVA

α——变频系数或季节系数

β——倒班系数

式（6）中系数α的取值，需根据余热电站所处地区的气候条件进行选择，综合后一般取0.6～0.9，热带地区可取偏大一些，寒带地区可取偏小一些，不同设备根据实际运行情况可取不同系数；式（7）中倒班系数β的取值，对于余热电站来说，主要考虑化学水车间的负荷，影响因素主要为除盐水箱容量大小、设备制水能力等，综合后系数一般取0.2～0.4。对于其他在24h内变动大的负荷，可根据实际倒班时间进行核算。

站用变压器的负荷计算方法，可采用规范DL/T 5153-2014附录F中的换算系数法、轴功率法或其他设计手册中提到的需要系数法、利用系数法等，本文不再赘述。站用电率值，根据实际运行经验，采用“换算系数法”计算所得，通常较实际运行站用电率偏大[5]，因此本文采用“需要系数法”进行计算，需要系数根据某公司多个项目用电设备实际运行数据及参考国内外规范、手册上的数据确定。

4 计算实例

为验证以上算法的实用性，下面对表1中四个不同容量的水泥工厂余热电站进行站用电率估算，并与实际值进行比较，所得结果如表3所示。

表中关于α取值，循环水泵、冷却塔风机为0.7，给水泵及凝结水泵为0.8；β取值0.3；cosϕav取值0.8。由结果可见，采用式（3）计算所得站用电率与实际运行所得站用电率，平均偏差约为3%，在设计阶段此偏差是可以接受的。

5 结语

对于水泥工厂余热电站，余热热源具有不稳定性，受生产线影响较大，使用常规站用电率计算方法得到的数值往往偏差较大。本文在传统站用电率计算方法的基础上，结合工程实际，在充分了解站用电负荷运行情况后，对负荷计算以及影响站用电率的主要因素进行了分析，优化了站用电率的计算方法，计算值与实测值误差很小，可供后续设计参考。