李國玉，孫淮浦

（上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201821）

節(jié)能是我國可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，是我國的基本國策。電除塵電源是電除塵系統(tǒng)中的核心裝置，為電除塵提供高壓電場(chǎng)。高頻恒流高壓直流電源是慣性約束核聚變能源系統(tǒng)中的核心單元技術(shù)之一，由上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司2008年研發(fā)，2010年用于慣性約束核聚變項(xiàng)目，并在2013年用于靜電除塵器。采用高頻恒流高壓直流電源替換傳統(tǒng)的單相可控硅電源必然會(huì)帶來有功電量和無功電量的節(jié)約，但需要增加投資。因此存在著增加投資回收年限問題，是否值得更換新電源，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是否合理。本文從電源運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上分析更換新電源是合理的[1]。

1 高頻恒流高壓直流電源與單相可控硅電源的區(qū)別

如圖1所示，可控硅電源主要是通過兩個(gè)反向并聯(lián)的可控硅控制高壓整流變壓器一次側(cè)電壓，整流變壓器將該電壓升壓后經(jīng)高壓硅堆整流得到所要求的直流電壓。

圖1 單相可控硅電源系統(tǒng)框圖

如圖2所示，高頻恒流高壓直流電源由工頻三相交流電輸入，經(jīng)三相整流橋變?yōu)閮上嚯妷涸?，再?jīng)過逆變器逆變成為高頻交流電壓源，通過恒流組件進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換把高頻交流電壓源轉(zhuǎn)化為近似正弦的高頻交流電流源，再經(jīng)升壓變壓器將高頻交流電流源轉(zhuǎn)化為高頻高壓交流電流源，最后整流輸出為高頻恒流高壓直流電源。

圖2 高頻恒流高壓直流電源系統(tǒng)框圖

由于高頻恒流高壓直流電源變壓器鐵芯采用的是二代納米晶，單相可控硅電源變壓器鐵芯采用的是硅鋼片，傳統(tǒng)的硅鋼片不僅損耗大，而且飽和磁感應(yīng)值較低，鐵芯的體積和重量較大，鐵損較大[2]。變壓器的鐵損為：

式中：P0——變壓器的鐵損，W；

KC——工藝系數(shù)；

PC——鐵芯材料的單位損耗；

GC——鐵芯質(zhì)量，kg。

同樣72kV/1.2A的鐵芯，工頻變壓器使用的鐵芯的質(zhì)量是高頻變壓器的15倍左右，因此高頻變壓器的鐵損遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工頻變壓器的鐵損。

納米晶鐵芯磁導(dǎo)率相比硅鋼片高很多，是鐵氧體的10倍以上，所需激磁功率降低，減少了高壓包和低壓包的匝數(shù)，減少了所用銅線的長度和質(zhì)量，降低了銅線的電阻值，因此降低了變壓器的銅損，而銅損占了變壓器總損耗的70%左右，變壓器銅損為：

式中：Pcu——變壓器的銅損，W；

I——運(yùn)行電流；

R——銅線阻值。

從上面可以看出，變壓器使用納米晶材料，大大降低了變壓器的損耗。

下面則通過電源短路損耗和開路損耗說明兩種電源的能耗對(duì)比。

2 兩種電源的能耗對(duì)比

在分析電源損耗時(shí)，常用空載試驗(yàn)時(shí)視在功率S0和短路試驗(yàn)時(shí)視在功率SK反應(yīng)電源的能耗。電源在空載時(shí)輸入的視在功率S0為：

式中：S0——視在功率，kVA；

I0%——空載電流百分比；

SN——變壓器額定容量，kVA。

如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，可控硅電源的空載損耗S0=10*72kV*1.2A*10-2=8.64kVA。

高頻恒流高壓直流電源空載電流百分比為5左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，高頻恒流高壓直流的空載損耗S0=5*72kV*1.2A*10-2=4.32kVA。

電源在短路時(shí)輸入的視在功率Sk為：

式中：Sk——變壓器在斷路試驗(yàn)時(shí)的視在功率，kVA；

Uk——短路電壓百分比；

SN——變壓器額定容量，kVA。

可控硅電源短路電壓百分比為15左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，可控硅電源的短路損耗Sk=15*72kV*1.2A*10-2=12.96kVA。

高頻恒流高壓直流電源短路電壓百分比為8左右，如果選用的電源的規(guī)格為72kV/1.2A，高頻恒流高壓直流電源電源的短路損耗Sk=8*72kV*1.2A*10-2=6.91kVA。

電源在實(shí)際的運(yùn)行過程中，損耗為短路損耗和空載損耗之和，空載損耗一直存在[3-6]，且基本保持不變，而短路損耗與電源負(fù)載率有關(guān)，如果負(fù)載率按70%，短路損耗與負(fù)載率的平方成正比，則單臺(tái)電源1小時(shí)節(jié)能如表1。

表1 單臺(tái)電源1小時(shí)節(jié)能

3 電源的回收年限

更新高頻恒流高壓直流電源可以節(jié)省有功電量和無功電量，但是增加了投資。因此存在著需多少年才能收回更換電源的費(fèi)用。電源也并不是損壞后才需要更新，而是電源使用到一定年限后，即使有一定剩余價(jià)值時(shí)也可以更新。電源的使用年限一般按照20年計(jì)算，隨著電源運(yùn)行年限的增長，電源的剩余價(jià)值計(jì)算如下：

式中：WJ——舊電源剩值，萬元；

ZJ——舊電源的投資，萬元；

Cn%——折舊率，%；

TY——運(yùn)行年限，年。

如果此臺(tái)單相可控硅電源已經(jīng)運(yùn)行了10年，此臺(tái)電源初始投資10萬元，則舊電源剩余價(jià)值如下：WJ=10-10×5×10×10-2=5萬。

更換新電源后，回收年限計(jì)算如下：

式中：TB——電源回收年限，年；

Zn——新電源購價(jià)，萬元；

Gd——每年節(jié)約電費(fèi)，萬元；

GJ——舊電源殘余價(jià)值，可取原購價(jià)的10%。

如果新的高頻恒流高壓直流電源投資為15萬元，而舊電源剩余價(jià)值為5萬元，舊電源殘余價(jià)值為1萬元，工業(yè)用電電費(fèi)按照1元/kVA，則每年節(jié)約電費(fèi)為63948×1=63948元，約為6.4萬元。則電源回收年限。

根據(jù)鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)，一般建議，當(dāng)計(jì)算的回收年限小于5年時(shí)，電源應(yīng)立即更新為宜，而經(jīng)過計(jì)算對(duì)于用了10年的單相可控硅電源，更新電源的回收年限僅為3年，因此直接更換新電源為宜。

河北武安某鋼鐵廠，某臺(tái)燒結(jié)機(jī)，單室三電場(chǎng)，電源規(guī)格為80kV/1300mA，以第二電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，實(shí)際回收年限如表2。

表2 單臺(tái)電源回收

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行10年的單相可控硅電源被更換后，一臺(tái)新的高頻恒流高壓直流電源的投資3.1年可以回收，與理論計(jì)算基本一致。

4 結(jié)語

我國是能源資源嚴(yán)重短缺的國家，節(jié)約資源是我國的基本國策，使用高頻恒流高壓直流電源代替使用時(shí)間較長的單相可控硅電源對(duì)于國家來說節(jié)約了能源，對(duì)于企業(yè)來說節(jié)省了成本。經(jīng)過分析，使用了10年的單相可控硅電源宜更換為高頻恒流高壓直流電源。按照上述計(jì)算方法，即使剛使用一年的單相可控硅電源更換為高頻恒流高壓直流電源3.6年也可以收回成本，因此在用的單相可控硅電源宜更新為高頻恒流高壓直流電源。