李關(guān)定 李令冬 周佃民

1.寶鋼股份能源環(huán)保部 2.寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司

1 引言

構(gòu)建鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的根本目的是提高企業(yè)的電能利用率，鋼鐵制造流程的電能耗散結(jié)構(gòu)及運行是研究鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)物理載體包括配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)，其基本特征是高效優(yōu)質(zhì)、安全可靠。降低配電網(wǎng)損耗、提高電能轉(zhuǎn)換效率及提高資源綜合利用率是鋼鐵企業(yè)節(jié)電重點。鋼鐵企業(yè)智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有：配電網(wǎng)節(jié)電技術(shù)，電能轉(zhuǎn)換節(jié)電技術(shù)，需求側(cè)發(fā)電技術(shù)，電能管理節(jié)電技術(shù)及智能電網(wǎng)管理信息技術(shù)。

本文主要介紹了構(gòu)建鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的基本思路和方法，以供同行參考。

2 鋼鐵制造流程的電能耗散結(jié)構(gòu)及運行

鋼鐵制造是以物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的流程制造，是一個開放的、遠離平衡的、不可逆的復(fù)雜流程體系。構(gòu)成流程的要素是“流”、“流程網(wǎng)絡(luò)”和“程序”，鋼鐵制造流程是由性質(zhì)不同的多個工序組成的，是“物質(zhì)流”和“能量流”按照一定的“程序”在一個復(fù)雜的“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”中流動運行，其基本屬性是“物質(zhì)流”和“能量流”的耗散結(jié)構(gòu)。鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的基本功能就是根據(jù)鋼鐵制造流程物質(zhì)和電能的耗散特點，科學(xué)地管理與控制電能的耗散與運行，從而構(gòu)建高效優(yōu)質(zhì)、安全可靠的鋼鐵企業(yè)智能配電網(wǎng)?！案咝А本褪悄繕?biāo)，“優(yōu)質(zhì)”、“安全”、“可靠”是約束條件。

3 鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的定義與建設(shè)

3.1 鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的定義

根據(jù)鋼鐵制造流程的物質(zhì)和電能耗散結(jié)構(gòu)與運行的特點，對配電網(wǎng)和用電建設(shè)進行智能化的動態(tài)科學(xué)管理與控制，使配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)能夠高效優(yōu)質(zhì)、安全可靠運行。具有上述功能和特征的配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)的集合稱之為鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)。

物理載體：配電網(wǎng)與用電系統(tǒng)80%以上的電能是消耗在用電系統(tǒng)上，因此智能電網(wǎng)的物理載體就是配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)。

運行特點：高效優(yōu)質(zhì)、安全可靠?！案咝А笔悄繕?biāo)、“優(yōu)質(zhì)、安全、可靠”是約束條件。

管理與控制內(nèi)容：線損、電能效率、電能利用率、運行方式、電能質(zhì)量、安全可靠運行。

管理與控制特點：科學(xué)管理、智能化控制。

3.2 智能電網(wǎng)的建設(shè)

包括配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)評估、配電網(wǎng)改造、用電系統(tǒng)改造及電能管理信息系統(tǒng)建設(shè)。其中配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)評估內(nèi)容有：配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟運行、電能質(zhì)量、安全運行、可靠運行、電能效率及電能利用率的評估。

4 鋼鐵企業(yè)節(jié)電重點

4.1 降低配電網(wǎng)損耗的技術(shù)措施

1）配電網(wǎng)損耗

配電網(wǎng)損耗包括配電線路的負載損耗和介質(zhì)損耗：約占總用電量的8%左右，其中低壓線路損耗約為5%左右。

變壓器的負載損耗和空載損耗：一般設(shè)計制造水平，220kV/110kV變壓器總損耗約為總用電量的0.2%，110kV/10kV（或35kV）變壓器總損耗約為總用電量的0.8%，10kV/0.4kV變壓器總損耗約占總用電量的1.4%左右。即：變壓器損耗約占總用電量的2.4%左右。

配電網(wǎng)總損耗是配電線路損耗和變壓器損耗之和，約為總用電量的10.4%左右。圖1表示了不同容量不同系列變壓器的負載損失圖表。

2）降低配電網(wǎng)損耗的技術(shù)措施

將110kV/10kV和10kV/0.4kV的高能耗變壓器更新為低能耗變壓器，可將變壓器損耗率降低到總用電量的1.8%左右。

將低壓變壓器置于負荷中心，減少供電半徑，并在低壓側(cè)施行就地?zé)o功補償和諧波濾波，可將配電線路損耗降低到總用電量的6%左右。

采取上述兩項措施，可使配電線路損耗由10.4%降低到7.8%。

4.2 提高電能轉(zhuǎn)換效率

1）提高電能-機械能轉(zhuǎn)換效率

鋼鐵企業(yè)60%的負荷為電機負荷，推廣高效電機和變頻器調(diào)速技術(shù)，可使電機運行用電降低8%左右，企業(yè)節(jié)電約4.8%。

2）提高電能-熱能轉(zhuǎn)換效率

鋼鐵企業(yè)主要的電能-熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備是交直流電弧爐和精煉爐，電能消耗占企業(yè)總用電量的12%左右。通過采用高功率煉鋼、加大吹氧量、自動煉鋼等措施可使電弧爐降低電耗5%左右，企業(yè)節(jié)電0.6%。

4.3 提高資源綜合利用率

1）鋼鐵制造流程中的能源轉(zhuǎn)換及應(yīng)用

鋼鐵制造流程中產(chǎn)生了大量的可燃氣體、高溫?zé)煔?、蒸汽和熱水，余熱余壓發(fā)電技術(shù)的發(fā)展使鋼鐵企業(yè)余熱余壓年發(fā)電量可達企業(yè)年總用電量的8%左右。

2）鋼鐵制造流程中廢棄物質(zhì)的應(yīng)用

在高爐生產(chǎn)鐵水的過程中，每生產(chǎn)1t鐵水產(chǎn)生250～350kg高爐渣，用高爐水沖渣制成的水泥與普通石灰石生產(chǎn)水泥的工藝相比，節(jié)約石灰石原料約45%，減少CO2排放44%。

以上各項技術(shù)措施實施后的節(jié)電率：降低配電網(wǎng)線損節(jié)電率2.6%，推廣高效電機和變頻調(diào)速節(jié)電率4.8%，優(yōu)化電弧爐工藝和供電制度節(jié)電率0.6%，余熱余壓發(fā)電節(jié)電率8%。鋼鐵企業(yè)總節(jié)電率16%。

按鋼鐵企業(yè)120億kWh的年用電量來計算，年節(jié)電量19億kWh。

5 鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)的節(jié)電技術(shù)

5.1 配電網(wǎng)節(jié)電技術(shù)

配電網(wǎng)節(jié)電技術(shù)有：無功補償技術(shù)、均衡負荷曲線技術(shù)、配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、變壓器運行節(jié)電技術(shù)及改善電能質(zhì)量技術(shù)等。

無功補償技術(shù)特點：有功功率損耗的增大率隨功率因數(shù)減小而顯著提高，功率因數(shù)小于0.9時，無功補償效益顯著，無功補償率大于0.8時，補償效益顯著降低。對于同樣的無功補償率，功率因數(shù)越高，有功損耗減小率越??；對于同樣的功率因數(shù)，無功補償率越高，有功損耗減小率越小。無功經(jīng)濟當(dāng)量隨無功補償率增大而線性減小。需要注意的是要避免無功補償裝置與系統(tǒng)發(fā)生諧振故障，為了兼顧濾波和避免諧振，無功補償電容器通常串聯(lián)電抗器，但如果參數(shù)配置不當(dāng)，在特定工況下系統(tǒng)會發(fā)生諧振故障。

均衡負荷曲線可以減小線路損耗，在負荷從電網(wǎng)吸收同樣電能的前提下，間歇性負荷的均衡率越低，線路電能損耗越嚴重。

配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)：低壓配電網(wǎng)接線采用三相四線制方式，低壓配電網(wǎng)實施高壓單相配電技術(shù)，配電變壓器安裝位置最接近負荷中心等。

變壓器運行節(jié)電技術(shù)：使用高壓用電設(shè)備，減少變壓器總?cè)萘?；減少企業(yè)從受電端至用電設(shè)備變壓級數(shù)，一般為2級，最多3級；選擇節(jié)能型變壓器，其具有損耗低、重量輕、噪聲低、效率高、抗沖擊、節(jié)能等優(yōu)點，如油浸式變壓器已出現(xiàn)了S10、S11系列，S11型變壓器與S9型變壓器相比，空載損耗平均降低30%，空載電流平均下降70%，變壓器噪聲水平下降7～10dB。變壓器銅損和鐵損相等時，變壓器有功損耗最??；變壓器空載勵磁功率等于負載漏磁功率時，無功損耗最小。合理設(shè)計選擇變壓器負載率，高壓變壓器負載率宜為35%～65%；10kV/0.4kV低壓變壓器負載率宜為70%～85%；特種負載變壓器（整流變壓器、電弧爐變壓器等）負載率宜為80%～100%等等。

改善電能質(zhì)量技術(shù)：提高用戶變電所的進線電壓等級，如將用戶變電所進線電壓由10kV提高至35kV，則進線損耗率降低91.8%。在配電變壓器的高壓側(cè)，若負載損耗大于空載損耗，應(yīng)適當(dāng)提高運行電壓；而若空載損耗大于負載損耗，則應(yīng)適當(dāng)降低運行電壓。在配電變壓器低壓側(cè)的負荷終端，電壓偏差應(yīng)調(diào)整在-3%～+1%內(nèi)運行，由于電動機負荷的電壓無功靈敏度遠大于電壓有功靈敏度，因此應(yīng)避免大于+3%的電壓偏差運行，過高的電壓正偏差會使配電網(wǎng)無功增大，損耗增加。平衡三相負荷，減少供電線路諧波電流與供電母線諧波電壓。

5.2 電能轉(zhuǎn)換節(jié)電技術(shù)

1）電能-機械能轉(zhuǎn)換設(shè)備節(jié)電技術(shù)

機電系統(tǒng)按照能源轉(zhuǎn)換方向分為發(fā)電和電力傳動兩類系統(tǒng),發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能核心是提高熱力（風(fēng)力或水力）裝置的能源效率，也是節(jié)能工作的核心，提高熱力裝置效率需要技術(shù)創(chuàng)新和巨額投資。電力傳動系統(tǒng)節(jié)能的核心是電動機節(jié)電，已有成熟技術(shù)推廣應(yīng)用，可使電力傳動系統(tǒng)節(jié)電10%～20%，工藝改造和創(chuàng)新可以使傳動機構(gòu)和生產(chǎn)機械能量需求減少，但技術(shù)創(chuàng)新和工藝改造難度大，投資高。

電動機節(jié)電技術(shù)：采用高效電動機、合理選擇電動機功率和電壓等級、電動機定子繞組接線的△/Y自動切換、電動機調(diào)速節(jié)電、降低電動機的基波與諧波損耗、減小三相電壓不平衡度及降低電動機運行溫度等方法?！笆晃濉逼陂g重點推廣高效節(jié)能電動機等產(chǎn)品，使運行效率提高2個百分點，年節(jié)電200億kWh。高效電機的特點是較普通電機平均損耗減少30%，轉(zhuǎn)矩平均高30%，體積平均縮小15%，重量平均減輕12%。高效電動機效率曲線較平坦，負載率大于40%以上時，效率變化很小。國產(chǎn)高效電動機YX、Y2-E兩個系列與普通Y系列電動機相比，雖然制造的耗銅量、耗鋁量、鐵心的硅鋼片消耗量增多，但效率高出0.58%～1.7%。YX系列電動機其總損耗平均較Y系列下降20%～30%，效率提高約3%。該系列電動機起動轉(zhuǎn)矩大、噪聲小、振動小、溫升低、壽命長，但價格比Y系列電動機約高30%。對年運行時間大于3000h、負載率大于50%的情況，應(yīng)選用YX系列高效電動機。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB12497-1990《三相異步電動機經(jīng)濟運行》的要求，單臺容量200kW以下的選用低壓電動機；容量200～355kW之間的應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟分析后選用高壓電動機或低壓電動機；容量大于355kW的選用高壓電動機。

合理選擇電動機功率和電壓等級，電動機平均負載率應(yīng)大于50%，以70%～100%為為最佳負載率。供電線路短且電網(wǎng)容量允許，負載小于300kW的一般選用低壓電動機；供電線路長且電網(wǎng)容量有限，負載大于500kW的一般選用高壓電動機。當(dāng)電動機負載率經(jīng)常在40%以下，應(yīng)選擇定子繞組接線△/Y的自動切換。在負載率低于40%時，將電動機繞組切換為Y接法，平均負載率提高到90%，電動機平均效率提高到93%左右，功率因數(shù)提高到0.85左右。

在電動機調(diào)速節(jié)電方面，對于流量變化的離心式風(fēng)機和泵類負載均具有轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比、功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比的機械特性。當(dāng)流量變化時，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可使軸功率大大減小，從而取得節(jié)電效果。當(dāng)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速下降到額定值的80%時，風(fēng)機功率降低到額定功率的51%；當(dāng)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速下降到額定值的60%時，風(fēng)機功率則降低到額定值的21%。

在電動機調(diào)速變頻器電壓選擇方面，500V以下小于300kW選用低壓變頻器，3kV以上大于500kW選用高壓變頻器。300kW～500kW，低、高壓變頻器都可以用，但低壓電網(wǎng)短路容量大的可選低壓變頻器，低壓短路容量小的可選高壓變頻器。要注意的是在工作頻率大于50Hz或小于10Hz，調(diào)速比大于10且變化頻繁，調(diào)速比及轉(zhuǎn)動慣量大等情況下要選用變頻調(diào)速電動機。另外，就地?zé)o功補償降低了無功電流，可以降低電動機的基波損耗，減少諧波電壓和負載諧波電流。選取高效電機，可降低電動機的諧波損耗；減小三相電壓不平衡度，可以提高電動機的輸出功率；降低電動機運行溫度，可減少損耗電阻。

2）電能-熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備（電弧爐）節(jié)電技術(shù)

主要是優(yōu)化供電制度、提高有功功率輸入和減少停爐時間方面開展。優(yōu)化供電制度：采用低功率起弧，高功率穿井，熔池形成后的熔化期和氧化期最大功率供電，氧化末期和還原期降低有功輸入。提高有功功率輸入：起弧階段功率因數(shù)0.70～0.80，熔化期功率因數(shù)0.80～0.87，平均功率因數(shù)0.82。圖2為交流電弧爐供電模型與節(jié)電運行技術(shù)概圖。

5.3 需求側(cè)發(fā)電技術(shù)

需求側(cè)發(fā)電廠（自備電廠）就是在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部建設(shè)的發(fā)電廠，其因是余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)故具有發(fā)電成本底的優(yōu)勢，輸變電成本也低。由于合同電力降低，企業(yè)可以使用低成本電力，降低電費支出。

5.4 電能管理系統(tǒng)節(jié)電技術(shù)

1）電力需求側(cè)管理

電力需求側(cè)管理（DSM）是指通過采取有效措施，引導(dǎo)用戶優(yōu)化用電方式，提高終端用電效率，優(yōu)化資源配置、改善和保護環(huán)境，實現(xiàn)最小成本電力服務(wù)所進行的用電管理。DSM的主要內(nèi)容包括能效管理和負荷管理兩個部分。

在能效管理中，企業(yè)應(yīng)根據(jù)國內(nèi)、國際先進水平和企業(yè)具體情況制定企業(yè)整體及各系統(tǒng)、單元的能效評價標(biāo)準(zhǔn)。能效評價標(biāo)準(zhǔn)中主要給出能效限定值和節(jié)能評價值兩個指標(biāo)。

經(jīng)濟運行：運行能效≥節(jié)能評價值

合理運行：運行限定值≤運行能耗<節(jié)能評價值

不節(jié)電運行：運行能效<能效限定值

負荷管理是保持發(fā)電、供電及用電的動態(tài)平衡，是電力系統(tǒng)安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效運行的必要條件。因為負荷的有功沖擊使電壓頻率不穩(wěn)定，負荷的無功沖擊使電壓波動嚴重，負荷波動越大，配電網(wǎng)損耗也越大。負荷管理有調(diào)峰和調(diào)荷兩個內(nèi)容，調(diào)峰是調(diào)整電力系統(tǒng)各發(fā)電廠在不同時間的發(fā)電輸出以適應(yīng)各企業(yè)不同時間的用電需要。調(diào)荷是調(diào)整各企業(yè)的用電負荷和用電時間，使電力系統(tǒng)在不同時間內(nèi)的用電負荷與發(fā)電輸出相平衡。調(diào)峰和調(diào)荷是一個問題（平衡發(fā)電、供電、用電）的兩個方面，提高調(diào)峰能力需要較高的成本，通過調(diào)整負荷可以減少對調(diào)峰的需求量。調(diào)荷可以對電力負荷削峰填谷，提高負荷的均衡度從而提高發(fā)電、供電設(shè)備的利用率，減少電力工業(yè)的基建費用，降低供電網(wǎng)的損耗，提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全，在低谷時用電可以享受峰谷電價的優(yōu)惠價。調(diào)整負荷的方法有日負荷調(diào)整方法（早、午、錯開上下班、午休和就餐時間，增加深夜用電班次，調(diào)整生產(chǎn)工序及采用蓄冷蓄熱節(jié)電技術(shù)）、周負荷調(diào)整方法（采取輪休制）及年負荷調(diào)整方法（峰值時段安排設(shè)備檢修及安排季節(jié)性生產(chǎn)計劃）。

2）電能平衡管理

電能平衡管理要符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對同類體系應(yīng)有相同的明確邊界，使結(jié)果具有可比性。用電體系的邊界應(yīng)包括所有組成單元和全部過程，電能平衡的基準(zhǔn)計算量是電能量，非電能量形式的能量應(yīng)折算成電能量。

3）產(chǎn)品電耗定額管理

電耗定額管理是加強電耗定額指標(biāo)考核，促進鋼鐵企業(yè)節(jié)約用電，降低生產(chǎn)成本，分析電耗定額考核中存在的問題，及時采取有效措施提高生產(chǎn)效率，提高企業(yè)管理水平。

電耗定額管理內(nèi)容有定額申報與核定，定額編制、上報、統(tǒng)計、分析和考核，電能計量管理及影響產(chǎn)品電耗原因分析及改進等。

5.5 智能電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)

智能電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)源，可進行電能優(yōu)化分配和故障診斷，應(yīng)用專家系統(tǒng)為解決配電網(wǎng)和用電系統(tǒng)的高效優(yōu)質(zhì)、安全可靠運行提供決策意見，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的節(jié)電目標(biāo)，保證工藝生產(chǎn)的正常運行，最大限度地降低企業(yè)生產(chǎn)成本。智能電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)是一個開放式結(jié)構(gòu)，由電能計量裝置、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端服務(wù)器組成。

智能電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)各監(jiān)測點選擇要滿足配電網(wǎng)損耗、電能效率、電能利用率、產(chǎn)品單耗計算以及故障診斷的需求。電能計量裝置應(yīng)選用基于頻域分析的數(shù)字式電能計量裝置，其能自動分析記錄基波功率、諧波功率、負序功率，并分別累計有功電量和無功電量；自動分析記錄基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、負序電壓、負序電流等參數(shù)，諧波分析次數(shù)最高為100次。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器內(nèi)裝有數(shù)據(jù)處理軟件，可將監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)、監(jiān)測點代碼和電能計量更新信息自動傳送到其他相關(guān)服務(wù)器及監(jiān)測裝置，自動接收各電能計量裝置上傳數(shù)據(jù)并自動將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，具有電氣參數(shù)越限和電氣故障的自動報警功能，接收GPS定時信號，定期自動清除早期數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲由數(shù)據(jù)處理器上傳的監(jiān)測分析數(shù)據(jù)，并兼做Web服務(wù)器，發(fā)布電能計量管理信息，定期自動清除早期數(shù)據(jù)?？蛻舳朔?wù)器可以是企業(yè)的服務(wù)器，也可以是上級主管部門的客戶服務(wù)器，客戶端服務(wù)器內(nèi)裝有客戶電能管理信息系統(tǒng)分析軟件，具有監(jiān)控功能和管理功能。

6 小結(jié)

智慧的地球需要智能的電力，鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)建設(shè)首先需要解決鋼鐵企業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)收集體系殘缺、通信體系兼容性差、應(yīng)用系統(tǒng)相互割裂及數(shù)據(jù)缺乏深度利用等問題，建立電網(wǎng)運行和管理的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。實現(xiàn)實時的電網(wǎng)管理，通過電網(wǎng)和發(fā)電資產(chǎn)優(yōu)化管理、智能電網(wǎng)成熟度模型及智能停電優(yōu)化管理等方案，使發(fā)電、輸電、配電、送電、用電五方互動互通。建立可自測、自愈的智能電網(wǎng)，主動監(jiān)管電力故障并進行迅速反應(yīng)，實現(xiàn)智慧的電力供給和配送。

鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)建設(shè)要靈活適宜，除了發(fā)電端硬件設(shè)備的投入外，電網(wǎng)本身數(shù)據(jù)從采集、傳輸?shù)郊蓱?yīng)用等各方面是智能電網(wǎng)建設(shè)的重點，它不是一個單純的技術(shù)問題，還涉及到鋼鐵企業(yè)電力管理的業(yè)務(wù)流程和管理模式。如何用結(jié)構(gòu)化的方法和決策框架找到實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)建設(shè)的步驟是鋼鐵企業(yè)電力部門工作的重點。