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大功率電力設(shè)備節(jié)能設(shè)計與實現(xiàn)

辛衛(wèi)東,卞 峰,耿延慶,周 琪,孫宏志,劉麗君

（國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司,250002）

隨著科技的不斷發(fā)展，電力設(shè)備也逐漸向自動化、節(jié)能化、信息化以及智能化方向發(fā)展，這樣一來也就對電氣配電系統(tǒng)設(shè)計有了更多的要求，為了能夠提升大功率電力設(shè)備工作效率就必須降低損耗，提高供電質(zhì)量。因此，本文對提高大功率電力設(shè)備的節(jié)能效果進行深入分析。

大功率電力設(shè)備；節(jié)能；設(shè)計

0 引言

電網(wǎng)運營企業(yè)作為能源資源優(yōu)化管理平臺，是關(guān)系國家能源安全和國民經(jīng)濟發(fā)展得國有重要骨干單位，同時，也是對目前上下游企業(yè)節(jié)能減排，具有一定引導作用的特殊企業(yè)。在節(jié)能減排工作中，有著義不容辭的責任。作為供電運營企業(yè)，貫徹落實節(jié)約發(fā)展、科學發(fā)展的工作思路，完善和優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，充分提高電網(wǎng)利用效率與輸電能力，降低輸配電對設(shè)備損耗影響，扎實做好節(jié)能降耗工作，是義不容辭的社會責任。針對電力系統(tǒng)所使用的大功率電力設(shè)備進行節(jié)能降耗潛力評估，研究電力系統(tǒng)中大功率電力設(shè)備的節(jié)能降損評估方法，實現(xiàn)電網(wǎng)能效管理與測試，為電力系統(tǒng)節(jié)能降耗規(guī)劃與技術(shù)革新提供了工程依據(jù)和理論基礎(chǔ)，現(xiàn)實意義重大。

1 大功率電力設(shè)備節(jié)能設(shè)計

能源信息管理系統(tǒng)在發(fā)達國家的運用，興起于上世紀七十年代，經(jīng)過幾十年得發(fā)展，已經(jīng)達到較高水平。能源信息管理系統(tǒng)是上世紀90年代中期發(fā)展起來的系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。當前能源管理系統(tǒng)主要運用于電力、化工、鋼鐵等有大量能源消耗得流程化企業(yè)，它利用生產(chǎn)過程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、控制技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)與理論，對企業(yè)能源物資情況進行全面監(jiān)控，并為能源調(diào)度提供有力依據(jù)，通過系統(tǒng)化管理，從而達到節(jié)約能源的目的。

在我國，電力系統(tǒng)節(jié)能降損評估還沒有形成規(guī)范、完整的測試標準。以電廠變頻裝置設(shè)備為例，變頻裝置設(shè)備得測試策略包括：功率因數(shù)測試、效率測試、靜態(tài)精度測試、諧波測試、啟動性能測試、輸出電壓穩(wěn)定性測試、噪音測試、節(jié)電效果測試以及電動機振動測試等。電網(wǎng)企業(yè)除重視節(jié)能效果外，還及其注重變頻裝置設(shè)備得運行效率，因為，使用變頻設(shè)備裝置的最終目的是節(jié)能節(jié)電，如果變頻裝置設(shè)備本身消耗功率過大，使用變頻裝置設(shè)備就失去了最初意義，通過對當前變頻裝置效率測試，發(fā)現(xiàn)如下問題：絕大部分變頻裝置不帶專用功率測量裝置，到達現(xiàn)場后臨時加裝CT、PT，獲取信號也有難度，因為，變頻裝置設(shè)備得輸入輸出信號距離可能較遠，用采樣方式做到同時讀數(shù)難度較大。功率儀表受到頻率范圍限制，因其電壓、電流信號為變頻信號與變幅值。變頻裝置設(shè)備損耗較小，輸入輸出功率必須做到精確測量，所以，在進行效率測試過程中，變頻裝置設(shè)備得輸入輸出必須做到同時讀數(shù)。根據(jù)研究得知，人工讀數(shù)存在較大誤差，無法滿足效率和精度要求。在實際測試過程中，用該檢測方法得出的測試結(jié)果，往往會出現(xiàn)效率 ＞1的情況，變頻裝置前級變壓器多數(shù)為多抽頭，不好裝設(shè)CT、PT，不容易獲取電壓信號與電流信號，無法精確測試變壓器以及變頻器的效率參數(shù)，只能測試變頻裝置設(shè)備的整體效率，以此作為測試結(jié)果。下圖為變頻裝置設(shè)備測試流程圖，見圖-1

以往的電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的節(jié)能評估和效率測試，大多為型式試驗或考核試驗項目，相關(guān)標準大多是試驗室條件下的測試方法，并且是在工頻條件下的試驗和評價。以電廠高壓變頻器為例，正在制定的《變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法》中，對變頻器供電的電動機試驗方法做了詳細規(guī)定，但由于試驗方法是基于實驗室條件下的，需在電機和負載間增加轉(zhuǎn)矩測量傳感器，無法在在現(xiàn)場予以實施；此外，該標準的主要目的是考核電動機在變頻供電下的參數(shù)和技術(shù)性能，判斷電機的制造可靠性，而在現(xiàn)場需要考核的是調(diào)速裝置、電動機及風機（水泵）組成的電機系統(tǒng)整體性能，特別是要對電機系統(tǒng)是否經(jīng)濟運行進行評估。就目前的現(xiàn)場測試而言，如何準確測量電力系統(tǒng)各種電氣設(shè)備在不同運行工況下的能耗和效率，既無測試方法參考，也無成熟經(jīng)驗借鑒，因此,電力系統(tǒng)現(xiàn)場節(jié)能降損評估及能效測試方法的可行性研究將具有一定的超前性和創(chuàng)新性。

在發(fā)達國家，很早就樹立起節(jié)能降耗的良好觀念，美國福特公司為使其公司產(chǎn)品在市場上具有更大競爭力，在歐洲各分廠中都成立了相應(yīng)的能源管理體系，采用能源審計與目標管理等辦法，從而促進能源的合理利用。美國RTI鋼鐵公司于1999年時，就安裝使用一套新的電力需求管理系統(tǒng)，通過對電力資源的使用現(xiàn)狀進行優(yōu)化設(shè)計，降低能源和需求成本。提供快速得投資回報，系統(tǒng)在投入不到半年時間，就已經(jīng)收回建設(shè)成本。此外，西班牙AKRONT鋁輪箍廠與SIDASA金屬表面處理廠、德國斯派克分析儀器公司（SPECTRO）、印度IPCL Maharashtra汽油裂解廠、法國第二大制藥廠等企業(yè)，都在積極的采用能源能耗管理平臺，從而提高企業(yè)的精細化管理水平，向能源管理要效益。

現(xiàn)今，我國走在能源管理建設(shè)前列的是寶山鋼鐵集團。該企業(yè)在一期工程中從日本引進了第一代集中式寶鋼能源中心，三期工程能源中心則采用了更為先進的分布式計算機信息系統(tǒng)。隨后，相繼有多家鋼鐵企業(yè)，例如：梅鋼、山鋼、鞍鋼以及武鋼等，也研制開發(fā)出具有中國特色的能源管理系統(tǒng)。隨著企業(yè)對信息化能源管理的重視與計算機信息技術(shù)的普及，能源管理逐漸向電力、紡織以及造紙等行業(yè)擴展，使能源管理的概念日益深入人心 。

2 變頻設(shè)備的節(jié)能原理

變頻調(diào)速是通過改變轉(zhuǎn)子的供電來改變轉(zhuǎn)速，由于電壓與頻率成正比例關(guān)系變化，因此可以通過“交流—直流—交流”的逆變過程使電機頻率發(fā)生變化，從而實現(xiàn)變頻控制。

變頻調(diào)速節(jié)能的概念是相對于閥門調(diào)節(jié)來說的，將閥門全開，通過控制電機的轉(zhuǎn)速來控制流量Q。由前面的出口節(jié)流我們已經(jīng)知道，關(guān)小閥門后增加了局部阻力，所以揚程損失較大。負載電力設(shè)備特性變化，見圖-2，而采用采用變頻調(diào)速技術(shù)可節(jié)約大量電能，并且不會損失太多揚程，從而降低了損耗，得以實現(xiàn)節(jié)能的最終目的。

圖-2負載電力設(shè)備特性變化

圖-1 變頻裝置設(shè)備測試流程圖

變頻控制主要有單回路控制和雙回路控制這兩種方式，兩者比較之下，單回路控制較為簡單，只需要將原來送往控制閥的信號轉(zhuǎn)送到變頻器就可以了，原來的控制閥、前后手閥和副線閥依舊保持全開，由變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。雙回路控制電路，一路是主控制，以控制電路控實現(xiàn)制流量，另一路是副控制，主要是起到循環(huán)、分流、保護機泵的作用。

研制與電力系統(tǒng)現(xiàn)場電氣設(shè)備相適應(yīng)的智能采集終端，通過網(wǎng)絡(luò)實時采集、統(tǒng)計電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的能源消耗狀況，經(jīng)過對比分析相關(guān)數(shù)據(jù)，通過科學調(diào)配歸類，為電力企業(yè)提供科學的能源分配、管理、調(diào)度等合理方案，以降低設(shè)備得運營成本，進而降低企業(yè)得整體能耗，提高電能的使用效率，節(jié)約生產(chǎn)能源，降低生產(chǎn)成本。但同時我們需要注意以下幾點：

（1）循環(huán)周期流量變化系數(shù)小于80%時認為節(jié)能的潛力較大，而大于90%時就不宜采用此法了。

（2）當設(shè)計功率與實際功率相差較大時，要選用小于電機功率的變頻器。

（3）系統(tǒng)需要設(shè)置工頻和變頻手動切換，以保證在變頻出現(xiàn)故障的時候可以手動切換到工頻，以保障機泵可以保持運行暢通順利。

（4）由于變頻器的本身的調(diào)速范圍比較廣，因而機泵在長期低轉(zhuǎn)速的條件下運行的話，對變頻器將造成不利影響。

（5）變頻器提高泵的轉(zhuǎn)速時，不應(yīng)超過泵額定轉(zhuǎn)速的105%。

（6）一臺變頻器對應(yīng)一個泵時，應(yīng)該考慮變頻出現(xiàn)故障時變頻器能夠手動切換至工頻繼續(xù)保持運行；當一臺變頻器對應(yīng)兩臺泵時，則要保證能夠相互之間進行切換以保證繼續(xù)運行。

（7）現(xiàn)場要設(shè)置開始、停止以及緊急停機等按鈕，控制室內(nèi)則要顯示機組的運行狀態(tài)，以方便現(xiàn)場即時操作及管理。

（8）在變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置報警功能，并對運行參數(shù)操作情況以及事故等做詳細的記錄，以便在事故發(fā)生后可以迅速的追尋出事故原因并進行有效的操作和保障。

變頻調(diào)速操作簡單快捷，可以實現(xiàn)手動或自動控制，甚至還還可以實現(xiàn)遙感控制。電機可以直接低速啟動，這種方式對電網(wǎng)的沖擊小。它還具有過電壓、欠電壓、斷電、過電流、短路等多項保護功能，相比之下更加安全有效。當降低設(shè)備轉(zhuǎn)速后，機泵的噪聲也會相應(yīng)的比較小，振動和摩擦也相應(yīng)減小，延長了設(shè)備的使用壽命 。

研制開發(fā)大功率電力設(shè)備能效測試及管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中各級電氣設(shè)備的遠程能耗（電、水、氣、冷、熱量的分類計量以及電能的分項計量）實時動態(tài)監(jiān)測、能耗管理及能效分析工作，實現(xiàn)電力系統(tǒng)實時能源管理并降低能耗。通過綜合分析電力系統(tǒng)各級電氣設(shè)備在不同運行工況下及節(jié)能改造前后的實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析電力設(shè)備節(jié)能改造對運行工況、電源質(zhì)量和能效的影響，對設(shè)備改造前后的節(jié)能效果進行定量和定性分析，制定出適用于現(xiàn)場運行實際的電力設(shè)備節(jié)能降損優(yōu)化設(shè)計技術(shù)規(guī)范及運行導則。從而提高現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運行效率，真正達到節(jié)能增效的目的。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文針對電力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，借鑒先進國家成熟經(jīng)驗，開展電力系統(tǒng)大功率電力設(shè)備節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究，開展電力系統(tǒng)節(jié)能降損評估方法的研究，進行能效測試及管理系統(tǒng)的開發(fā)，形成電力系統(tǒng)大功率電力設(shè)備的節(jié)能降損優(yōu)化設(shè)計技術(shù)規(guī)范及運行導則，對改善電力系統(tǒng)功率匹配狀況和系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，提高系統(tǒng)運行控制水平和系統(tǒng)效率十分必要，項目研究后形成的成果具有重要的推廣和應(yīng)用價值。

大功率電力設(shè)備在進行電力傳輸?shù)倪^程中，會生產(chǎn)各種形式的電能損耗，這對于人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)都是非常不利的，為了使供配電系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟合理的運行，就必須采取科學有效的技術(shù)提高大功率電力設(shè)備的工作效率，更好地滿足生產(chǎn)和生活的需求。

[1]張新剛.一種大功率電力電子設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011-07-05.

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[5]韓繼齋.電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)探討[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2011-12-08

辛衛(wèi)東:男，國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司總經(jīng)理，本科學士，高級工程師，長期從事電力生產(chǎn)管理工作。

卞峰，男，國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司副總經(jīng)理，本科學士，高級工程師，長期從事電力生產(chǎn)管理工作。

耿延慶：男，國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司技術(shù)工程部專責，長期從事電力生產(chǎn)技術(shù)工作。

周琪:男，國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司技術(shù)工程部專責，長期從事電力生產(chǎn)技術(shù)工作。

孫宏志:男,1975年9月出生，本科,主要從事變電檢修、物資管理等工作。

劉麗君：女，1985年2月，中國石油大學，本科，主要從事營銷計量管理工作。

Design and implementation of energy-saving electric power equipment

Xin Weidong,Bian Feng,Geng Yanqing,Zhou Qi,Sun Hongzhi,Liu Lijun
(StateGridEnergy Services Ltd.Shandong,250002)

With the development of science and technology,the power equipment has gradually to automation, energy,information and intelligent direction,thus the design of electrical distribution systems have more requirements,in order to enhance the efficiency of high power devices will have to reduce consumption, improve the quality of power supply.Therefore,this article carries on the thorough analysis to improve the effect of energy saving of large power equipment.

High power electric equipment;energy conservation;design