董梅

（甘肅土木工程科學(xué)研究院 甘肅蘭州 730020）

引言

隨著當前各個行業(yè)領(lǐng)域能源消耗量的不斷增加以及日益嚴重的環(huán)境污染形勢作用，如何保護環(huán)境并節(jié)約能源，已成為備受各方重視的課題之一。研究表明，我國社會經(jīng)濟的快速增長是以高能耗為代價實現(xiàn)的。因此，水泥企業(yè)耗能作為高能耗大戶之一，已經(jīng)成為危及社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性因素之一。在構(gòu)建資源節(jié)約型社會的客觀發(fā)展目標下，將電氣節(jié)能技術(shù)引入工業(yè)電氣設(shè)計領(lǐng)域中是非常必要的。結(jié)合哈密南崗水泥企業(yè)實際情況，分析該企業(yè)工業(yè)用電系統(tǒng)中存在的能耗問題，并據(jù)此提出電氣節(jié)能的設(shè)計與改造方案，望能夠為同類工業(yè)電氣設(shè)計改造提供一定的參考與幫助。

1 工業(yè)企業(yè)電氣節(jié)能的必要性

1.1 我國工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀的要求

電氣節(jié)能體制存在較多的漏洞和缺陷，同時部分企業(yè)沒有意識到電氣節(jié)能的重要性，在提高生產(chǎn)效益的同時，沒有對資源進行節(jié)約，浪費了大量的電能。為了對上述情況進行有效抑制，必須重視對電氣節(jié)能技術(shù)的研究和應(yīng)用，這同樣也是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢。

1.2 促進我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求

以往在經(jīng)濟發(fā)展中，能源消耗量非常大，環(huán)境污染問題也極為嚴重。而現(xiàn)階段人們開始重視可持續(xù)發(fā)展，即尋求資源、環(huán)境和經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。當下的工業(yè)發(fā)展應(yīng)該注重電氣節(jié)能和增加電能利用率，這才能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 電氣節(jié)能設(shè)計方案

2.1 應(yīng)結(jié)合實際情況構(gòu)建廠內(nèi)電氣綜合節(jié)能系統(tǒng)

選擇哈密南崗水泥廠的電能采集系統(tǒng)來進行自動化改造，用智能化數(shù)字電能測量表代替過去的機械電表，在通信技術(shù)的幫助下，將實時的變電所用電量信息上傳給變電站監(jiān)控室，同時為監(jiān)控室安裝計算機系統(tǒng)，構(gòu)建用于電氣能量監(jiān)視與管理的軟件平臺，以此來完成對企業(yè)電能消耗的內(nèi)部考核計量和關(guān)口計量，另外對廠區(qū)生活區(qū)職工宿舍樓職工用電也進行分戶計量收費，改變以往開放式用電模式，這也是一種體現(xiàn)電能節(jié)能的方式。

2.2 應(yīng)構(gòu)建基于電氣節(jié)能的集成化監(jiān)控與調(diào)度優(yōu)化工作平臺

在進行集成化監(jiān)控和調(diào)度優(yōu)化工作平臺的構(gòu)建時，必須全面考慮到哈密南崗水泥廠的具體情況，以此為依據(jù)來展開平臺的構(gòu)建，這樣才能夠完成電氣節(jié)能的目的。整個監(jiān)控系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)合圖1分析，該電器節(jié)能集成化監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個部分，即現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)?？偩€網(wǎng)絡(luò)既可以自動監(jiān)測和聯(lián)動控制企業(yè)配電網(wǎng)地層設(shè)備和輸變電線路，同時還能夠完成與廠內(nèi)車間級監(jiān)控主機系統(tǒng)之間的信息傳輸；而局網(wǎng)線則可以將企業(yè)的變配電站、車間監(jiān)控系統(tǒng)連接到一起，以實現(xiàn)彼此之間的信息共享和集成監(jiān)控。這樣就能夠根據(jù)具體的變配電情況，優(yōu)化電網(wǎng)的有功潮流和無功潮流。

圖1 集成化監(jiān)控系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)示意圖

3 無功補償與諧波抑制

通過對哈密南崗水泥廠低壓配電室所測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，功率因數(shù)低0.9的低壓配電室有6座，同時，其中一半的低壓配電室是設(shè)置有無功補償裝置，但是這些無功補償裝備因為老化、維護不當?shù)仍?，根本無發(fā)發(fā)揮應(yīng)有作用。諧波問題在上述6座低壓配電室中都有所發(fā)生，這都會影響電力設(shè)備的運行。在進行上述，低壓配電室的電氣節(jié)能設(shè)計時，必須綜合考慮低壓配電室的功率因數(shù)與諧波含量，根據(jù)二者之間的關(guān)系，確定具體的方案：①如果低壓配電室的功率因素以及諧波含量均處于較低水平，在動態(tài)變化下，負載水平會改變系統(tǒng)無功功率。所以在進行該類配電室的無功補償時，應(yīng)采用智能化無功補償裝置，通過分級和動態(tài)補償?shù)姆椒?，來提高，功率因?shù)，使其保持在0.96。②如果低壓配電室的功率因數(shù)適中，但是諧波含量超出一般水平，動態(tài)變化下的變頻器、空調(diào)等非線性負載也會影響諧波含量。在設(shè)計無功補償方案時，需要考慮上述情況，具體的可以選擇以下治理方式：多組單調(diào)諧無源濾波器治理特定次數(shù)諧波；利用有源電力諧波器治理各次諧波。上述兩種方法都能夠降低諧波所造成的危害，減少總畸變率。如果諧波畸變情況和電流幅值都比較大，在考慮節(jié)能改造成本的基礎(chǔ)上，可以選擇安裝單調(diào)諧無源濾波器裝置來進行諧波治理。③如果配電室的諧波含量超出正常水平，但是功率因數(shù)卻比較低，所以在此種情況下，如果請使用電容器或者是采用無功補償，很容易將諧波進行放大，這是諧波問題更加嚴重，為了對這種情況下的問題進行有效處理，需要把諧波治理和無功補償結(jié)合起來，采取綜合性的處理措施。在實際中，可以通過安裝混合型動態(tài)有源濾波系統(tǒng)對整流裝置來完成對上述情況的。在電網(wǎng)0.38kV側(cè)安裝混合型動態(tài)有源濾波器，這樣由源濾波器向電網(wǎng)輸出的濾波就會經(jīng)過輸出濾波器的處理，這樣做的優(yōu)點有兩方面：第一，利用電網(wǎng)諧波動態(tài)完成對諧波的治理；第二，在在完成諧波治理的同時進行無功補償。在上述措施應(yīng)用之后，配電室的功率因素穩(wěn)定在0.96，同時整流裝置的運行狀態(tài)也比較正常。與此同時，為了對諧波進行有效抑制，還可以考慮在單調(diào)諧無源濾波器對單次諧波治理的前提下，同步完成對其它次數(shù)諧波的動態(tài)治理，從而加強諧波治理的效果。并且還可以對電網(wǎng)和無功補償之間的諧振干擾問題進行處理，使補償裝置可以，安全穩(wěn)定的運行。各10kV配電站的高壓母線上設(shè)靜電電容器補償，補償后功率因數(shù)達到0.93。采用功率因數(shù)的補償可以減少線路損耗與變壓器的損耗，在設(shè)計階段就需要做好補償設(shè)計，減少相應(yīng)的損耗。

4 工業(yè)電氣設(shè)計中的電氣節(jié)能措施

4.1 合理設(shè)計供配電系統(tǒng)

在進行工業(yè)電氣設(shè)計過程中要充分考慮工業(yè)電氣的需求，做好配供電系統(tǒng)的設(shè)計，對配供電系統(tǒng)進行優(yōu)化，達到節(jié)能降損的目的。在供配電系統(tǒng)設(shè)計上，減少供配電系統(tǒng)的環(huán)節(jié)數(shù)量，對供配電系統(tǒng)進行合理的精簡，降低造價，減少能源的損耗，合理設(shè)置總變電所及供配電室在廠區(qū)的位置。在電氣設(shè)備選型時，應(yīng)考慮供電電壓等級，避免由于電壓問題造成的損耗過多。在變電所設(shè)計時，對于負荷較集中且距電力室較遠的配電設(shè)備區(qū)域設(shè)置變配電室。避免由于供配電距離過長而造成的負荷增加，減少電纜及附件耗材成本的增加。如果供配電區(qū)域面積過大，最好采用合理的規(guī)劃，配置多個變配電室，減少配電線路距離。

在廠區(qū)總平面圖設(shè)計過程中，應(yīng)由工藝專業(yè)設(shè)計人員和電氣設(shè)計人員共同參與，盡量的避免配電距離過長，減少電線電纜的使用量。在水泥廠常使用大功率電機，功率在200kW及以上的電動機采用10kV高壓電動機，功率在200kW以下的電動機采用380V低壓電動機。高壓鼠籠電機采用籠型機啟動柜啟動，高壓繞線電機采用液體電阻器啟動。靜止式進相機單機就地電容補償裝置，對調(diào)速高壓電機采用單機就地電容補償方式。其靜止式進相機柜及就地電容補償柜放在相應(yīng)的電力室內(nèi)，盡可能地減少廠區(qū)配電線路損耗，隨機投入和切除，以使補償保持平衡。

4.2 合理選擇變壓器

①變壓器的負載率要進行科學(xué)地選擇，以實現(xiàn)降低變壓器的功率損耗，負載損耗和空載損耗是變壓器損耗。負載損耗通常是能夠變化的，和變壓器負載是正相關(guān)的，變壓器的特性也與其密切的聯(lián)系。而空載損耗和負荷的關(guān)系就沒有那么直接了，在變壓器一次繞組頻率和電壓值都比較固定時，空載損耗也不會有太大的變化。根據(jù)經(jīng)驗值分析，在變壓器的選型上，宜選擇負載率為70～80%，是較為恰當、理想的范圍。②高效節(jié)能的新型變壓器是比較理想的選擇?，F(xiàn)階段我國很多的工業(yè)企業(yè)中都存在著老變壓器數(shù)量巨大的現(xiàn)象，想要將其在一次性更新是不實際的，逐年更新才是宜采用的方法，應(yīng)先將那些技術(shù)特性比較差的變壓器淘汰掉，選擇新型高效節(jié)能的變壓器，做到小投入，大產(chǎn)出的良好效果。全密封式配電變壓器是一種節(jié)能變壓器，相比于普通油浸式變壓器，沒有了儲油柜，油箱的波翅代替油管作為冷卻散熱元件，波紋油箱中使用的優(yōu)質(zhì)冷軋薄板在專用生產(chǎn)線上制造，波翅可以隨變壓器體積的變化而變化，變壓器和大氣始終在相對隔離的狀態(tài)，這樣就可以有效的減少油劣化和絕緣受潮的現(xiàn)象，工作的可靠性也得到了加強，達到了節(jié)能減排的預(yù)期。

4.3 優(yōu)化照明系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)、企業(yè)電氣照明設(shè)計并沒有民用建筑照明設(shè)計復(fù)雜，但是在裝置中同時使用的燈具數(shù)量大。①過去通常采用的燈具為汞燈、鈉燈、金鹵燈，這些燈具在工礦企業(yè)當中使用量大、面廣，也發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，但在新興光源的推出后逐漸失去了原有的主導(dǎo)地位，其光效低、壽命短、功率因數(shù)低，起動時間長等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的照明要求。所以，現(xiàn)在推出了電磁感應(yīng)燈、LED燈等光源，這些已能完全滿足用戶的要求，雖然價格稍高，但隨著逐步推廣，電能節(jié)約，費用會逐漸降低。②過去對光源的控制不能達到節(jié)能的效果。如采用適當?shù)拇胧?，如光控、時控、穩(wěn)壓輸出等，則每年可以節(jié)約大量的電能。

5 結(jié)語

本文以哈密南崗水泥廠的電氣系統(tǒng)節(jié)能改造實例為分析對象，對哈密南崗水泥廠電氣系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題進行了探討分析，比如無功損耗較大、諧波含量高、電能測量與監(jiān)控缺乏集成性、功率因數(shù)偏低等等。然后結(jié)合具體的情況，制定了科學(xué)合理的電氣節(jié)能的改造與設(shè)計方案，該方案建立在車間用電的數(shù)字化總線采集以及電氣能量監(jiān)視管理工作平臺基礎(chǔ)之上，根據(jù)具體水泥廠具體情況，對功率因數(shù)和諧波較低、功率因數(shù)正常諧波較高和諧波高功率因數(shù)低的三種情況進行了具體的分析，并提出了相應(yīng)的處理方案。經(jīng)實際驗證表明，經(jīng)過工藝和電氣改造之后，哈密南崗水泥廠的水泥產(chǎn)量得到了很大的提高，每天水泥產(chǎn)量比改造前多1093.65t.增幅高達56.61%，但是煤耗和電耗不升反降，比改造前分別降低了31.06kgce/t-cl和28.24kW·h-cl，降幅分別為22.11%和31.62%，節(jié)能增產(chǎn)效果顯著，電氣節(jié)能設(shè)計的目的得到了有效的實現(xiàn)。