趙小崗 王欽

（1.西安紡織集團(tuán)有限公司，陜西西安，710025；2.四川輕化工大學(xué)，四川自貢，643002）

棉紡織廠能耗成本大約占生產(chǎn)成本的15%左右，特別是在當(dāng)前碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)施階段，能源管理工作對(duì)于紡織廠來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。我公司新廠區(qū)2014年建成投產(chǎn)，在生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)引入了一體化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)服務(wù)于生產(chǎn)工序的各個(gè)環(huán)節(jié)，在能源供應(yīng)、調(diào)度、能耗分析、成本核算、故障響應(yīng)等工作中發(fā)揮著重要作用。能源管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EMS）的核心是成本控制，服務(wù)于生產(chǎn)、生活，涉及到企業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、生活的各個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)分為縱向控制和橫向控制。在管理模式上盡量減少了縱向?qū)蛹?jí)，通過(guò)現(xiàn)代信息化手段使能源管理扁平化，時(shí)效化［1］。

1 能源管理系統(tǒng)

EMS是幫助工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在擴(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，以合理計(jì)劃利用能源，降低單位產(chǎn)品的能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低CO2排放量為目的信息化管控系統(tǒng)。我國(guó)的能源管理工作從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，通過(guò)“能量平衡測(cè)試”“能源審計(jì)”，督促用能單位規(guī)范安裝計(jì)量?jī)x表，推動(dòng)高耗能落后設(shè)備的淘汰、主要設(shè)備的節(jié)能改造、用能系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造工作。如今一個(gè)全員參與、整體全面、常態(tài)化的節(jié)能管理工作越來(lái)越得到國(guó)家和企業(yè)的重視。

EMS作為棉紡織企業(yè)自動(dòng)化和信息化管理的重要組成部分，不僅對(duì)能源的統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化電力峰谷使用、減少蒸汽用量、提高水重復(fù)使用率、降低噸紗能耗和百米布能耗有重要作用，而且對(duì)于能源事故預(yù)案的制定和執(zhí)行、事故原因的快速分析和及時(shí)判斷處理、能源供需的合理調(diào)整和平衡，以及在客觀信息基礎(chǔ)上的能源實(shí)績(jī)分析、能源計(jì)劃編制、能源質(zhì)量管理、能源系統(tǒng)的預(yù)測(cè)等都是十分有效的，其具有以下特點(diǎn)。

（1）完善能源信息的采集、存儲(chǔ)、管理和能源的有效利用。EMS對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和加工，能源調(diào)度人員和專業(yè)能源管理人員能實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的合理調(diào)整，確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

（2）能源統(tǒng)計(jì)全面。EMS從企業(yè)全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展需要。圖1為我廠電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖。電力數(shù)據(jù)通過(guò)不同計(jì)量層級(jí)的智能儀表進(jìn)行采集、傳輸。及時(shí)掌握各車間、部門的能源利用水平，是企業(yè)層面進(jìn)行能源生產(chǎn)調(diào)度的基礎(chǔ)。相比人工采集，EMS采集的數(shù)據(jù)是同一時(shí)間斷面的數(shù)據(jù)，更全面、準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)不同層級(jí)能源數(shù)據(jù)的匯總、分析對(duì)比，對(duì)企業(yè)能源平衡、能源利用和能源損耗的情況了解得十分具體。

圖1 電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

（3）能源統(tǒng)計(jì)及時(shí)準(zhǔn)確。針對(duì)不同計(jì)量層級(jí)EMS采集數(shù)據(jù)頻率有著不同的設(shè)置，層級(jí)越低采集的周期越長(zhǎng)，最長(zhǎng)不超過(guò)1 h，最短1 min。根據(jù)不同層級(jí)以日?qǐng)?bào)和月報(bào)形式提供能源數(shù)據(jù)報(bào)表，使得企業(yè)獲取的數(shù)據(jù)更加客觀、及時(shí)。

2 EMS在降低用能成本中的作用

我公司電費(fèi)電價(jià)執(zhí)行的是“大工業(yè)電價(jià)”，即兩部制電價(jià)，兩部制電價(jià)電費(fèi)包括基本電費(fèi)、電度電費(fèi)和功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費(fèi)，以1個(gè)月為結(jié)算周期。月總電費(fèi)Z=基本電費(fèi)J+電度電費(fèi)D+功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費(fèi)T。

2.1 EMS在降低電度電費(fèi)D中的作用

電度電費(fèi)計(jì)價(jià)：大工業(yè)生產(chǎn)采用峰平谷階段電價(jià)計(jì)算，目前峰值單價(jià)P峰為0.732 4元/（kW·h）；平值單價(jià)P平為0.467 2元/（kW·h）；谷值單價(jià)P谷為0.202 0元/（kW·h）。平 均 電 度 電 費(fèi)D=0.734 2×Q峰+0.467 2×Q平+0.202 0×Q谷，Q峰、Q平、Q谷分別為峰值、平值和谷值用電量。要降低平均電度電費(fèi)D，在總用電量不變的情況下，消峰填谷降低Q峰占比，提高Q平和Q谷是重要的途徑，必須掌握全廠24 h負(fù)荷分布情況，合理生產(chǎn)調(diào)度調(diào)節(jié)［2］。

棉紡織企業(yè)采用連續(xù)生產(chǎn)模式正常情況下峰平谷電均占生產(chǎn)總用電量1/3。平均電度電價(jià)Pˉ=（P峰+P平+P谷）/3=0.467 8［元/（kW·h）］。

我們利用EMS系統(tǒng)電力功率分布曲線不斷優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，使峰平谷電量占比不斷優(yōu)化，當(dāng)前達(dá)到了峰電32.74%、平電33.34%、谷電33.92%，平均電度電價(jià)Pˉ為0.464 5元/（kW·h）。

電價(jià)下降約0.003 3元/（kW·h），月均用電1 100萬(wàn)kW·h，則月可節(jié)約電費(fèi)3.63萬(wàn)元，年節(jié)約電費(fèi)43.56萬(wàn)元。

2.2 EMS在降低基本電費(fèi)中的作用

基本電費(fèi)是按照變壓器容量（kVA）計(jì)算或最大需量（kW）計(jì)算，我廠選擇最大需量計(jì)算。最大需量MD（kW）以有功電表連續(xù)15 min穩(wěn)定的最大負(fù)荷記錄為準(zhǔn)，由供電局安裝電表記錄提供，西安地區(qū)基本電價(jià)為31元/kW，基本電費(fèi)J=31×MD。在整個(gè)電費(fèi)中基本電費(fèi)占比也較高，約占10%。降低基本電費(fèi)對(duì)于降低用電成本非常重要。

利用EMS系統(tǒng)對(duì)最大需量發(fā)生時(shí)段前后功率曲線進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)計(jì)量電表顯示某月最大需量達(dá)到了16 012 kW，通過(guò)EMS調(diào)取了最大需量發(fā)生時(shí)的全天功率曲線圖，最大值為16 313 kW，發(fā)生時(shí)間在10：26。調(diào)查得知當(dāng)天10：00左右開(kāi)啟了冷凍機(jī)組YKR2k45DGG，冷凍機(jī)組額定功率1 196 kW，運(yùn)行功率在600 kW左右，對(duì)比當(dāng)天（A天）和前一天（B天）的功率曲線，10：00—16：00為電力負(fù)荷較高的時(shí)間段，冷凍機(jī)組啟動(dòng)時(shí)全廠達(dá)到了峰值負(fù)荷。假設(shè)以前一天（B天）同時(shí)段未開(kāi)啟冷凍機(jī)組時(shí)功率平均值作為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算峰值負(fù)荷，功率曲線10：00—16：00的平均功率在15 200 kW左右。

通過(guò)對(duì)EMS所提供的A天功率曲線數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)冷凍機(jī)組在啟動(dòng)階段（1 h）后負(fù)荷就逐漸降 低 了，10：00—11：00平均功率15 900 kW；11：00—16：00平均功率15 600 kW。大功率機(jī)組啟動(dòng)對(duì)于月最大需量有著重要影響。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，A天負(fù)荷最小值為12 844 kW發(fā)生在7：00—9：00的7：28，此時(shí)段平均功率13 600 kW，平均值為14 200 kW。如果將大功率設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間調(diào)整到此時(shí)間段，月最大需量將降低300 kW～400 kW。綜合安排，我們對(duì)冷凍機(jī)組和空調(diào)風(fēng)機(jī)等大功率設(shè)備檢修調(diào)試開(kāi)臺(tái)時(shí)間作出調(diào)整，盡量安排在7：00—9：00。通過(guò)實(shí)際效果檢驗(yàn)，最大需量下降400 kW～500 kW，月節(jié)約基本電費(fèi)約12 400元，年節(jié)約14萬(wàn)元。

2.3 EMS在提高功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費(fèi)中的作用

我公司供電電壓為110 kV，根據(jù)相關(guān)規(guī)定功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.85，根據(jù)實(shí)測(cè)有功電量和無(wú)功電量計(jì)算當(dāng)月功率因數(shù)，再按照“功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表”所規(guī)定的百分?jǐn)?shù)增減電費(fèi)。表1為“功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表”。為了提高功率因數(shù)，經(jīng)濟(jì)用電，我們采取了以下措施。

表1 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表

（1）適度投用變壓器附帶的移相電容器，補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率，以提高其功率因數(shù)。但是投用變壓器移相電容器存在以下問(wèn)題。一是，補(bǔ)償設(shè)備本身也有功率消耗，補(bǔ)償設(shè)備投用是需要能源的，投用的越多本身耗能也越多。二是，棉紡織廠由于設(shè)備密集，大量采用電力電子設(shè)備如整流器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等，可飽和設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等，電光源設(shè)備如日光燈等，這些設(shè)備均是諧波源，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量的諧波。而并聯(lián)到線路上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鲗?duì)諧波會(huì)有放大作用，使得系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴(yán)重。并且，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會(huì)造成溫度升高，減少電容器的使用壽命［3］。

為此，通過(guò)EMS對(duì)全公司20臺(tái)投運(yùn)變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)了解各變壓器的功率因數(shù)變化情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)5臺(tái)變壓器投用移相電容器后諧波嚴(yán)重，過(guò)高的諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過(guò)熱、振動(dòng)、噪聲增大、繞組附加發(fā)熱。并且諧波污染經(jīng)常導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域的機(jī)臺(tái)通訊故障，嚴(yán)重時(shí)甚至造成服務(wù)器端口燒毀?；贓MS提供的可靠數(shù)據(jù)，我們?cè)谶@5臺(tái)變壓器上加裝了變壓器智能節(jié)能裝備。智能節(jié)電保護(hù)裝備融入了電磁平衡技術(shù)，使三相輸出電壓、電流趨于平衡穩(wěn)定，采用控制技術(shù)智能調(diào)整變壓器輸出的過(guò)剩和畸變電壓，降低設(shè)備啟動(dòng)電流，削減回路中高次諧波，降低浪涌電流和閃變電壓，提高了變壓器功率因數(shù)，提升電能利用效率［4］?；诖隧?xiàng)技術(shù)，2020年節(jié)電約120萬(wàn)kW·h。表2為加裝變壓器智能節(jié)能裝備后EMS采集的功率因數(shù)。

（2）杜絕變壓器空載運(yùn)行。通過(guò)EMS建立全公司各機(jī)臺(tái)品種能耗監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)低效率機(jī)臺(tái)并進(jìn)行整改，從而降低機(jī)臺(tái)空載和低載運(yùn)行時(shí)間。

表2 加裝變壓器智能節(jié)能裝備后各變壓器功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)實(shí)施以上技術(shù)措施，全公司功率因數(shù)達(dá)到了0.92～0.93，相應(yīng)的電費(fèi)下降了0.80%～0.95%，按我公司年電費(fèi)約6 400萬(wàn)元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)約51.2萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

我公司充分發(fā)揮EMS功能和作用，通過(guò)合理調(diào)整峰谷平時(shí)段用電量，減少基本電費(fèi)，提高用電功率因數(shù)，年節(jié)約用電費(fèi)用約109萬(wàn)元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。EMS在能源管理中可以精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提供的數(shù)據(jù)或數(shù)值曲線對(duì)于棉紡織廠針對(duì)性地采取節(jié)能措施、降低能耗費(fèi)用有著積極的作用。采用EMS后通過(guò)能源計(jì)劃、能源監(jiān)控、能源統(tǒng)計(jì)和能源消費(fèi)分析，采取重點(diǎn)能耗設(shè)備管理、能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，使企業(yè)管理者能夠準(zhǔn)確掌握企業(yè)能源成本比重和發(fā)展趨勢(shì)，將企業(yè)能源消耗計(jì)劃任務(wù)量化，并分解到各個(gè)生產(chǎn)部門，使節(jié)能工作責(zé)任明確，促進(jìn)了企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。