劉福春

（天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，天津 300204）

1 問題的提出

黨的二十大報告提出，積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和，是國家關(guān)于節(jié)能減排的重大決策部署。目前，我國綠色、循環(huán)、低碳的發(fā)展理念逐步落地見效，資源節(jié)約集約利用水平向好。但資源約束趨緊、環(huán)境容量不足等問題依然突出，生產(chǎn)生活方式綠色低碳轉(zhuǎn)型存在多重困難挑戰(zhàn)。要消除可持續(xù)發(fā)展的制約因素，必須扎實推進“雙碳”工作，提高能源利用效率，形成綠色生產(chǎn)及生活方式，實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展［1］。

踐行綠色低碳理念，節(jié)約1 kW·h電是節(jié)能減排工作的有效手段之一。1 kW·h 電可以讓節(jié)能燈點亮100 h，可以給1部手機充電100多次，可以讓家用冰箱運作36 h，可以讓電視播放10 h電視劇，可以讓洗衣機清洗50 kg 衣服，還可以生產(chǎn)100 多個醫(yī)用口罩、10 副醫(yī)用手套、10 L 消毒液等等。為生活守護一份平安，1 kW·h 電的作用真的超乎我們的想象。1 kW·h 電的產(chǎn)生很不容易：水力發(fā)電需要630 m3的水，才能產(chǎn)生1 kW·h電；光伏發(fā)電需要1塊250 W的光伏板在陽光下曬4 h的等效時長，才能產(chǎn)生1 kW·h電；火力發(fā)電需要燃燒400 g左右的煤，才能產(chǎn)生1 kW·h電！現(xiàn)在大部分電能是通過火力發(fā)電燒煤發(fā)出來的，我們少用1 kW·h電相當(dāng)于減少400 g煤的燃燒，就能減少997 g 二氧化碳、272 g 的碳粉塵、15 g 的氮氧化合物、3 g 的二氧化硫排放，就能為節(jié)能降耗多助一份力。我們可以讓1 kW·h電在不經(jīng)意間溜走，也可以選擇節(jié)約每1 kW·h 電讓它發(fā)揮價值。地球資源是有限的，我們想要長久地生存下去，就得切實行動起來，從現(xiàn)在做起，從點滴做起，一起節(jié)約用電、節(jié)省能源，守護美麗家園。

截至2021年底，天津市現(xiàn)有大、中、小型水利泵站共計3890座，其中大型水利泵站12座、中型水利泵站263 座（裝機容量為1000～10000 kW）。數(shù)千座泵站在保障全市供水、灌溉、排澇等功能發(fā)揮的同時也消耗了大量電能，產(chǎn)生了大量電費的運行成本。因此，在踐行節(jié)約用水責(zé)任的同時，節(jié)約用電亦可降低管理單位的運行成本，減少碳排放，提高管理單位經(jīng)濟效益和社會效益。節(jié)約用電的一般途徑有：①減少泵站功率損耗，提高電能利用率；②采用新技術(shù)、新材料和新工藝；③加強設(shè)備的維護與檢修，減小能量損耗；④通過信息化手段實現(xiàn)智慧泵站優(yōu)化調(diào)度。本文主要介紹水利泵站通過改善用電設(shè)備功率因數(shù)、減少泵站功率損耗、提高電能利用率來實現(xiàn)水利工程節(jié)約用電，完成運行管理單位節(jié)能減排目標(biāo)。

2 功率因數(shù)基本概念

水利泵站配置的變壓器、水泵電機等感性電氣設(shè)備多是通過建立磁場才能正常工作，磁場所具有的能量是由電源供給的，當(dāng)用電設(shè)備激磁電流增加時從電源吸收能量，激磁電流減小時將能量釋放回電源。衡量與電源能量交換速率的物理量稱為無功功率。正常工況下，電機等用電設(shè)備要從電源同時取得有功功率及無功功率。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場就要消耗無功功率。感性負荷自電網(wǎng)吸收無功功率，容性負荷向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。接于同一正弦交流電壓的電感和電容電流反相，吸收、釋放能量互相抵消，故無功功率互相抵消。在電路中交流電壓和交流電流之間相位差角φ的余弦為功率因數(shù)cosφ，數(shù)值上是有功功率與視在功率之比，即：

式中：cosφ為功率因數(shù)；P為有功功率（kW）；S為視在功率（kVA）。

3 功率因數(shù)與節(jié)約電能

3.1 功率因數(shù)的影響因素

當(dāng)泵站中的水泵電機有功功率一定時，無功功率上升，功率因數(shù)下降。功率因數(shù)下降的影響因素有：①泵站使用感應(yīng)水泵電機和感性用電設(shè)備；感性用電設(shè)備不匹配或使用不合理，造成長期輕載或空載運行；②變壓器容量選擇過大，使之常年低負載率運行；③未配置電容器等無功補償設(shè)備。

功率因數(shù)下降將產(chǎn)生以下影響：①增加供電系統(tǒng)線路和變壓器等設(shè)備材料的容量和投資；②增大線路和變壓器的功率和電能損耗，增加年運行費；③電網(wǎng)電壓損失增大，供電電壓質(zhì)量下降。電力部門規(guī)定各用電企業(yè)功率因數(shù)不能低于0.9，并制定了相應(yīng)的獎懲標(biāo)準(zhǔn)，這對電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和保證供電質(zhì)量都是非常必要的。

3.2 節(jié)約電能意義

功率因數(shù)的高低對泵站節(jié)能至關(guān)重要，提高泵站的總功率因數(shù)，節(jié)約電能，具有積極的意義：①緩和電力供需矛盾。在天津市的水利行業(yè)，甚至全市各個行業(yè)、全國各個領(lǐng)域開展節(jié)約電能的活動，可使有限的能源用于更多的生產(chǎn)部門，為社會創(chuàng)造更多的財富。②提高電能使用的經(jīng)濟效益。在工程運行階段會節(jié)約大量電能，降低管理單位運行成本。③加速工藝、電氣設(shè)備的改造，促進科技進步。節(jié)約電能工作的不斷深度開展，在工程前期建設(shè)階段可節(jié)約設(shè)備投資，在工程運行數(shù)年后必將促進對舊設(shè)備、落后工藝的更新?lián)Q代和升級，從而大幅度提高生產(chǎn)效率，降低能耗［2］。

4 提高功率因數(shù)舉措

改善水利泵站水泵機組、輔機等用電負荷功率因數(shù)，核心問題是減少用電負荷的無功功率，主要方法是調(diào)整自然功率因數(shù)和人工補償提高功率因數(shù)。

4.1 提高自然功率因數(shù)

提高泵站水泵電機運行效率的最基本方法是合理選擇和使用電動機，確定最經(jīng)濟的運行方式和降低電動機的能量損耗。異步電動機的功率因數(shù)和效率是水泵電機2個重要的技術(shù)參數(shù)，它們相互關(guān)聯(lián)、互相影響，改善水泵電機效率的同時也改善了其功率因數(shù)。一般異步電動機的額定效率和功率因數(shù)按負荷系數(shù)在75%～100%的范圍內(nèi)設(shè)計，所以電動機額定輸出功率應(yīng)為選擇負荷功率的1.10～1.15 倍為宜。因為水泵電機、變壓器等感性負荷是吸收無功功率較多的用電負荷，選型時確定的容量越大，無功功率需要越大。如果這些設(shè)備經(jīng)常處于“大馬拉小車”即空載或輕載運行工況時，功率因數(shù)和工作效率都會下降，違背了節(jié)約的原則。

對于長期運行的大型泵站采用同步水泵電機為宜；變頻供水泵站選擇輸入功率因數(shù)大于0.95 的變頻器，無需配置功率因數(shù)補償裝置。

4.2 人工補償提高功率因數(shù)

泵站的高壓電源線路及變壓器輸送無功功率，亦可能導(dǎo)致?lián)p耗電能和電壓，降低電氣設(shè)備的工作效率。因此，除減少用電負荷無功功率消耗、提高自然功率因數(shù)外，還需在末端對無功功率進行人工補償?？茖W(xué)合理使用水泵電機、變壓器等設(shè)備，以及利用電容器并聯(lián)補償來提高功率因數(shù)，是人工提高功率因數(shù)通常采取的方法。當(dāng)單相電容器的額定電壓與電網(wǎng)額定電壓相同時，三相電容器應(yīng)采用三角型接線型式；當(dāng)單相電容器的額定電壓低于電網(wǎng)額定電壓時，應(yīng)采用星型接線型式，或幾個電容器串聯(lián)后、使得每相電容器組的額定電壓高于或者等于電網(wǎng)的額定電壓，再采用三角型接線型式。在短路容量較小的變電站，多采用三角型接線型式電容器組。為提高泵站補償裝置的經(jīng)濟效益，減少無功功率的傳送，盡量就地補償。在泵站的配電系統(tǒng)中，通常采用的補償方式有高壓集中補償、低壓成組補償和低壓就地補償3種型式［3］。

在水利泵站中，用電負荷基本以電感性和電阻性負荷為主，總電流相位將滯后電壓1個角度φ。若裝設(shè)電容器并與負載并聯(lián)，電容器電流將抵消一部分電感電流，總電流相位差φ減小，相應(yīng)提高了功率因數(shù)。如果電容器容量選擇得當(dāng)，可把φ減小到0，即cosφ提高到1。

4.2.1 電機的合理使用

對水泵電機進行補償時，補償電容器容量的計算應(yīng)按水泵電機空載的功率因數(shù)補償約至1計算補償容量，不要按水泵電機帶負荷時的功率因數(shù)計算補償容量。因為，若帶負荷時補償至cosφ=1，則空載時將會出現(xiàn)過補償現(xiàn)象。若出現(xiàn)過補償情況時斷開電機電源，水泵電機勵磁接收到電容器放電，使運行的水泵電機變成感應(yīng)發(fā)電機，此時的工作電壓超過額定電壓多倍，有損于電容器和水泵電機的絕緣。

對于輕負荷的水泵電機，適當(dāng)降低電壓，則電動機的轉(zhuǎn)矩減少，輸出功率降低。但由于電壓降低，空載電流減少，鐵損減少，因而水泵電機功率因數(shù)和效率基礎(chǔ)維持不變。對于中小型異步電動機，當(dāng)負荷低于50%時，常采用改變電動機定子繞組接線（由△接線改為Y 接線）的方法，使電動機降壓運行，從而減少電動機無功功率需用量，提高功率因數(shù)，達到節(jié)約電能的目的［4］。

電動機空載運行時輸出功率為零，但此時鐵損、機械損耗仍然存在，仍在消耗無功功率和有功功率。而在各種機械的生產(chǎn)過程中，空載間斷時間又是不可避免的。因此，限制異步電動機空載運行時間，合理使用電動機，使其經(jīng)濟運行，可達到節(jié)能減排的目的。

其他降壓運行方法還有采用自耦變壓器降壓、調(diào)壓器調(diào)壓、電抗器或電容器降壓和改變電動機繞組接線法等。

4.2.2 變壓器的經(jīng)濟運行

電網(wǎng)的經(jīng)濟運行是指使整個系統(tǒng)中的有功功率損耗最小并能獲得最佳經(jīng)濟效益的運行方式。泵站配置的變壓器經(jīng)濟運行，是使變壓器總的有功損耗最小的運行方式。

泵站配電系統(tǒng)中的有功功率損耗與電氣設(shè)備的有功功率和無功功率均相關(guān)。因無功功率需求量的升高導(dǎo)致電流升高，電流經(jīng)過變壓器和線路時產(chǎn)生較大的功率損耗，使配電系統(tǒng)中總有功損耗升高。為直觀表達上述工況，因而出現(xiàn)了“無功功率經(jīng)濟當(dāng)量”的說法。無功功率經(jīng)濟當(dāng)量表示了因裝設(shè)人工無功電容補償設(shè)備得到的直接經(jīng)濟效益，其物理意義為每補償1 kvar無功功率，在配電系統(tǒng)中相應(yīng)引起有功功率所增加的數(shù)值。無功功率經(jīng)濟當(dāng)量的大小與電力系統(tǒng)的容量、結(jié)果及計算點的具體位置等因素有關(guān)。距離電源越遠的泵站變電所，無功功率經(jīng)濟當(dāng)量值越大，亦即裝設(shè)無功補償設(shè)備后所得經(jīng)濟效益越高。

變壓器工作需要消耗無功功率建立交變磁場，其消耗的無功功率約為其自身額定容量的15%左右，空載無功功率約為滿載時的1/3。從經(jīng)濟運行的角度來說，并聯(lián)工作的變壓器要考慮有功功率損耗和無功功率損耗，因為電網(wǎng)供給無功功率時也會在電網(wǎng)和變壓器中引起有功功率的損耗。當(dāng)總負荷一定時，泵站無論接入1 臺還是2 臺變壓器，變壓器所產(chǎn)生的功率損耗是一樣的。因此，應(yīng)根據(jù)季節(jié)性負荷變化情況，確定泵站配置的變壓器最經(jīng)濟的并聯(lián)運行臺數(shù)，減少電能損耗，達到最佳的經(jīng)濟效益。

4.2.3 線路

由線路的對地電容電流所產(chǎn)生的容性無功功率，稱為線路的充電功率。電源線路空載或者輕載時電壓會高于電源電壓，因為導(dǎo)線間及對地存在電容，輸電線路相當(dāng)于1個無功電源，這時電流相位超前于電壓相位。輸電線路輕載時，其容性充電功率將超過線路本身所消耗的感性功率，會導(dǎo)致功率因數(shù)降低并提高末端電壓。這將對用電負載造成危害，尤其是電纜線路，電纜線路的相間電容約為架空線路的18 倍，對地電容約為架空線路的幾十倍，因此，長距離電纜線路中電容電流增大，將產(chǎn)生過多的充電功率，引起輸電線路的電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定程度后會造成電纜線路本身和其他相關(guān)設(shè)備的損害，危及電力系統(tǒng)安全［5］。

為解決長距離電纜輸電線路的過電壓問題，可將電容器與線路串聯(lián)，改變線路參數(shù)，減小線路的電壓損失，提高末端電壓水平和線路輸送能力，減少電網(wǎng)損耗；也可將逆變器（電壓型）在電網(wǎng)上并聯(lián)電抗器，調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，迅速吸收無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率，達到改善功率因數(shù)的目的。

5 結(jié)語

我國生態(tài)文明建設(shè)已進入以降碳為重點戰(zhàn)略方向的關(guān)鍵時期，必須扎實推進“雙碳”工作，發(fā)揮降碳對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的源頭牽引作用，大力實施節(jié)能減排，全面推行清潔生產(chǎn)，加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推進減污降碳協(xié)同增效，加快實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的根本轉(zhuǎn)變，守護好藍天白云、綠水青山，為人民群眾提供更加優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境，提高人民生活品質(zhì)。

天津市在健全節(jié)能減排政策機制的同時，為助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)，不斷滿足人民群眾天藍、地綠、水清良好生態(tài)環(huán)境的需要，必須推動天津水利泵站工程綠色升級，這對促進全市經(jīng)濟社會綠色低碳、資源集約發(fā)展具有重要意義。