鋼鐵企業智能電網建設

李關定 李令冬 周佃民

1.寶鋼股份能源環保部 2.寶鋼安大電能質量有限公司

1 引言

構建鋼鐵企業智能電網的根本目的是提高企業的電能利用率，鋼鐵制造流程的電能耗散結構及運行是研究鋼鐵企業智能電網的重要基礎，鋼鐵企業智能電網物理載體包括配電網和用電系統，其基本特征是高效優質、安全可靠。降低配電網損耗、提高電能轉換效率及提高資源綜合利用率是鋼鐵企業節電重點。鋼鐵企業智能配電網的關鍵技術有：配電網節電技術，電能轉換節電技術，需求側發電技術，電能管理節電技術及智能電網管理信息技術。

本文主要介紹了構建鋼鐵企業智能電網的基本思路和方法，以供同行參考。

2 鋼鐵制造流程的電能耗散結構及運行

鋼鐵制造是以物質和能量轉換為基礎的流程制造，是一個開放的、遠離平衡的、不可逆的復雜流程體系。構成流程的要素是“流”、“流程網絡”和“程序”，鋼鐵制造流程是由性質不同的多個工序組成的，是“物質流”和“能量流”按照一定的“程序”在一個復雜的“網絡結構”中流動運行，其基本屬性是“物質流”和“能量流”的耗散結構。鋼鐵企業智能電網的基本功能就是根據鋼鐵制造流程物質和電能的耗散特點，科學地管理與控制電能的耗散與運行，從而構建高效優質、安全可靠的鋼鐵企業智能配電網。“高效”就是目標，“優質”、“安全”、“可靠”是約束條件。

3 鋼鐵企業智能電網的定義與建設

3.1 鋼鐵企業智能電網的定義

根據鋼鐵制造流程的物質和電能耗散結構與運行的特點，對配電網和用電建設進行智能化的動態科學管理與控制，使配電網和用電系統能夠高效優質、安全可靠運行。具有上述功能和特征的配電網和用電系統的集合稱之為鋼鐵企業智能電網。

物理載體：配電網與用電系統80%以上的電能是消耗在用電系統上，因此智能電網的物理載體就是配電網和用電系統。

運行特點：高效優質、安全可靠。“高效”是目標、“優質、安全、可靠”是約束條件。

管理與控制內容：線損、電能效率、電能利用率、運行方式、電能質量、安全可靠運行。

管理與控制特點：科學管理、智能化控制。

3.2 智能電網的建設

包括配電網和用電系統評估、配電網改造、用電系統改造及電能管理信息系統建設。其中配電網和用電系統評估內容有：配電網結構、經濟運行、電能質量、安全運行、可靠運行、電能效率及電能利用率的評估。

4 鋼鐵企業節電重點

4.1 降低配電網損耗的技術措施

1）配電網損耗

配電網損耗包括配電線路的負載損耗和介質損耗：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）降低配電網損耗的技術措施

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，并在低壓側施行就地無功補償和諧波濾波，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 提高電能轉換效率

1）提高電能-機械能轉換效率

鋼鐵企業60%的負荷為電機負荷，推廣高效電機和變頻器調速技術，可使電機運行用電降低8%左右，企業節電約4.8%。

2）提高電能-熱能轉換效率

鋼鐵企業主要的電能-熱能轉換設備是交直流電弧爐和精煉爐，電能消耗占企業總用電量的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，企業節電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換及應用

鋼鐵制造流程中產生了大量的可燃氣體、高溫煙氣、蒸汽和熱水，余熱余壓發電技術的發展使鋼鐵企業余熱余壓年發電量可達企業年總用電量的8%左右。

2）鋼鐵制造流程中廢棄物質的應用

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

以上各項技術措施實施后的節電率：降低配電網線損節電率2.6%，推廣高效電機和變頻調速節電率4.8%，優化電弧爐工藝和供電制度節電率0.6%，余熱余壓發電節電率8%。鋼鐵企業總節電率16%。

按鋼鐵企業120億kWh的年用電量來計算，年節電量19億kWh。

5 鋼鐵企業智能電網的節電技術

5.1 配電網節電技術

配電網節電技術有：無功補償技術、均衡負荷曲線技術、配電網拓撲結構優化技術、變壓器運行節電技術及改善電能質量技術等。

無功補償技術特點：有功功率損耗的增大率隨功率因數減小而顯著提高，功率因數小于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，功率因數越高，有功損耗減小率越小；對于同樣的功率因數，無功補償率越高，有功損耗減小率越小。無功經濟當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發生諧振故障，為了兼顧濾波和避免諧振，無功補償電容器通常串聯電抗器，但如果參數配置不當，在特定工況下系統會發生諧振故障。

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。

配電網拓撲結構優化技術：低壓配電網接線采用三相四線制方式，低壓配電網實施高壓單相配電技術，配電變壓器安裝位置最接近負荷中心等。

變壓器運行節電技術：使用高壓用電設備，減少變壓器總容量；減少企業從受電端至用電設備變壓級數，一般為2級，最多3級；選擇節能型變壓器，其具有損耗低、重量輕、噪聲低、效率高、抗沖擊、節能等優點，如油浸式變壓器已出現了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，變壓器有功損耗最小；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。

改善電能質量技術：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，若負載損耗大于空載損耗，應適當提高運行電壓；而若空載損耗大于負載損耗，則應適當降低運行電壓。在配電變壓器低壓側的負荷終端，電壓偏差應調整在-3%～+1%內運行，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 電能轉換節電技術

1）電能-機械能轉換設備節電技術

機電系統按照能源轉換方向分為發電和電力傳動兩類系統,發電系統的節能核心是提高熱力（風力或水力）裝置的能源效率，也是節能工作的核心，提高熱力裝置效率需要技術創新和巨額投資。電力傳動系統節能的核心是電動機節電，已有成熟技術推廣應用，可使電力傳動系統節電10%～20%，工藝改造和創新可以使傳動機構和生產機械能量需求減少，但技術創新和工藝改造難度大，投資高。

電動機節電技術：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、電動機調速節電、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。“十一五”期間重點推廣高效節能電動機等產品，使運行效率提高2個百分點，年節電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，應選用YX系列高效電動機。按照國家標準GB12497-1990《三相異步電動機經濟運行》的要求，單臺容量200kW以下的選用低壓電動機；容量200～355kW之間的應進行技術經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大于50%，以70%～100%為為最佳負載率。供電線路短且電網容量允許，負載小于300kW的一般選用低壓電動機；供電線路長且電網容量有限，負載大于500kW的一般選用高壓電動機。當電動機負載率經常在40%以下，應選擇定子繞組接線△/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，功率因數提高到0.85左右。

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

在電動機調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，調速比大于10且變化頻繁，調速比及轉動慣量大等情況下要選用變頻調速電動機。另外，就地無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-熱能轉換設備（電弧爐）節電技術

主要是優化供電制度、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0.70～0.80，熔化期功率因數0.80～0.87，平均功率因數0.82。圖2為交流電弧爐供電模型與節電運行技術概圖。

5.3 需求側發電技術

需求側發電廠（自備電廠）就是在鋼鐵企業內部建設的發電廠，其因是余熱發電和熱電聯產故具有發電成本底的優勢，輸變電成本也低。由于合同電力降低，企業可以使用低成本電力，降低電費支出。

5.4 電能管理系統節電技術

1）電力需求側管理

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

在能效管理中，企業應根據國內、國際先進水平和企業具體情況制定企業整體及各系統、單元的能效評價標準。能效評價標準中主要給出能效限定值和節能評價值兩個指標。

經濟運行：運行能效≥節能評價值

合理運行：運行限定值≤運行能耗<節能評價值

不節電運行：運行能效<能效限定值

負荷管理是保持發電、供電及用電的動態平衡，是電力系統安全可靠、優質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定，負荷的無功沖擊使電壓波動嚴重，負荷波動越大，配電網損耗也越大。負荷管理有調峰和調荷兩個內容，調峰是調整電力系統各發電廠在不同時間的發電輸出以適應各企業不同時間的用電需要。調荷是調整各企業的用電負荷和用電時間，使電力系統在不同時間內的用電負荷與發電輸出相平衡。調峰和調荷是一個問題（平衡發電、供電、用電）的兩個方面，提高調峰能力需要較高的成本，通過調整負荷可以減少對調峰的需求量。調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電、供電設備的利用率，減少電力工業的基建費用，降低供電網的損耗，提高電能質量和電網安全，在低谷時用電可以享受峰谷電價的優惠價。調整負荷的方法有日負荷調整方法（早、午、錯開上下班、午休和就餐時間，增加深夜用電班次，調整生產工序及采用蓄冷蓄熱節電技術）、周負荷調整方法（采取輪休制）及年負荷調整方法（峰值時段安排設備檢修及安排季節性生產計劃）。

2）電能平衡管理

電能平衡管理要符合國家有關標準和規定，對同類體系應有相同的明確邊界，使結果具有可比性。用電體系的邊界應包括所有組成單元和全部過程，電能平衡的基準計算量是電能量，非電能量形式的能量應折算成電能量。

3）產品電耗定額管理

電耗定額管理是加強電耗定額指標考核，促進鋼鐵企業節約用電，降低生產成本，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效率，提高企業管理水平。

電耗定額管理內容有定額申報與核定，定額編制、上報、統計、分析和考核，電能計量管理及影響產品電耗原因分析及改進等。

5.5 智能電網管理信息系統

智能電網管理信息系統是智能電網的數據源，可進行電能優化分配和故障診斷，應用專家系統為解決配電網和用電系統的高效優質、安全可靠運行提供決策意見，實現智能電網的節電目標，保證工藝生產的正常運行，最大限度地降低企業生產成本。智能電網管理信息系統是一個開放式結構，由電能計量裝置、數據處理服務器、數據庫服務器和客戶端服務器組成。

智能電網管理信息系統各監測點選擇要滿足配電網損耗、電能效率、電能利用率、產品單耗計算以及故障診斷的需求。電能計量裝置應選用基于頻域分析的數字式電能計量裝置，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，諧波分析次數最高為100次。數據處理服務器內裝有數據處理軟件，可將監測網系統結構、電氣參數、監測點代碼和電能計量更新信息自動傳送到其他相關服務器及監測裝置，自動接收各電能計量裝置上傳數據并自動將數據上傳數據庫服務器，具有電氣參數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據。數據庫服務器存儲由數據處理器上傳的監測分析數據，并兼做Web服務器，發布電能計量管理信息，定期自動清除早期數據。客戶端服務器可以是企業的服務器，也可以是上級主管部門的客戶服務器，客戶端服務器內裝有客戶電能管理信息系統分析軟件，具有監控功能和管理功能。

6 小結

智慧的地球需要智能的電力，鋼鐵企業智能電網建設首先需要解決鋼鐵企業內數據收集體系殘缺、通信體系兼容性差、應用系統相互割裂及數據缺乏深度利用等問題，建立電網運行和管理的“中樞神經系統”。實現實時的電網管理，通過電網和發電資產優化管理、智能電網成熟度模型及智能停電優化管理等方案，使發電、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，主動監管電力故障并進行迅速反應，實現智慧的電力供給和配送。

鋼鐵企業智能電網建設要靈活適宜，除了發電端硬件設備的投入外，電網本身數據從采集、傳輸到集成應用等各方面是智能電網建設的重點，它不是一個單純的技術問題，還涉及到鋼鐵企業電力管理的業務流程和管理模式。如何用結構化的方法和決策框架找到實現鋼鐵企業智能電網建設的步驟是鋼鐵企業電力部門工作的重點。