電能質量和能效管理相結合在節電節能中的工程應用

上海以華電氣技術有限公司 鄧劍琪

0 前言

隨著社會發展和節能減排意識的提高，用電節電特別是工廠能效管理引起了廣泛關注。將電能質量管理引入節電節能，采用電能質量和能效管理相結合的解決方案，可以為廣大工業用戶提供全面的能效管理和計費管理、以及電能質量治理和設備控制。

電能質量管理是通過保證所提供電力的技術指標和供電連續性，在完成電力供應滿足用戶需求的同時，減少劣質電能對工廠生產和電力消耗的不利影響，最終實現優質電力帶來優質經濟生產的系統活動。

電能質量和可靠性問題會帶來生產、收入和利潤的損失。具體體現在過程中斷及生產停滯、設備損壞或老化、人工和廢材增加、電能利用率下降等非預期的損失上；治理和改善電能質量的經濟性原則是，應保證劣質電能增加成本和治理措施投入成本的收支平衡，引入電能質量經濟性調查的方法。

將電能質量與能效管理相結合的解決方案，包括了“數據監測分析—電能質量治理—設備系統節能—管理化節能”，在本文中我們將結合實際工程應用進行研究。

電能監測、計量和管理：

全面分析電網狀況和實時能耗，發現電網和設備中所存在的電能質量問題，根據工廠負荷的情況進行電能改善和新生產線的規劃；通過技術經濟優選確定規劃方案，提高電能質量水平、減少停電維修的時間，進行有意義的優質用電。

電能質量治理和設備控制：

使用動態無功補償、有源濾波器、動態電壓調節器、系統節電器等治理設備，以達到提高功率因數、濾除諧波、穩定電壓、消除閃變的目的，同時由于無功電流和諧波電流的大幅度降低，提高了變壓器的帶負載能力、具有降損增容的效果。

能效管理信息化節能：

能效管理基于實際數據的用電量分析進行管理和控制，建立完善的能源管理流程，進行能源消耗的數字化、精細化管理，減少能源浪費和支出費用；建立具體可行的能源考核機制，改變人的生產理念和行為習慣來實現主動節能。

1.電能監測、計量和管理：某汽車工廠使用電能質量監測進行規劃和節能

電能質量問題解決措施的決策一般可以分為兩類：一類是問題預防型決策，即規劃階段的決策；另一類是問題解決型決策，即生產過程中發生問題后的解決措施決策。

在某汽車工廠變電所內，安裝了33臺電能質量監測黑匣子、6套動態無功補償設備，全面分析電網狀況和實時能耗，根據工廠負荷的情況進行新生產線的規劃決策和電能質量改善，基于實際數據的分析和治理進行了有意義的優質用電。

圖1 電能質量監測系統配置圖

該工廠建成后汽車銷量每年遞增，過去使用的采集系統只能提供一些設備使用以及負荷趨勢的數據，每次建立新的生產線電氣工程師都會遇到一定的決策困難。使用電能質量監測系統可提供每日、每月、每年的設備運行情況與電能數據，實現了電能質量監測、企業能源管理、設備狀態監測三位一體的診斷系統，可以對生產線和設備進行工藝的優化、有針對性的檢修，可以有效降低工廠的能耗水平，還可以顯示連續一年的每一個周波的電能質量數據，以及電能質量事件和事件發生的時間、地點、嚴重度，工廠為設備

擴容做出計劃和進行經濟性分析感到很滿意。

圖2 電能質量經濟性分析流程圖

電能質量經濟性分析法通過監測和分析，找到影響生產的主要電能質量問題及其產生的原因，在明確治理層面后可以對治理措施進行選擇決策。治理措施的選擇應分為兩個層面：技術層面和經濟層面，并通過技術經濟分析法來最終確定。

技術層面要選擇能夠解決該類問題的措施和方法，經濟層面要考慮該措施的投資、維護成本及所帶來的收益。技術經濟分析一般可采用凈現值法（NPV）和投資回收期法（PBT）。現金流出應包含治理設備的投資和每年的維護費用，現金流入應包含治理后避免的電能質量問題的損失及設備折舊。凈現值（NPV）的計算公式為：(1)

式中：CFt為t年末凈現金流；r為平均年利率或貼現率；T為電能質量治理設備全壽命周期，一般以年為計算單位的設備經濟壽命周期。

該汽車工廠以前的無功補償是使用接觸器投切的系統，因為投切響應時間的不夠加劇了電壓的波動，接觸器和電容器因頻繁投切操作而經常損壞，通過電能質量監測系統檢測到了這些問題的發生，劣質的電能質量也影響到了工廠的實際生產。該汽車廠在設備擴容時，為了增加電能使用效率并達到可靠的電能質量，更換了更為先進的產品生命周期預計為10年的動態無功補償系統。

電能質量監測系統、動態無功補償系統的使用提高了汽車廠的生產穩定性并增加了電能利用率，優質的工廠用電對產品質量的提高也做出了貢獻。

2.電能質量治理和設備控制：某橡膠公司密煉機進行無功補償及諧波治理和節能

電力節能技術涉及諸多方面，電能質量也是節能降損的一個重要手段。某橡膠有限公司是世界輪胎50強，隨著企業生產的發展用電量也在不斷增長。在公司用電設備中，密煉機用電量占生產用電的30%以上。壓膠等生產特性決定了密煉機負荷變化頻繁且劇烈，導致用電系統功率因數低、變壓器效率低、用電損耗大，同時由于功率因數低、高頻諧波電流含量高，實際線損比較大，趨膚效應和鄰近效應比工頻電流嚴重得多。

密煉機工作規律性強，具有明顯的工作周期；工作過程電壓波動大，電流的瞬間變化也十分大，具有很大的無功沖擊電流，設備工作時功率因數僅有0.3-0.5。密煉機一般采用直流調速器驅動，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 密煉機系統拓撲圖

用戶經濟效益主要包括以下幾個方面：一、系統電能消耗的降低；二、功率因數提高帶來的無功損耗降低；三、線損的降低；四、變壓器損耗的降低，發熱量減小及使用壽命的增加。

在投入無源濾波器之后，功率因數提高、諧波電流下降，變壓器溫升顯著降低，詳細數據見表1和表2。

表1 設備運行前后諧波電流變化值

表2 設備運行前后的變壓器參數變化值

從節能角度來看節能效果也很明顯，主要表現在以下幾個方面：

（1）變壓器增容及損耗節省值

S1為補償前視在功率，S2為補償后視在功率，Se為變壓器額定功率，Uk為6%。

2000kVA變壓器的短路有功損耗查數據手冊取Pk=25kW，短路無功損耗取Qk=Uk*Se，無功經濟當量取λ=0.1，則節省的有功損耗為：

變壓器增容△S=；變壓器損耗節省值△PB=19.7kW。

（2）線路損耗節省值

有功功率為P，平均功率因數cosφ1=0.50，平均線損率為r，裝置投入前線損為Ps1=P*r；補償裝置投入后，功率因數提高到cosφ2=0.95，線損下降到Ps2，有功損耗下降值為：

根據研究目的的需要，選擇了局部空間自相關的方法，對福州市區域經濟差異進一步分析。局部自相關作為空間自相關的一種，是反映每個區域與周邊地區之間同一屬性值的相似性，用來驗證局部區域存在的空間異質性。通常用空間聯系的局域指標(LISA)和Moran散點圖等進行度量[6]。

r一般取2%，計算得Cb=1.03%，補償1134kVar無功，所以線損減少值為：

3.能效管理信息化節能：某模具材料公司使用能效管理信息系統進行節能

某模具材料有限公司成立于2002年，公司大的能耗設備有淬火爐、電渣爐、中頻爐、加熱退火爐、真空爐、鍛壓機、水泵等等，經過對現場設備能耗的調研，概括該公司的能源特征是：

（1）能源分布廣，分布在兩個大車間以及室外等地方；

（2）每月能源基數大，電能費用折合高達160～170萬元；

（3）管理精細化有待提高，雖然能通過原始的巡視抄表來統計能耗管理，但不能做到對能耗數據的實時查看和調取，對于能耗過大或能耗異常等情況不能及時掌握并定位。

通過“電能質量+能效管理”解決方案實現了以下目標：

（1）有效的監測和治理，防止電能質量和可靠性問題帶來生產、收入和利潤的損失。

（2）全面地掌握了工廠的生產信息，對工廠設備改造、工藝改造提供了方向和指導。

（3）建立完善的能源管理流程，進行能源消耗的數字化、精細化管理，減少能源浪費。

（4）建立具體可行的能源考核機制，改變人的生產理念和行為習慣來實現主動節能。

圖4 能耗設備信息采集和分析流程圖

圖4所示是對于能耗設備的信息采集、評估分析以及節能方案的專項診斷，同時當設備長時間超負荷運行或異常運行，系統也會進行報警提示。工廠也建立了能耗監測評估和考核分析的整體評估體系，能效管理信息系統的架構拓撲圖如圖5所示：

圖5 能效管理信息系統架構圖

數據采集層是采集現場設備數據并上傳的各類能耗監測設備，能效管理信息平臺對能源消耗水平、利用效率進行監測、診斷和評價，也可以對歷史數據進行縱向對比，分析其能耗特點，提供節能改造的方向和能源優化的重點，還可以參照回歸經驗值對比、參考標準值對比、計劃需量對比進行能源精細化管理和控制。

工廠根據能效管理信息系統，從全局能耗調度、生產過程管理、能耗效率挖掘、生產工藝優化、電能質量治理等多方面進行改進，建立完善的能源管理流程，進行能源消耗的數字化、精細化管理，能耗考核體系的建立對于全體員工節能意識和節能理念的建立也起到了很好的作用。目前工廠的月能耗費用基本在160萬左右，按照7%的節能率來計算，一年可以帶來一百多萬能耗降低的直接經濟效益。

4.結束語

電能質量注重于電網監測產品和電能治理產品的結合，它通過一系列的設備來幫助企業提高工廠的電能質量，實現優質電力帶來優質經濟生產的系統活動。而能效管理基于實際數據的用電量分析進行管理和控制，以及改變人的生產理念和行為習慣來實現主動節能。將電能質量與能效管理相結合的解決方案融合了兩者的優點，在用電節電方面達到了良好的效果。