電氣節能在工業電氣設計中的應用分析

董梅

（甘肅土木工程科學研究院 甘肅蘭州 730020）

引言

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

1 工業企業電氣節能的必要性

1.1 我國工業企業現狀的要求

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

1.2 促進我國經濟可持續發展的要求

以往在經濟發展中，能源消耗量非常大，環境污染問題也極為嚴重。而現階段人們開始重視可持續發展，即尋求資源、環境和經濟的協調發展。當下的工業發展應該注重電氣節能和增加電能利用率，這才能滿足可持續發展的要求。

2 電氣節能設計方案

2.1 應結合實際情況構建廠內電氣綜合節能系統

選擇哈密南崗水泥廠的電能采集系統來進行自動化改造，用智能化數字電能測量表代替過去的機械電表，在通信技術的幫助下，將實時的變電所用電量信息上傳給變電站監控室，同時為監控室安裝計算機系統，構建用于電氣能量監視與管理的軟件平臺，以此來完成對企業電能消耗的內部考核計量和關口計量，另外對廠區生活區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，這也是一種體現電能節能的方式。

2.2 應構建基于電氣節能的集成化監控與調度優化工作平臺

在進行集成化監控和調度優化工作平臺的構建時，必須全面考慮到哈密南崗水泥廠的具體情況，以此為依據來展開平臺的構建，這樣才能夠完成電氣節能的目的。整個監控系統的基本框架結構如圖1所示。結合圖1分析，該電器節能集成化監控系統分為兩個部分，即現場總線網絡和局域網。總線網絡既可以自動監測和聯動控制企業配電網地層設備和輸變電線路，同時還能夠完成與廠內車間級監控主機系統之間的信息傳輸；而局網線則可以將企業的變配電站、車間監控系統連接到一起，以實現彼此之間的信息共享和集成監控。這樣就能夠根據具體的變配電情況，優化電網的有功潮流和無功潮流。

圖1 集成化監控系統基本框架結構示意圖

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據進行分析發現，功率因數低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、維護不當等原因，根本無發發揮應有作用。諧波問題在上述6座低壓配電室中都有所發生，這都會影響電力設備的運行。在進行上述，低壓配電室的電氣節能設計時，必須綜合考慮低壓配電室的功率因數與諧波含量，根據二者之間的關系，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，在動態變化下，負載水平會改變系統無功功率。所以在進行該類配電室的無功補償時，應采用智能化無功補償裝置，通過分級和動態補償的方法，來提高，功率因數，使其保持在0.96。②如果低壓配電室的功率因數適中，但是諧波含量超出一般水平，動態變化下的變頻器、空調等非線性負載也會影響諧波含量。在設計無功補償方案時，需要考慮上述情況，具體的可以選擇以下治理方式：多組單調諧無源濾波器治理特定次數諧波；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，在考慮節能改造成本的基礎上，可以選擇安裝單調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有源濾波系統對整流裝置來完成對上述情況的。在電網0.38kV側安裝混合型動態有源濾波器，這樣由源濾波器向電網輸出的濾波就會經過輸出濾波器的處理，這樣做的優點有兩方面：第一，利用電網諧波動態完成對諧波的治理；第二，在在完成諧波治理的同時進行無功補償。在上述措施應用之后，配電室的功率因素穩定在0.96，同時整流裝置的運行狀態也比較正常。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諧波的動態治理，從而加強諧波治理的效果。并且還可以對電網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，安全穩定的運行。各10kV配電站的高壓母線上設靜電電容器補償，補償后功率因數達到0.93。采用功率因數的補償可以減少線路損耗與變壓器的損耗，在設計階段就需要做好補償設計，減少相應的損耗。

4 工業電氣設計中的電氣節能措施

4.1 合理設計供配電系統

在進行工業電氣設計過程中要充分考慮工業電氣的需求，做好配供電系統的設計，對配供電系統進行優化，達到節能降損的目的。在供配電系統設計上，減少供配電系統的環節數量，對供配電系統進行合理的精簡，降低造價，減少能源的損耗，合理設置總變電所及供配電室在廠區的位置。在電氣設備選型時，應考慮供電電壓等級，避免由于電壓問題造成的損耗過多。在變電所設計時，對于負荷較集中且距電力室較遠的配電設備區域設置變配電室。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。如果供配電區域面積過大，最好采用合理的規劃，配置多個變配電室，減少配電線路距離。

在廠區總平面圖設計過程中，應由工藝專業設計人員和電氣設計人員共同參與，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的電力室內，盡可能地減少廠區配電線路損耗，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地選擇，以實現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的，變壓器的特性也與其密切的聯系。而空載損耗和負荷的關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。根據經驗值分析，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高效節能的新型變壓器是比較理想的選擇。現階段我國很多的工業企業中都存在著老變壓器數量巨大的現象，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，應先將那些技術特性比較差的變壓器淘汰掉，選擇新型高效節能的變壓器，做到小投入，大產出的良好效果。全密封式配電變壓器是一種節能變壓器，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質冷軋薄板在專用生產線上制造，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，這樣就可以有效的減少油劣化和絕緣受潮的現象，工作的可靠性也得到了加強，達到了節能減排的預期。

4.3 優化照明系統設計

工業、企業電氣照明設計并沒有民用建筑照明設計復雜，但是在裝置中同時使用的燈具數量大。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當中使用量大、面廣，也發揮了其應有的作用，但在新興光源的推出后逐漸失去了原有的主導地位，其光效低、壽命短、功率因數低，起動時間長等缺點，已經不能滿足現代企業的照明要求。所以，現在推出了電磁感應燈、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，電能節約，費用會逐漸降低。②過去對光源的控制不能達到節能的效果。如采用適當的措施，如光控、時控、穩壓輸出等，則每年可以節約大量的電能。

5 結語

本文以哈密南崗水泥廠的電氣系統節能改造實例為分析對象，對哈密南崗水泥廠電氣系統所出現的問題進行了探討分析，比如無功損耗較大、諧波含量高、電能測量與監控缺乏集成性、功率因數偏低等等。然后結合具體的情況，制定了科學合理的電氣節能的改造與設計方案，該方案建立在車間用電的數字化總線采集以及電氣能量監視管理工作平臺基礎之上，根據具體水泥廠具體情況，對功率因數和諧波較低、功率因數正常諧波較高和諧波高功率因數低的三種情況進行了具體的分析，并提出了相應的處理方案。經實際驗證表明，經過工藝和電氣改造之后，哈密南崗水泥廠的水泥產量得到了很大的提高，每天水泥產量比改造前多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%，節能增產效果顯著，電氣節能設計的目的得到了有效的實現。