發光二極管燈在電廠環保改造中應用的經濟性分析

強曉峰

上海電氣自動化設計研究所有限公司 上海 200023

1 課題背景

筆者在發電廠改造設計中發現，原有的機組及控制室等處大規模使用金屬鹵化物燈、熒光燈等傳統光源，在長時間運行過程中產生了過多的能耗。

根據光的產生原理，電光源主要分為兩大類。一類是以熱輻射作為光輻射原理的電光源，包括白熾燈和鹵鎢燈，它們都是以鎢絲為輻射體，通電后達到白熾溫度，產生熱輻射。這種光源稱為熱輻射光源，目前仍是重要的照明光源，應用數量大，但存在發光效率低、發熱溫度高、壽命短、能耗大等缺點。另一類是各種氣體放電光源，它們主要以原子輻射形式產生光輻射。而根據這些光源中氣體的壓力，又可分為低壓氣體放電光源和高壓氣體放電光源，其缺點是光色稍差，重新啟動慢，紫外線含量高，填充物含毒性。

隨著發光二極管（LED）照明燈具的不斷興起，火力發電廠照明中應用LED燈具越來越廣泛。LED燈具在電廠中的大量應用，提高了生產人員的工作效率，改善了工作環境［1］，同時降低了電廠用電率，減少了維護的工作量和成本，并提高了經濟效益?？梢?，選擇采用高效率的照明燈具是電廠照明設計中重要的節能措施［2］。

2 LED光源技術優勢

LED光源利用固體半導體芯片作為發光材料［3］，目前廣泛應用于各種照明場合。LED光源的技術優勢有以下幾個方面。

（1）發光效率高。LED燈經過幾十年的技術發展，發光效率有了較大提高。白熾燈光效為12～24 l m／W，熒光燈光效為50～70 l m／W，鈉燈光效為90～140 l m／W，它們大部分的耗電轉換為熱量損耗。而LED燈光效經改良后將達到50～200 l m／W，而且光的單色性好，光譜窄，無需過濾便可直接發出有色可見光。

（2）耗電量小。LED燈單管功率為0.03～0.06 W，采用直流驅動，單管驅動電壓為1.5～3.5 V，電流為15～18 mA，反應速度快，可進行高頻操作。

（3）使用壽命長，可靠性高。LED燈的使用壽命是普通燈管的十倍、白熾燈的百倍。LED燈體積小，質量輕，維護成本低，對環境友好，可控光強，能適應頻繁的開關操作。

3 電廠環保改造經濟性對比

在工程實際應用中，如何合理選擇光源，應根據工程的具體性質、使用場所、人員視覺要求、照明數量和質量來確定。在滿足顯色性、啟動時間等要求的條件下，常從發光效率高、顯色性好、使用壽命長、啟動可靠、方便快捷、性能價格比高等方面選擇高效光源［4］。

3.1 改造環境

電廠環保改造中的照明設計包含室內和戶外照明。室內一般為配電間和倉庫等，樓層不是很高。戶外為電廠新增環保裝置的平臺照明。環保裝置附近的環境比較惡劣，為多塵、高溫、蒸汽、振動和含腐蝕性氣體環境。采用燈具要求為透光性強、防護等級高的塵密型燈具。

3.2 場所對比

環保系統中，照明主要是配套戶外設備平臺使用，多為鋼平臺的立桿燈照明。系統可通過用戶自定義用電范圍和時段、對比對象來進行負荷統計分析，并提供各類統計分析報表及圖表。

3.3 燈具種類對比

早期建設發電設備廠房，多采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統光源。環保改造時設計LED燈。可通過用戶自定義用電范圍和時段、對比對象來進行電量統計分析，并提供統計報表等。

3.4 成本分析

通過對改造區域燈具數量變化，以及單價和用電量成本進行計算，可以實現精確的成本分析和分配，從而確定實際的生產成本和分配。

4 應用分析

某電廠環保改造項目中，機組平臺間隔高度為3 m，原有設計中采用了2.5 m金屬鹵化物燈，現計劃采用LED燈。應用DIALux軟件布置模擬照度進行對比。

4.1 燈具參數

盡量選擇功率相近的不同光源燈具進行對比。由表1可以看出，光效等級從高到低排序為LED燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈。另外，對顯色性從高到低排序，同樣為LED燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈。

表1 燈具參數對比

根據我國道路標準，重要人行通道的平均照度維持值Eav為20 l x，電廠平臺技術協議中要求Eav為30 lx。以廣東陽西某電廠環保改造為例，兩邊新增環保平臺，選取一層長25 m、寬7.6 m的鋼結構戶外平臺分別模擬金屬鹵化物燈和LED燈的照明效果，進行分析。

4.2 光照強度

選擇金屬鹵化物燈和LED燈極坐標配光曲線三個截面，分別如圖1、圖2所示。

圖1 金屬鹵化物燈配光曲線

不同型號的燈具對應各自唯一的配光曲線，所選取的燈具為能適合工作平臺的泛光立桿燈。對照圖1、圖2可見，0～180°所示紅色曲線表面兩種燈具照射范圍及光強近似，其它角度分析表明金屬鹵化物燈局部照射點略強于LED燈，而LED照射范圍略大。對于用作走道的平臺照明而言，兩種燈具皆能滿足要求。

圖2 LED燈配光曲線

4.3 等光強曲線和模擬照度

光源尺寸與光源到計算點之間的距離相比，小得多，因此可將光源視為點光源。點光源的照度Eh為：

式中：Iθ為照射方向的光強，cd；R為點光源至被照面計算點的距離，m；θ為被照面法線與入射光線的夾角。

在一定安裝條件下，實際效能EV為：

式中：PL為燈具功率，W；N為燈具數量；S為工作面積，m2；I為工作面平均照度，lx。

考慮到計算出的值比較小，不方便引用和表達，因此可在等式兩邊同時乘以100，將數值放大，以便更直觀地使用、表達并對比。實際效能既可以在燈具安裝后經現場測試計算得出，也可以通過DiaLux專業照明設計軟件模擬得出。金屬鹵化物燈與LED燈的等光強曲線分別如圖3、圖4所示，兩者的模擬照度分別見表2、表3。

圖3 金屬鹵化物燈等光強曲線

圖4 LED燈等光強曲線

表2 金屬鹵化物燈模擬照度 lx

表3 LED燈模擬照度 lx

4.4 應用效果

由圖3、圖4、表2、表3可以看出，在相同大小與安裝高度的情況下，LED燈等光強曲線范圍略大于金屬鹵化物燈，這樣在滿足平均照度規范要求的前提下，原有三盞金屬鹵化物燈的照度值使用兩盞LED燈就能滿足。

在相同前提下，近200 m2的平臺就能節省一盞燈具。單套LED燈較金屬鹵化物燈功率降低10 W，按每天開燈12 h、全年365 d計算，可減小電量43.8 k Wh。發電功率1 000 MW的改造項目，約需要1 800 m2的戶外平臺，采用LED燈具較金屬鹵化物燈數量能減少十盞，單套機組一年就能節省438 k Wh電量。

據有關統計，每節約1 k Wh電量，就相應節約0.4 kg標準煤，同時減少排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物［6］。這樣，每年僅單套環保改造機組新建平臺就能節省約500 k Wh電量，相當于節約200 kg標準煤，同時減少排放136 kg碳粉塵、499 kg二氧化碳、15 kg二氧化硫、7.5 kg氮氧化物，可見環保效果非常顯著。

5 社會效益分析

電價時段分為高峰時段、普通時段、低谷時段，在高峰時段，大量耗電將產生高額的電費。通過合理設計和利用新技術，在電廠等照明控制簡單的場合，能起到節能作用［7］。采用簡單的時空光控器，就能避免過去無人操作長明燈的情況，實現對照明設備進行智能化控制，延長燈具使用壽命，并將照明設備的使用放在普通時段甚至是低谷時段。合理計劃電能使用，優化用電配置，積少成多，可以節省相當部分的能耗［8］，所產生的社會效益顯而易見。

6 結束語

在電能消耗中，照明用電量占發電總量的比例，發達國家為19%，我國為12%［9］。隨著經濟的進一步發展，照明用電量所占的比例必將進一步增大。各行業企業的利潤與能源的合理使用有很大關聯，電費可直接影響企業的最終利潤［10］。如果期望具有較大的能源投資回報率，就應對企業的各類能源消耗進行優化，并進行積極管理。在保證生產任務開展的同時，在新增設備和廠房設計應用中，可以使用新興低能耗設備，并在每年維護保養期間對其成本進行計算，同時對使用期限進行可行性分析。通過對照度要求進行分析，并執行優化控制，可以對照明設備進行合理優化，細化控制成本，提高廠區管理水平，進而加強整體能源優化調度與管理。