淺談水泥工廠的電氣節能設計

滕 震 肖 馳

（南京凱盛國際工程有限公司，江蘇 南京 210036）

水泥生產的高能耗主要是消耗了大量以電能為主的能源。在全面推動節能減排的環境下，水泥設計院所和生產企業必須對生產的高耗能問題進行分析研究，尤其從降低生產過程的電能消耗著手。為此，本文提出了相關的電氣節能設計方案以供參考。

1 水泥工廠電氣節能設計的設想

水泥工廠主工藝節能設計方案宜選用先進的生產工藝和節能裝備。燒成系統計宜采用工業廢物、生活垃圾或污泥替代部分原料或燃料，并做好保溫。新建、擴建水泥工廠配套增加余熱發電系統并網發電。

電氣節能設計主要是在工藝方案確定的情況下對電網供配電系統進行合理的節能規劃設計。主要包括合理設計供配電系統，提高供配電系統的功率因數，減少線路損耗；選用高效節能電動機；選用節能型的變壓器；設計更加節能的照明系統；對工廠的電網進行技術升級，智能監控大功率設備的用電情況，及時發現異常耗電的設備，分析主要耗電對象的特性以期節能方案；采用先進的人工智能控制技術，科學的智能優化控制，從而有效節能。

2 水泥工廠電氣節能的具體設計

2.1 合理設計供配電系統

水泥工廠供配電系統應進行合理的負荷計算，按電源條件、負荷特點合理確定變電所（站、室）的位置、電壓等級，以及系統的結線方式，按需要配置無功功率補償及諧波抑制裝置，合理選擇節能型電氣設備。

電源電壓等級需根據總裝機功率、上級電源點至廠區的距離和上級電源點的最高供電電壓確定。根據負荷大小和電源的輸送距離配置廠區各配變電站的電源電壓等級。同時需要考慮變配電站的位置應接近負荷中心，減小變壓級數。一般水泥工廠的主要電壓等級有110kV，35kV，10kV，0.69kV，0.4kV。

根據《工業與民用供配電設計手冊》負荷計算和節能章節內容介紹：

1）電網升壓后的功率損耗降低百分率如下表：

2）電力系統三相線路的有功功率損耗和無功功率損耗為：

?

其中R=rl，X=xl

上式中△PL——三相線路中有功功率損耗，kW；

△QL——三相線路中無功功率損耗，kvar；

R——每相線路電阻，Ω；

X——每相線路電抗，Ω；

l——線路計算長度，km；

IC——計算相電流，A；

R、x——線路單位長度的交流電阻和電抗，Ω/km；

由此可得，當線路中通過的電流和電纜截面積一定時，線路越長電阻越大，線路損耗越大；當線路中通過的電流和線路長度一定時，電纜截面積越大，線路損耗越小；當負載一定，電網電壓等級越大，電流越小，線路損耗越小。

綜上，通過選擇合適的電壓等級、減少配電半徑、選擇適當的電纜的截面積可有效降低線路中的電能損耗，實現供電線路的節能。另外，因電纜敷設環境和敷設方式不同，還應考慮電纜的溫升對于電力系統損耗的影響，對電纜的載流量進行相應的溫度校正。

電氣設計需根據廠區的布置情況，確定各工藝段的裝機和負荷情況合理選擇總降壓站的電壓等級，合理設置配電站數量和電氣室變壓器數量及容量，選用合理的配電方案，使配電系統可以更加靈活的應對因生產任務變化而導致的負荷變化，有效避免輕載運行時出現的電能損耗。

2.2 提高供配電系統的功率因數

水泥工廠的負載類型復雜，功率因數普遍偏低。低功率因數的電力系統不僅系統運行不穩定還會產生更多的無功電能消耗。

配電系統消耗的無功功率中，一般異步電動機約占70%，變壓器約占20%，線路約占10%，因此首先需從提高系統的自然功率因數著手，不足部分再裝設人工補償。提高系統的自然功率因數可以通過合理選擇功率因數較高的電動機、選用高功率因數的節能型變壓器來實現。

目前水泥行業的人工補償普遍采用總降壓站補償、配電站、低壓變壓器和設備補償相結合，以就地平衡為主，共同做好無功補償的配置。工程設計選用并聯多組投切的電容器組，根據負載的電壓、電流和所需無功功率情況，自由組合容量，自動計算，自動循環投切電容器組，使無功補償的功率因數不低于設計值。

通過提高電網的功率因數，可以減少線路損耗及變壓器的銅耗，減少電網電源向感性負荷提供的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

2.3 優化提高電動機節能

電動機是為水泥生產提供動力的重要耗電設備，水泥工廠的大功率設備的電機普遍功率因數和機械傳動效率較低，是水泥工廠節能設計的主要切入對象。

工程設計需先從電動機的選型入手，盡量選擇傳動效率和功率因數優質的電機產品，同時電機額定功率需和拖動設備匹配，避免“大馬拉小車”，平均負荷率低于40%的電動機，應予以更換。功率較大、經常恒速運行的設備，應盡量采用同步電動機。對于有調速需求的設備或者大功率的風機類負載，盡量采用變頻調速的方式，避免全速運行所造成的電能損失。繞線電機負載設備如水泥磨主電機、輥壓機、破碎機等，宜采用水電阻起動、進相機就地補償的方式，提高電動機自身的功率因數、降低電動機定子電流，以達到節能狀態。

近些年永磁調速、永磁耦合器等產品不斷地推廣應用于水泥行業，提高了電機效率，增加了傳動效率，為行業的綠色節能提供了新方案。

2.4 選用節能型的變壓器

變壓器的損耗包含：有功功率損耗和無功功率的損耗。有功功率的損耗有鐵損和銅損，鐵損成為空載損耗，銅損與變壓器的負載電流成正比。無功損耗一部分為勵磁電流損耗，與變壓器鐵芯有關；另一部分為一、二次繞組的漏磁電抗損耗，與負載電流的平方成正比。

因此設計時根據相關國標和地方綠色建筑標準要求選擇高效節能型的變壓器，減少變壓器的有功及無功損耗。另外，要合理選擇變壓器的容量，使變壓器的負載率控制在75% -85%之間，當負載率低于45%，應按照實際情況考慮將變壓器容量降一檔；當負載率超過85%時，應考慮將變壓器容量升一檔，這樣既保證變壓器有較小的空載負荷又有一定的容量富余。

2.5 照明系統的節能設計

照明系統的節能設計要在保證照明質量和照度的前提下，盡可能地合理布置照明燈具；同時選擇照明光源時，在符合光照度和顯色等標準指數的同時，盡量選擇高效節能LED燈。在室內區域允許的情況下，盡可能的利用自熱光，建筑專業可以通過設計提高室內表面的反射比、增加采光窗等方式引自然光入車間內部。

在光照充足的區域，可以通過太陽能發電的方式為非保證生產的場合提供備用能源使用。近年來光伏發電產業的蓬勃發展，可在景觀區、生活區、辦公區等場所引入太陽能蓄電池組或者其它太陽能設施，從而節省電網電能的投入。

工程設計可引入廠區智能照明系統和廠區景觀亮化系統，合理設計，智能亮度調節，智能分區分時分組控制，在方便廠區生產生活照明管理的前提下，優化照明方案，減少照明系統耗電。

2.6 人工智能控制節能

近年來，水泥行業在不斷的引入和完善先進智能制造技術，通過專家系統的采用使水泥工廠在提高了自動化水平的同時，也使得水泥工廠的定員人數降到了百人以下，從傳統的人工經驗參數控制到科學的智能優化控制，增加關鍵工藝智能測點，實時監測電網負荷及各種關鍵設備的運行狀態，在水泥產能及品質穩定的同時，使調速設備長期處于最優運行頻率，同時優化燃料的投入，及時發現異常耗電設備。

2.7 引入能效管理系統

能效管理系統可為工廠節能提供相關數據的支持，能夠存儲海量的歷史數據，讓客戶動態掌握全廠的用電情況，根據自身企業狀況，設定能源管理目標，將實際能耗與目標管理進行分析，查找和發現問題，助力改進提高管理水平，以達到降低能耗的目的。另外通過分析用電峰值，可探索優化錯峰生產的方案等。

近年來，一些水泥企業自行改造新增定制電力需求管理系統，通過第三方企業提供的電力云平臺管理方案，資金投入低，運維簡單，可通過移動端實時查看相關的運行數據和用電異常情況，為企業尋求科學管理和節能提供了一種解決方案。

3 結語

通過對水泥工廠電氣節能設計，可以節約工廠電能損耗，進一步提升水泥生產效率，在節省電能的同時也減少了水泥工廠運營資金投入。提高工廠生產過程中的電能利用率，采用先進的節能設備和合理設計方案，根據工程設計的實際情況綜合控制節能產品的投入，在節能環保的同時避免不必要的資金投入，以產生較好的社會效益和經濟效益。