有色金屬加工企業(yè)變壓器節(jié)能的研究分析

李穎旭 王 斐

(中色科技股份有限公司蘇州分公司， 江蘇 蘇州 215026)

0 前言

近年來，國家對于節(jié)能的要求越來越高，工信部相繼發(fā)布高能耗設(shè)備的淘汰目錄，從國家層面上鼓勵淘汰高能耗產(chǎn)品，推行綠色發(fā)展的理念。有色金屬加工行業(yè)作為國家重工業(yè)的一部分，其電力系統(tǒng)的容量以及電能消耗量經(jīng)常為所在地區(qū)內(nèi)各電能消耗企業(yè)前列。

在企業(yè)正常運行的過程中，除去正常生產(chǎn)、生活的電能消耗，大量的電能消耗在電力系統(tǒng)中，這部分電能并不能產(chǎn)生任何產(chǎn)出，稱為損耗。在電力系統(tǒng)的損耗中，變壓器的損耗占了很大的比重。變壓器作為一種電壓轉(zhuǎn)換的電氣設(shè)備，在終端企業(yè)電力系統(tǒng)中大量存在，例如在一些大型的有色金屬加工企業(yè)，變壓器的數(shù)量甚至達到百臺以上。因此，為了響應(yīng)國家號召，也是從企業(yè)本身的利益出發(fā)，合理選擇配電變壓器就顯得尤為重要。

1 有色金屬加工企業(yè)變壓器應(yīng)用現(xiàn)狀

常用的電力變壓器分為干式變壓器和油浸變壓器[1]。近年來，干式變壓器由于具有低損耗、免維護等一系列的優(yōu)點得到大范圍應(yīng)用。現(xiàn)市面上常見的干式變壓器有SCB11、SCB12和SCB13。型號中的數(shù)字代表變壓器的性能水平，數(shù)字越大，則變壓器損耗越低，價格也越貴。

有色金屬加工行業(yè)作為我國傳統(tǒng)行業(yè)的一員，其發(fā)展可追溯至建國以前。在建國之初，我國有色金屬加工行業(yè)的發(fā)展極為落后，故國家對此也十分重視，推行各種政策，以鼓勵發(fā)展有色金屬加工行業(yè)的發(fā)展。在此期間，各類國有、民辦有色金屬加工企業(yè)如雨后春筍般遍布中國各地。現(xiàn)如今，我國已是有色金屬大國，產(chǎn)量及質(zhì)量均處于國際領(lǐng)先水平。

在這種行業(yè)背景下，國內(nèi)大部分有色金屬加工企業(yè)已生產(chǎn)發(fā)展數(shù)十年，許多企業(yè)甚至自建國之初就一直存在。在這幾十年的發(fā)展過程中，許多企業(yè)對內(nèi)部的電力系統(tǒng)進行了升級改造，但仍有不少的企業(yè)為節(jié)省技改投資，還在使用高損耗的電力變壓器，甚至是國家責(zé)令淘汰的設(shè)備。另外，由于建設(shè)單位希望節(jié)省一次投資，加上部分設(shè)計單位能力不足，未進行節(jié)能評價和計算，高損耗的變壓器仍頻繁出現(xiàn)在一些新建項目中。

2 變壓器的節(jié)能計算

2.1 變壓器損耗

2.1.1 變壓器的有功功率損耗

變壓器的有功功率損耗主要包括：1)空載損耗，即鐵損；2)負載損耗，銅損；3)其他損耗，一般忽略不計[1]。變壓器的有功功率損耗計算公式為[1]：

ΔP=P0+β2Pk

(1)

式中：ΔP——有功功率損耗，W；

P0——空載損耗，W；

β——變壓器的負荷率；

Pk——變壓器滿載時的負載損耗，W。

空載損耗僅與變壓器自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，為固定值，不隨變壓器負載變化而變化；β2Pk為負載損耗，一般來說，負載損耗占變壓器有功功率損耗的70%以上，與變壓器結(jié)構(gòu)和負載均有關(guān)，且變壓器負荷率越高，其負載損耗也越高。

P0和Pk的值自變壓器制造出廠就已確定下來，為變壓器的固有參數(shù)，均可從變壓器廠家處獲取。

2.1.2 變壓器的無功功率損耗

變壓器無功功率損耗的計算公式[1]為：

ΔQ=Q0+β2Qk

(2)

其中，

Q0=I0%×SN×100%

(3)

Qk=uk%×SN×100%

(4)

式中：ΔQ——無功功率損耗，var；

Q0——變壓器空載時的無功功率損耗，var；

Qk——變壓器滿載時的無功功率損耗，var。

SN——變壓器容量，VA；

I0——變壓器空載電流百分比，%；

uk——短路電壓百分比，%，可從變壓器廠家處獲取。

2.1.3 變壓器的有功電能損耗

隨著變壓器的運行，變壓器自身的有功功率損耗會產(chǎn)生有功電能損耗。這部分電能損耗會產(chǎn)生電費，計入企業(yè)運行的成本之中。變壓器年有功電能損耗的計算公式為[1]：

ΔW=P0t+β2Pkτ

(5)

式中：ΔW——年有功電能損耗，kW·h；

t——年工作小時，h，取365×24=8 760 h；

τ——年最大有功負荷利用小時數(shù)，h。一般來說，有色金屬加工行業(yè)τ值為3 000～4 000 h，具體根據(jù)有色金屬加工企業(yè)加工工藝流程和產(chǎn)品產(chǎn)能的不同而有所區(qū)別，此處計算取平均值3 500 h；

β——變壓器負荷率。通過調(diào)研多家有色金屬加工企業(yè)，大部分企業(yè)內(nèi)變壓器實際運行負荷率為70%～90%，計算取β=0.8。

2.2 SCB11、SCB12、SCB13干式變壓器節(jié)能計算

根據(jù)公式(1)～(5)計算 SCB11、SCB12、SCB13干式變壓器的各種損耗，結(jié)果見表1～表3。其中P0、Pk、I0、uk為原始參數(shù)，Q0、Qk、ΔP、ΔQ、ΔW為計算參數(shù)。需要注意的是，由于有色金屬加工設(shè)備普遍裝機容量較大且布置相對集中，出于經(jīng)濟性考慮，電力變壓器數(shù)量不宜過多，變壓器的容量一般不會小于1 000 kVA，故表1～3中僅列出了1 000～2 500 kVA變壓器的節(jié)能計算結(jié)果。

表1 SCB11干式變壓器節(jié)能計算

表2 SCB12干式變壓器節(jié)能計算

表3 SCB13干式變壓器節(jié)能計算

3 變壓器選型的經(jīng)濟計算

本文的變壓器選型經(jīng)濟計算分為兩部分：第一部分為新建項目中，變壓器選擇SCB12或SCB13干式變壓器相較于選擇SCB11干式變壓器的經(jīng)濟分析；第二部分為將高損耗變壓器(以SCB9干式變壓器為例)置換為SCB11～13干式變壓器的經(jīng)濟分析。

3.1 新建項目變壓器選擇的經(jīng)濟計算

選擇節(jié)能效果更好的變壓器有兩個好處：1)節(jié)省消耗在變壓器上的電費；2)無功功率損耗更低，可以減少電容補償?shù)耐顿Y[2-3]。

因此，若某一新建項目選擇節(jié)能效果更好的變壓器A比選擇節(jié)能效果稍差的變壓器B多花費了G元，則這部分資金的回收期T[1]應(yīng)為：

(6)

式中：ZC——單位容量電容器的投資，根據(jù)電容器品牌及質(zhì)量，投資浮動為30～120元/kvar，計算取ZC=70/1 000=0.07；

Jd——地區(qū)電價，元/kW·h；一般來說，電價隨所在區(qū)域及地方性政策不同有所變化。2019年全國各地工業(yè)用電的平均電價為0.45～0.75元/kW·h。

某著名合資品牌干式變壓器報價見表4。

表4 干式變壓器價格 萬元

以SCB11干式變壓器為基準，采購不同型號變壓器多花費的資金回收期見表5。

有色金屬加工行業(yè)技術(shù)經(jīng)濟計算的投資回報周期一般為15年及以上，很多已建工程項目也已正常生產(chǎn)運行20～30年。從表5中的數(shù)據(jù)可得知，在高電價區(qū)域，采購高節(jié)能效果的變壓器多支出的資金成本可以通過電費節(jié)約很快回收，并在資金回收期后仍能每年為企業(yè)持續(xù)地節(jié)約運行電費，因此選擇節(jié)能效果最好的變壓器最為合理，也更為符合國家節(jié)能政策；在低電價區(qū)域，購置高節(jié)能效果的變壓器多支付的資金回收期和行業(yè)投資回報周期相當。但從另一方面而言，變壓器生產(chǎn)廠家不斷地在進行技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進步，不斷制造出更為節(jié)能的變壓器，且未來國家可能會出臺更為優(yōu)厚的節(jié)能獎勵政策以及更為嚴厲的高損耗處罰條例和強制淘汰辦法。企業(yè)出于節(jié)省一次投資的考慮，采購處于國家要求臨界點的節(jié)能變壓器，或許暫時并不會有問題，但是卻存在運行不久就會被淘汰的風(fēng)險。因此，建設(shè)單位可以根據(jù)企業(yè)規(guī)劃酌情考慮變壓器的選擇。

表5 資金回收期計算表 年

3.2 變壓器置換的經(jīng)濟計算

對于正在運行的淘汰型號變壓器應(yīng)按照國家政策要求進行置換。以SCB9干式變壓器為例，計算將高能耗變壓器置換為節(jié)能效果更好的變壓器的節(jié)能數(shù)據(jù)，結(jié)果見表6～表7。

表6 SCB9干式變壓器節(jié)能計算

表7 變壓器置換每年節(jié)電量 kW·h

從表7可知，高能耗變壓器置換每年每臺可以節(jié)約大量電能，且變壓器容量越大，置換變壓器節(jié)省的電量就越多。

在考慮了舊變壓器殘余價值的情況下，新購置一臺變壓器的一次投資也是一筆不小的費用，其資金回收期較長。但是當企業(yè)在遇到變壓器故障需要修理或場址搬遷等情況，面對變壓器的維修費用、運輸費用時，可綜合考慮進行經(jīng)濟比較，直接置換變壓器也不失為一種更優(yōu)的選擇。

4 結(jié)論

變壓器節(jié)能具有重要的意義，工程建設(shè)單位和設(shè)計單位都應(yīng)當加強節(jié)能意識，提高對節(jié)能的重視。根據(jù)前文的論述，得出以下結(jié)論：

1) 在高電價區(qū)域，新建工程項目應(yīng)當選擇最新型的節(jié)能變壓器。

2) 在低電價區(qū)域，有條件的情況下盡可能選擇最新型的節(jié)能變壓器。

3) 正常生產(chǎn)的企業(yè)中，對于S10、SCB10系列及之前系列的變壓器、運行年份超15年的變壓器，建議結(jié)合企業(yè)發(fā)展規(guī)劃，借助企業(yè)技術(shù)改造升級或廠址搬遷的機會更換為最新型的節(jié)能變壓器。

4) 因故障損壞的變壓器，應(yīng)進行經(jīng)濟計算，再決定修理或置換為最新型的節(jié)能變壓器。