油田配電系統節能技術研究

杜振華 嚴少剛 張暢樂

（中海油節能環保服務有限公司）

石油、化工企業屬于高能耗企業，在“雙碳”的發展背景下，節能降碳是企業走綠色發展道路的必然路徑。近些年隨著節能型設備和節能技改措施在石油、化工企業的大范圍推廣，企業的二氧化碳排放逐步減少。但是，企業也面臨著節能空間不斷萎縮的困境。供配電系統通過優化改造可以降低變壓器和線路的損耗，而在工程實際中變更變壓器選址、更換配電電纜以及更換低損耗變壓器的工程難度以及經濟性不是非常理想。因此通過改善配電系統的電能質量以降低變壓器和線路損耗成為了企業節能的新路徑。

1 目前電能質量優化措施

電能質量的指標包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動與閃變、電壓暫降與短時電壓中斷、供電中斷、波形畸變、暫時過電壓和瞬態過電壓[1-3]。電能質量一方面明確了供電的保障能力，另一方面對電能的波形幅值、頻率、諧波含量以及三相配電的平衡度做出了要求，而后者是實現配電系統節能的主要優化目標[4]。

1.1 穩壓

石油、化工企業的主要能耗設備是機泵，因此應滿足電動機端子電壓偏差（不超過5%）的要求。要滿足末端設備供電電壓偏差要求，在滿足供電半徑的前提下，變壓器二次側的輸出電壓應滿足下式（1）要求：

式中：U2為變壓器二次側電壓，V；Un為配電網標稱電壓，V；L為供電半徑，m；In為線路電流，A；ro為單線單位長度電阻，Ω/m；xo為單線單位長度電抗，Ω/m；φ為功率因數角，°。

在滿足供電半徑要求的情況下，二次側實際電壓與期望電壓在任意時刻t的差值趨近于0，則滿足穩壓要求，即：

目前常用的穩壓、調壓措施有變壓器、有載調壓和無功補償。但是從實際測量結果來看，部分企業的實際穩壓情況并不理想。

1.2 諧波治理

對電動機進行變頻控制是近些年石油、化工企業主要采取的節能措施之一。但是變頻器的大量使用也導致了配電網諧波的大量增加。系統中的諧波不但會與無功補償裝置發生諧振，引發安全事故，同時還會增加損耗。對于變壓器而言諧波畸變率越高，則溫升越高，容量下降也越明顯。此外，諧波的存在還會使電動機產生附加損耗以及機械振動，嚴重影響電動機壽命。

考慮集膚效應時，導體的各次諧波阻抗表述為

式中：rn為n次諧波電流所對應的電阻，Ω；r1為基波電流所對應的電阻，Ω。

在諧波作用下會引起變壓器的繞組附加損耗、鐵芯磁滯附加損耗、鐵芯渦流附加損耗、電纜的導體附加損耗、介質附加損耗、電容器的介質損耗以及電動機的轉子附加損耗、定子附加損耗、雜散損耗。通常在同等諧波電流的作用下，變壓器的附加損耗最為嚴重，電纜的諧波附件損耗次之。通過治理諧波，實現的節能量可以表述為：

式中：ΔPΣT為節能量，kW；P1為負載功率，kW；γ1為基波損耗率，%；為諧波抑制前各次諧波電流與基波電流比值，%；HRIn為諧波抑制后各次諧波電流與基波電流比值，%。

近些年，APF 在配電系統大量應用，使得總諧波大幅降低，但APF 本身屬于耗能設備，從節能的角度來看，應該采取能耗更低的諧波治理措施。

1.3 無功補償

通過無功補償的方式可以提高功率因數，從而進一步降低線路和變壓器的銅損。

1）提高功率因數減少的功率損耗表述為：

式中：ΔP為節能量，kW；P為配電線路有功功率，kW；U為線電壓，V；R為輸電線路導線每相電阻，Ω；cosφ1為無功補充前的功率因數；cosφ2為無功補充后的功率因數。

2）提高功率因數減少的變壓器有功功率表述為：

式中：P2為變壓器負荷側輸出功率，kW；SNT為變壓器額定容量，kVA；PK為變壓器額定負荷時的有功功率損耗，kW。

無功補償裝置已經在配電系統大量應用，但依據實際的測試結果，部分企業仍然存在補償不到位的情況，因此應進一步提升補償度以降低損耗[4]。

1.4 調整三相電壓不平衡

電力系統中的三相電壓不平衡主要是由負荷不平衡和三相阻抗不對稱引起的，其中負荷的不平衡是最主要的原因[5-6]。當存在嚴重的三相不平衡時，會使變壓器容量不能得到充分利用，同時還會使線路中因流過負序電流而產生附加損耗。

三相電壓不平衡往往是企業最容易忽視的問題，最行之有效的方法是對荷進行合理的再分配或加裝三相平衡裝置。

2 節能措施應用

通過對多個企業配電系統電能質量參數的測試發現，電壓穩定性仍然欠缺，在變頻器使用較多的場合，總諧波值超出國標要求的5%，此外功率因數補償不到位以及三相不平衡也是最為常見的問題。

為了解決以上電能質量問題，研究開發了集穩壓、調壓、諧波治理、動態無功補償、動態調整三相不平衡的電能質量優化節能裝置。串聯于市電網與配電柜之間。

在某廠安裝了200 kVA 的電能質量優化節能設備，并對安裝前后進行了24 h 的數據測量，設備投入前的基本電量參數見表1。

表1 基本電量參數

優化節能裝置投入后，三相電壓參數對比表2，電壓時序見圖1。電壓波動的偏差由超出國標值變為符合國標要求，三相電壓值分別下降11.25 V、11.00 V 和11.21 V，且波動幅值大幅降低。

表2 電壓參數對比

圖1 三相電壓時序

電能質量優化節能裝置投入前后的功率因數對比見表3，諧波畸變率對比見表4，三相不平衡電壓對比見表5。由表可見，電能質量均由小幅改善。

表3 功率因數對比

表4 諧波畸變率對比 %

表5 三相不平衡電壓對比 %

在負載不變的情況下，對節能優化設備投入前后分別進行24 h 的功率數據測量，日耗電量由優化前的2 478 kWh 下降到優化后的2 331 kWh，節省147 kWh，測試節電率為5.9%，預測年節能量為53 655 kWh，預計年減排二氧化碳53.5 t。

3 結論

1）配電系統的節能需要多種節能措施同時實施才能獲得滿意的節能率，因此配電系統的節能潛力往往容易被企業忽視[7]。在配電系統現狀的基礎上，通過加裝電能質量優化的設備，能夠進一步改善配電系統的電能質量狀況，從而降低變壓器和線路的損耗，同時對用電設備的附加損耗也能進一步降低，以實現節能。

2）實際案例的測試結果表明，通過對配電系統電能質量的綜合優化，達到了5.9%的節電率，節能效果顯著。由于節電率的高低依賴于系統的電能質量狀況，電能質量越好則節電率越低，因此在具體實施時應先評估電能質量的改善空間[8-10]。