工業企業供用電系統節能分析

郭 勇

（國網荊門供電公司營銷運營中心， 湖北 荊門 448000）

1 工業電力使用現狀

目前，我國電力資源綜合利用率較低，且能源結構配置不合理。在能源消費構成中，2013—2023 年間，燃煤類產品的消耗占比約為55%～60%，石油類產品的消耗占比約為15%～20%，天然氣類產品的消耗占比約為1.5%～2.58%，電能消耗比例在2022年達到49.6%，其余能源比例約為0.25%。2022 年，我國能源效率為36.8%，終端能源使用率僅為51.0%。其中，工業終端電能利用率約為51.1%左右[1]。

電能不僅干凈、環保、無污染，還可大量生產和長途傳輸，也容易與其他能量進行轉換，因此，被廣泛應用在社會生產的各個方面。根據相關統計，2022 年，我國終端電量消費累計46 867 億kW·h，而工業用電量高達35 337 億kW·h，在總體用電中占據了較高比例，國家相關部門出具的我國終端用電各模塊組成占比的情況如表1 所示。由表1 可知，工業用電占比最高，達75.6%。

表1 2022 年國家終端用電組成

從工業用電內部架構看，2013—2023 年，電力、熱力生產及供給行業、有色金屬制造行業和化工燃料及產品制造行業占比較高，且有連續上漲趨勢，如表2 所示。

表2 2013—2023 年間國家工業行業電能使用情況

2 工業企業供用電存在的問題

2.1 供電設備的功率因素較小

工業企業供用電配電網存在較多低功率因數的工業生產設備，像動力設備電動機、整流設備晶閘管和動力抽油機等，造成無功負荷大量存在于配電網中。當無功功率失衡、功率因數降低情況發生時，無功功率在電網中流動，產生了線路損耗，線損增大，末端負荷電壓下降[2]。最終導致相當部分的電力能源無輸出功率，造成電力資源整體有效利用率較低，部分電力資源白白浪費，未能創造實際的經濟效益和利用價值。因此，急需采取節能降耗措施，提高供電效率，改善供電環境。

2.2 工業供用電系統中非線性負載增多，配網諧波污染日益嚴重

工業供用電系統中非線性負載增多，勢必會對配電網中原來的重合閘參數、繼電保護值等相關量的設置造成一定程度的影響，導致配網設備靈敏度下降、保護失靈和誤動作等異常情況發生。此外，工業企業供用電系統采用的交流逆變器在工作時，其內部的電子組成元件反復吸合，不可避免地產生諧波分量，進而對配電網帶來諧波污染，加大了電能損耗，導致電力設備損耗和老化加劇，降低設備生命周期及運行可靠性。

2.3 自動化控制及監測水平較低

現階段，工業企業供用電節能監測及管理手段相對滯后，很多工作過程中都是按照既定模式進行運轉的，沒有實時動態監測管理，自動化控制水平也比較低，限制了作業人員對工業設備運行狀態的精準把控及有效管理，無法保證其工作過程中始終處于最佳的工作狀態，不能充分利用電力能源，生產效率不高。工業企業用電系統底層單元自動化程度較低。監控、計量、節能和反饋控制等各流程所用設備間相互獨立、不相兼容，功能冗余，各個設備間缺失有效信息交流及數據共享，底層供用電工作單元間沒有統一的集成化制度，欠缺系統化節能與監控裝置，難以實現各層級的用電設備相互連通，導致工業生產設備電力能源利用率不高，束縛了企業工業生產和節能管理的一體化管控，不能有效監控單位產品能耗。

3 工業企業供用電節能對策分析

3.1 提高供用電設備的功率因數

引入無功補償技術可以明顯減小配電網系統的無功輸出，提高設備的功率因數，降低電能損失，增強電力能源的有效利用率。通過控制無功輸出功率，來控制整個配網的電力總容量、操作規模等，充分利用現有供用電設備，保持提升有功電流的輸出占比。利用無功補償技術，可減小無功輸出功率，減小電力能源損失，提高電力資源的的利用率。借助變速調節手段，可大大提升電力輸出工作效率，結合配電網系統中的各個設備容量標準，科學合理調節各供用電設備功率，能夠大幅度提升電能的利用率[3]。

事實證明，引入無功補償技術后，設備的工作功率幾乎與標稱的工作功率一致，配電網中的各供用電設備工作良好，在無外界干擾的條件下，可以穩定在較大的輸出功率，提高設備工作功率，降低無功輸出，加大有功比重，從而提高工作效率，最大程度上降低電能損失。

3.2 整治工業供用電配電網電能質量

為進一步降低工業供用電配電網的線路電能及設備損耗，并將其控制在可操控的范圍之內，需要對電網諧波污染進行治理。抑制配電網諧波電流通常采用兩種方法，一是對諧波電流產生源頭（用電負荷側的電力設備本身）進行技術改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態。同時，工業企業各單位要增強對入網客戶設備選型的指導與監督，優先采購配置好、效率高的設備，從根本上控制諧波電流產生。二是加裝諧波電流補償設備，如新型濾波裝置等，該裝置能夠產生與負荷諧波電流大小相同但方向相反的補償電流，從而起到遏制諧波的作用，減小電能浪費的同時，提高設備運行質量。

3.3 推進智能化用電監控節能管理

為有效監控工廠用電設備，做好節能管理，引入了DCS 系統。DCS 系統又稱分散控制系統，具有較高的自動化控制水平，其示意圖如圖1 所示。DCS 系統能夠控制工業企業用電設備智能運行，最終實現企業的智能化運營。回路控制單元控制整個工廠生產工藝流程，通過1~n 個設備接口與顯示屏、上級管理計算機和打印機進行通信連接，及時監測工廠設備的動態運行數據，實現工廠供用電運營信息綜合管理，控制電力能源消耗量，推動電力資源的合理利用，最大程度減少電能耗損[4]。一旦發生設備故障，能夠預警提示，通知檢修人員第一時間到達現場進行處理，減少故障停機時間，提高了生產效率。

圖1 DCS 系統

實際工作中，工業企業監控的用電設備數量多、密度大，因而增加了網絡數據處理量。要想解決這種問題，需要增強DCS 系統處理器的配置，完善DCS 網絡報警系統，時刻關注各個子系統運行數據及實時狀態，并配備可靠性較好的電源切換設備。

3.4 應用變頻技術

變頻技術作為工業企業供用電節能減排中的新技術，是在自動化控制技術、計算機軟件技術等基礎上建立的，通過改變電機電源的頻率來調節電機的速度，實現電能資源的合理利用。據實際調研[5]，2011年，我國電機總耗電量約為30 000 億kW·h，在電力能源的消費中，工業企業電機系統用電量在全國總用電量中占比約為62%，占工業企業用電量的67%。而當前，我國高效率、低能耗的電機在市場中占比僅為10%左右，我國在用的各類電機數量約為10 億臺，因此，高效率、低能耗電機的市場潛力十分巨大。如今，企業采用變頻技術充分降低了電機在生產過程中的能源損耗，也為電力系統無功補償、功率因數和動態響應等環節提供了便利，在節約資源的同時，也為企業創造了經濟效益。

此外，為做好工業企業供用電系統節能降損工作，一方面，要加強工業企業工作人員的教育和培訓工作，派專業技術人員去發達國家供用電系統學習，參考其節能降損工作方式，在熟練掌握其節能技術的使用要點基礎上，以“提高工作效率、節能降損”為問題導向，并結合自身工業企業供用電系統的實際情況，進行科學合理的改進設計，逐步完善企業的工作運行方式。另一方面，每月組織各方就企業近期節能降耗工作進行總結復盤，對當月的能耗工作進行分析討論，找出不足，給出解決方案，為下一步的節能工作指明發展方向。

4 結語

通過提高供用電設備的功率因數、整治工業供用電配電網電能質量、推進智能化用電監控節能管理、采用變頻技術以及加強人員培訓等，多重保障工業企業供用電過程中的電力能源消耗，提高其工作效率及資源利用率，推動電力行業健康可持續發展，實現企業經濟效益與節能降損雙贏。