工業用戶電力節能措施研究

王 玨

（國網黃石供電公司， 湖北 黃石 435000）

0 引言

相關數據表明，工業領域作為電力消耗的重要部門，工業用電占總用電量的70%左右。電力節能可以減少對傳統能源資源的依賴，推動能源結構轉型并降低工業用戶的運營成本，提高競爭力和可持續發展能力[1]。因此，工業節電勢在必行。

1 減少變壓器有功功率損耗

1.1 有功功率損耗的成因分析

有功功率損耗是變壓器在電能傳輸過程中由于電阻、磁導和鐵耗等因素而產生的能量損失。主要成因包括銅損耗、鐵損耗、額定負載下的損耗以及轉換效率損耗。銅損耗是由變壓器主副線圈中的電阻引起，當電流通過時，電阻產生熱量，從而導致能量損耗。鐵損耗則由變壓器鐵芯和繞組中的磁滯和渦流損耗組成。磁滯損耗是因鐵芯在磁化和去磁化過程中產生的能量損失，渦流損耗是因磁場變化生產感應電流而導致的能量損失。此外，變壓器在額定負載下會有一定的有功功率損耗。同時，變壓器在電能轉換過程中也會存在一定的轉換效率損耗，無論是從高電壓向低電壓轉換，或是從低電壓向高電壓轉換，都不可避免地存在能量轉換損耗。

1.2 減少變壓器有功功率損耗的措施

采用低阻抗材料和合理的線圈設計，可以降低電阻損耗。減少繞組長度，可以降低鐵損耗。使用具有較低磁滯和渦流損耗的高效鐵芯材料，如高硅鋼片材料，也可以減少鐵損耗。采用具有低空載損耗的變壓器設計，通過優化鐵芯形狀、減少繞組電阻等方式，避免變壓器過載運行，可以將變壓器的負載控制在額定范圍內。通過合理調整變壓器的電壓和負載匹配，可以減少變壓器的有功功率損耗。多臺變壓器組串運行，可以提高系統的效率和可靠性，并減少能量損耗。在變壓器的輸入和輸出側使用電力電子器件，如有源濾波器、變頻器等，可以提高系統的功率因數和效率[2]。定期進行變壓器的維護和檢測，包括絕緣測試、接線檢查和冷卻系統檢查等，可以確保變壓器在正常運行的同時，減少損耗。

通過采取上述技術措施，可以有效降低變壓器的有功功率損耗，提高其運行效率和能源利用率，實現電力節能目標。

2 降低供配電線路能量損耗

2.1 供配電線路能量損耗的影響因素

供配電線路由導線組成，導線的電阻會導致電流通過時產生熱量，造成能量損耗。導線材料的電阻特性以及導線的截面積直接影響能量損耗的大小。供配電線路的負載率越高，電流越大，導致能量損耗增加。

2.2 能量損耗的計算和評估方法

2.2.1 電阻損耗計算

對于直流線路，電阻損耗可以通過以下公式計算：

式中：I 為線路電流；R 為線路電阻。

對于交流線路，電阻損耗可以通過以下公式計算：

式中：I 為線路有效電流；R 為線路電阻；θ 為線路的功率因數角度。

2.2.2 有功功率損耗計算

交流線路有功功率損耗的計算公式為：

式中：P 為線路有功功率；θ 為線路的功率因數角度。

總能量損耗為電阻損耗和有功功率損耗的總和。

2.2.3 能量損耗評估方法

使用電能表或功率分析儀等儀器可以直接測量線路的能量損耗。通過使用電力系統仿真軟件，基于線路參數和負載條件，模擬計算能量損耗，并根據線路參數、負載情況和功率因數等，進行能量損耗評估。通過分析線路的效率，并采取相應的措施，來降低能量損耗。

2.3 降低供配電線路能量損耗的措施

選擇低電阻率的導線材料，如銅或鋁合金，可以減少電阻損耗。同時，適當增大導線的截面積可以降低電阻損耗。合理控制負載率，避免過載運行，可以減少供配電線路的能量損耗。通過平衡負載、進行負載調整和合理分布負載，提高系統的效率。采用電壓調節、電壓穩定器和電壓優化裝置等技術手段，可以實現電壓的優化控制。合理規劃供配電線路的布局，縮短線路長度，可減少電阻損耗。通過安裝無功補償裝置，如無功補償電容器和STATCOM（靜態同步補償器），減少線路的無功功率傳輸，從而降低能量損耗。采用先進的電力傳輸和配送技術，如高溫導線、超導線技術、高效變壓器和電力電子裝置等，可以提高系統效率和降低能量損耗[3]。

以上措施可以結合實際情況綜合應用。根據供配電線路的特點和需求，選擇相應的措施，能有效降低能量損耗，提高能源利用效率。同時，合理的設計、運維和監控也是確保線路能量損耗降低的重要環節。

3 高效節能照明燈具的選用

3.1 高效節能照明燈具的特點和分類

高效節能照明燈具是為了減少能耗和提高能源利用效率而設計的燈具，具有高光效、高節能性、長壽命和調光性等特點。高效節能照明燈具根據其技術特性可以分為LED 照明燈具、熒光燈具和氣體放電燈具等。

3.2 高效節能照明燈具選型和應用實踐

根據工業用戶的照明需求和要求，選擇適當的高效節能照明燈具。綜合考慮燈具的光效、色溫和色彩還原指數（CRI）等技術參數，確保滿足照明要求，并具有節能效果。照明系統設計包括燈具布局、安裝位置和照明控制等，要最大限度地提高照明效果和節能效果。應定期檢查和維護照明系統，確保燈具正常工作并調整光照強度。同時，隨著新技術的發展，及時進行系統優化和更新，以保持高效節能的狀態。采用能耗監測系統或照明管理軟件，實時監測照明能耗，并進行數據分析和評估。根據評估結果，調整和改進照明策略，進一步提高節能效果。

3.3 照明改造效果評估和經濟效益分析

3.3.1 原始狀況

以某工業廠房照明改造為例進行分析。

原有照明系統：使用100 W 熒光燈管，總計100個燈具，每天工作時間為10 h，每年工作日為250 d。

年能耗=100 W/ 個×100 個×10 h/d×250 d=25 000 kW·h。

3.3.2 改造方案

照明設備：替換為高效節能LED 燈具，功率為40 W，燈具數量保持不變。

照明控制：安裝光感控制系統，根據光照情況自動調節照明強度。

3.3.3 改造后情況

廠房照明改造后，每年電能消耗大幅下降。

年能耗=40 W/ 個×100 個×10 h/d×250 d=10 000 kW·h。

3.3.4 改造效果評估

對廠房照明改造效果進行評估，能耗減少了60%。

3.3.5 經濟效益分析

對廠房照明改造進行經濟效益分析對比，電費單價按0.6 元/（kW·h）計算，改造前后能耗對比如表1所示。

表1 某工業廠房照明改造前后能耗對比

通過照明改造，能耗減少了60%，能耗費用從15 000 元降低到6 000 元，每年可節省9 000 元。

4 電動機在運行過程中的節能措施

4.1 電動機的能效特點和評價指標

電動機是工業用戶中最常用的電力設備之一，其能效特點和評價指標對于實施節能措施至關重要。

1）能效特點：電動機在運行過程中會產生能效損耗，包括電阻損耗、磁滯損耗和風阻損耗等，該損耗會導致電能轉化為熱能或其他形式的能量損失。電動機在不同負載下的能效表現會有所差異，電動機在低負載下的能效較低，而在額定負載下能效較高。

2）評價指標：常見的能效等級包括IE1（低效率）、IE2（高效率）、IE3（超高效率）和IE4（超高效率超級優化）等。能效等級越高，表示電動機的能效越好。電動機的效率是指電能轉化為機械能的比例，一般以百分比表示。效率越高，表示電動機的能耗越低。功率因數是指電動機消耗的有功功率與輸入的視在功率之間的比例。功率因數的提高可以減少無功功率的損耗，提高系統的能效。

通過評價電動機的能效特點和使用評價指標，工業用戶選擇高能效的電動機，并采取相應的節能措施，可以提高系統的能效，降低能耗，實現節能目標。

4.2 提高電動機能效的措施

為了提高電動機的能效，減少能耗和能效損失，可以采取以下措施：

1）選擇高能效電動機：選用能效等級較高的電動機，如IE3 和IE4 級別的電動機。這些電動機在額定負載下具有較高的能效，能夠降低能耗。

2）變頻器高效控制：采用變頻器控制電動機的轉速，使電動機能夠根據實際負載需求靈活調整轉速，減少無效運轉和能效損失。

3）負載的匹配和平衡：確保電動機的負載與其額定能力相匹配，避免過載或輕載運行，合理平衡負載分布，避免少數電動機長時間過載工作而其他電動機處于輕載狀態[4]。

4）定期維護和檢修：定期進行電動機的維護和檢修，包括清潔、潤滑、緊固和絕緣檢測等，確保電動機正常運行，減少能效損失。

5）減少傳動損耗：優化傳動系統，采用高效的傳動裝置和耐磨材料，減少傳動損耗和機械能損失。

6）合理設計和布線：在電動機安裝和布線過程中，合理設計電路，減少線路阻抗和電纜損耗，提高電能傳輸效率。

7）應用節能控制策略：采用先進的節能控制策略，如電動機軟啟動、負載分段控制和智能調速等，有效降低電動機的能耗。

4.3 電動機節能措施的應用案例和效果評估

案例：一家工業企業使用1 臺額定功率為100 HP 的電動機驅動1 臺常規負載設備。在實施電動機節能措施之前，電動機每天的運行時間為12 h，年運行時間為300 d。

4.3.1 實施的節能措施

1）更換電動機：將原有的IE1 級別電動機更換為能效更高的IE3 級別電動機。

2）安裝變頻器：為電動機安裝變頻器，根據實際負載需求調整電動機轉速。

4.3.2 效果評估

對節能成本和投資回收期進行評估，評估結果如表2 所示。

表2 節能成本和投資回收期評估

通過更換電動機和安裝變頻器，年能耗可以減少4 141.18 kW·h，節能成本每年節省2 484.71 元。在投資回收期方面，變頻器的投資回收期約為4 a。這個案例突出了電動機節能措施的效果，同時，也顯示了經濟效益和投資回報的潛力。

5 結論和展望

實施工業用戶電力節能措施可以顯著降低能耗，提高能效，降低電費支出，并在一定程度上減少對環境的影響。在選擇節能措施時，應綜合考慮技術可行性、經濟性以及投資回收期等因素，并根據具體情況制定適合的節能方案。此研究對工業節能具有參考價值，為電力系統實現可持續發展提供了重要的技術支持和決策依據。