化工企業節能改造工作實踐

摘 要：針對化工企業配電系統損耗產生的主要原因，提出了化工企業節能的主要手段，并結合實際案例分析，探討了化工企業配電幾種常見設備的節能方法。

關鍵詞：化工企業；節能；風機水泵；損耗

中圖分類號：TQ05? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）03-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.018

0? ? 引言

我國是一個電力短缺的國家，2021年，中國疫后經濟復蘇強勁，電力需求快速增長；且國際煤炭價格大漲，煤炭供應緊張，火電企業發電動力不足，引起全國性的缺電潮。2022年迎峰度夏期間，政策導向發生變化，嚴防拉閘限電，為保障電力供應，迎峰度夏期間的保供電政策改為執行有序用電方案。2023年，國家電網公司推動政府發文，督促企業和公共機構向節約用電方向努力，大力推廣“e起節電”活動，從源頭緩解供需壓力。化工是我國的基礎產業之一，在社會經濟發展中起重要作用。目前，我國化學原料及化學制品制造業能源消費總量在57 000萬t標準煤以上，其中電力消費總量在5 800億kW·h以上，占全社會用電量的7.4%。儀征化學工業園區是長三角的重要化工產業基地，推廣化工工業節能改造，對于緩解儀征地區電網壓力及促進化工企業發展有重大意義。

1? ? 化工企業配電系統節電措施

化工企業生產耗能高，用電量大，節能潛力也大，抓好化工生產各工序的節電，是節約能源的重要措施。需要加強電能管理工作，以確保用電設備在生產運行中經濟高效地運行。同時，需要對能耗高的工藝進行改革，逐步淘汰產能落后的低效設備，并推廣節電節能的新技術，這是提升化工企業能效的總則。

但是，節電技術也不能盲目推廣，導致影響正常生產，因此需基于四個前提：首先需要明確的是，節能技術推廣不能以犧牲產品的質量、產量為代價；其次是不導致工作環境及自然環境進一步惡化，節能技術需要保證工作人員的工作環境正常，也不能以犧牲自然環境為代價；再次，節電技術改造需在較短期內收回投資成本，最好能在3～5年內收回；最后，節電技術最好不引起其他額外的人員成本及設備維護量[1]。

1.1? ? 變壓器節電

變壓器的損耗主要有空載損耗和負載損耗兩部分，除此之外還有雜散損耗和介質損耗等，這部分損耗占比很小，可以忽略不計。因此，降低變壓器損耗的關鍵在于降低空載和負載損耗。一般來說，變壓器的空載損耗占總損耗的20%～30%，但對于長期空載的變壓器，例如辦公照明專用變壓器，降低空載損耗尤為重要。變壓器的空載損耗P0為：

P0=KcPcGc（1）

式中：Kc為工藝系數；Pc為單位重量的鐵芯材料對應的損耗；Gc為鐵芯重量。

由式（1）可知，如要降低變壓器的空載損耗，可以改進鐵芯結構和制造工藝，以減小工藝系數；或采用非晶合金的鐵芯材料[2]，以降低Pc和Gc。

對于負載損耗來說，變壓器的負載損耗占變壓器總損耗的70%～80%。變壓器的負載損耗可近似為：

Pk=KmJ 2Gm（2）

式中：Km為導電率相關系數；J為電流密度；Gm為導線質量。

對于降低變壓器的負載損耗，可從提高匝間電壓并減少高低壓線圈匝數入手，使得電流密度與導線質量進一步降低。

1.2? ? 變配電設備節電

變配電設施節能改造，最為有效的手段有選擇合適的電壓等級及提高功率因數。對于負荷集中的大型化工企業，應盡量采用35 kV及以上電壓等級供電。如某大型化工企業，采用110/35/10/0.4 kV三級降壓，高壓可深入負荷中心，例如對于大型電機可直接采用10 kV供電，從而有效降低電機運行損耗。

對于輸送容量大的線路，可采用相分裂導線，減少線路損耗。對于多次降壓、非標稱電壓或者負荷過重的供配電設備，根據技術經濟比較，可以考慮升壓改造，從而大幅降低線損及設備損耗。在輸送負荷不變時，升壓后降低功率損耗的百分數ΔΔP%計算如下：

ΔΔP%=1-（3）

式中：Un1為電網升壓前電壓；Un2為電網升壓后電壓。

配網電壓等級是隨著用電水平及工業化程度的提高以及發電量的增長而相應增高的。20～25 kV中壓配電在國際上很多發達國家廣泛應用，20 kV電壓等級的優勢已得到國際認同，并已列入國際電工委員會標準，技術和經驗非常成熟[3]。如果由10 kV升壓至20 kV供電，降損效果可達75%。

提高功率因數可有效減少配電線路及配電變壓器的負載損耗，線路節約損耗功率的計算公式如下：

ΔP=

-

（4）

式中：P為傳輸有功功率；U為電壓等級；cos φ1為提高前功率因數；cos φ2為提高后功率因數。

變壓器有功損耗ΔP及無功損耗ΔQ可按下式計算：

ΔP=

-

Pk

ΔQ=

-

Qk（5）

式中：SrT為變壓器容量；Pk為變壓器負載有功損耗；Qk為變壓器負載無功損耗。

功率因數提高，可以減小無功電流，進而降低線路及變壓器的電流大小，對于節電降損、降低電壓損失有重要作用；同時，提高功率因數可以使得供給設備所需的視在功率減小，也可以減小線路截面和變壓器容量，降低投資。

1.3? ? 電動機與風機水泵節電

電動機類設備與變壓器有著相似的損耗特性，常見的節電手段是采用高效率的電動機。電動機可以通過使用比損耗小的硅鋼片材料制作鐵芯、增加轉子和定子鐵芯長度從而減小鐵損，也可通過增加導線截面、提高占空因數等方法降低銅損，或者進行轉子溝槽絕緣處理并優化軸承性能來降低雜散損耗和機械損耗。

除了選擇高效率電動機，為風機、水泵選擇合適容量的電動機，也可避免因電動機容量與風機、水泵功率不匹配導致的電動機低效運行。對于水泵設備，應按下式選擇匹配的電動機容量：

P=KC（6）

式中：KC為電機的備用系數，隨電機容量增大而取小，100 kW以上電機取1.05即可；γ為水的容重；Q為水泵工作范圍內最大軸功率對應的流量；H為揚程；ηpum為水泵工作效率；ηm為機械傳動效率。

風機、水泵類設備另一種節電手段是調節電動機的轉速。化工企業內部許多風機、水泵的流量并不是恒定的，根據風機、水泵的壓力-流量特性曲線，按照工藝要求的流量，選擇合適的調速方式，實現變速流量控制，可以節省大量電能，是一種有效的節電方法。從理論上講，風機、水泵類設備有以下特點：

=

，

=

，

=

（7）

式中：Q1、Q2為流量；N1、N2為轉速；H1、H2為揚程；P1、P2為功率。

圖1是風機、水泵類電機的工作曲線，縱坐標為揚程，即水流通過風機或水泵后增加的能量，橫坐標為流量，即單位時間內通過風機、水泵的體積。如果采用閥門降低流量，則阻力特性曲線就會從阻力特性曲線1變化至阻力特性曲線2，電機的軸功率如圖中矩形HCCQBO所示；如果采用降低轉速的方法降低流量，則電機的工作曲線從Q-H曲線1變化為Q-H曲線2，電機的軸功率如圖中矩形HBBQBO所示。因此，調節電機轉速是一種行之有效的節能措施，其中變頻調速的方法相比其他調速方法而言適用范圍更廣，目前已成為一種較為常用的節能手段[4]。

風機、水泵類設備的節能方式并不僅僅是以上兩種，對于舊有的電機，要進行必要的測試和檢驗，結合電機的實際負載和使用場景加以利用，避免出現“大馬拉小車”的現象。對于電機負載側設備更換、負載降低的情況，需要考慮更換舊有電機，以提高電機運行的效率和功率因數，以達到節能的目的。從設計角度來看，電機設計廠商通常將最高運行效率放在80%滿載的運行情況下，但是由于一些原因導致電機常常運行在60%額定負載的情況下，則需要考慮更換或改造電機。

2? ? 化工企業低壓供配電改造實例

實例1：某小型化工企業節能改造項目中更換變壓器對節能的影響。

根據該次改造項目的計算負荷，需要選擇一臺1 000 kVA或1 250 kVA變壓器，下面列出一些可以選擇的變壓器，并進行參數對比及損耗計算，如表1所示。其中售電單價取0.75元/（kW·h），取計算負荷為850 kVA，cos φ=0.9。

根據變壓器參數及損耗計算，雖然采用新型的非晶合金立體卷芯式油浸變壓器一定程度上提高了變壓器的購置費用，但是可以有效減少因變壓器損耗產生的損耗電費，且成本回收年限不超過5年，是一種有效的節能降損措施。

實例2：某化工企業節能改造項目中更換變頻調速電機對節能的影響。

某化工廠除塵風機電動機額定功率Pe=2 100 kW，除塵風機額定功率PN=2 000 kW，額定轉速1 491 r/min。根據工藝狀況工作在高速或低速狀態，風機高速運行時轉速1 350 r/min，低速運行時300 r/min，高低速運行時間占比1：1。原本采用液力耦合器調速，本次節能改造欲改為變頻器調速。

改造前列出兩種調速方式效率及節能情況如表2所示，可見改變電機調速方式的方法有效提高了電機系統的工作效率，降低了年耗電量，全年可節約有功電量813 910 kW·h。

實例3：某化工企業水泵改造項目實例。

某化工廠有5臺水泵，配套電機的額定功率為55 kW，經調研用戶舊有水泵及配套電機的工作特性如表3所示。

將配套電機更換為40 kW電動機后，每臺電機可以減少功率消耗2.84 kW，每年每臺電動機可節約電量4 260 kW·h，5臺機組每年約可節約電費16 000元，可以有效降損節能。

3? ? 結束語

通過上述理論和實例分析可知，化工企業節能改造可以采用更換新型非晶合金立體卷芯式油浸變壓器的方法，以降低銅鐵損；對于有調速需求的電機系統也可進行調速方式改造或更換合適的電機，以降低運行費用。化工企業宜多措并舉，以改善節能效果。

[參考文獻]

[1] 中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

[2] 張學明.非晶合金立體卷鐵心干式變壓器與硅鋼立體卷鐵心干式變壓器比較[J].電工鋼，2023，5（4）：43-48.

[3] 宋俊生.蕭山電網采用20 kV電壓供電的研究與實踐[D].杭州：浙江大學，2012.

[4] 產敏敏.淺談變頻調速節能控制技術在水泵電機中的應用[J].機電信息，2020（35）：85.

收稿日期：2023-10-09

作者簡介：孫仲陽（1996—），男，江蘇人，助理工程師，研究方向：供配電系統。