電氣節(jié)能技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究

摘要：電力節(jié)能裝置的科學(xué)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電氣節(jié)能技術(shù)減排目標(biāo)的核心要素，其作用機(jī)制體現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行效率的強(qiáng)化與配套工藝的節(jié)能改進(jìn)。隨著當(dāng)前\"雙碳\"戰(zhàn)略目標(biāo)的推進(jìn)，電氣節(jié)能技術(shù)的普及與應(yīng)用已成為化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)支撐。通過分析電氣節(jié)能技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義，重點(diǎn)研究電氣節(jié)能技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)方案中的實(shí)施路徑與技術(shù)整合方法，旨在增強(qiáng)化工項(xiàng)目的能源利用效率與環(huán)保特性，降低生產(chǎn)過程的電能消耗，助力企業(yè)達(dá)成節(jié)能減排指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電氣節(jié)能技[A1]"術(shù) 化工工程設(shè)計(jì) 功率補(bǔ)償 熱回收系統(tǒng)

Exploration of the Application of Electrical Energy Saving Technology in Chemical Engineering Design

XU Bochang¹ "NIAN Xiaoyu² "SHAO Tingting³

1. Max （Rudong） Chemical Co.， Ltd. Hangzhou Branch， Hangzhou， Zhejiang Province， 310056 China; 2. Luzhou Dongfang Agrochemical Co.， Ltd. Hangzhou Branch， Hangzhou， Zhejiang Province， 310056 China; 3. Hangzhou Kangfengwei Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310051 China

Abstract： The scientific application of power energy-saving devices is a core element in achieving the emission reduction goals of electrical energy-saving technology， and its mechanism of action is reflected in the strengthening of equipment operating efficiency and the energy-saving improvement of supporting processes. With the advancement of the current \"dual carbon\" strategic goals， the popularization and application of electrical energy-saving technology have become important technical support for the transformation of the chemical industry. By analyzing the application significance of electrical energy-saving technology in chemical engineering design， this study focuses on the implementation path and technical integration methods of electrical energy-saving technology in chemical engineering design schemes， aiming to enhance the energy utilization efficiency and environmental protection characteristics of chemical projects， reduce the electricity consumption in the production process， and help enterprises achieve energy-saving and emission reduction targets.

Key Words： Electrical energy-saving technology; Chemical engineering design; Power compensation; Heat recovery system

電能作為支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)能源，其在化工工程設(shè)計(jì)中的不合理使用，已成為制約化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。前人在電氣節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域已展開諸多探索，并取得了一定的研究成果，如部分節(jié)能設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，但仍存在技術(shù)應(yīng)用范圍有限、節(jié)能方案與化工工程適配性不足等問題。本文旨在深入探究電氣節(jié)能技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略，以化工工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需求為導(dǎo)向，通過理論分析、案例研究等方法，剖析現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方案，期望為化工行業(yè)降低能耗、提升能效提供新思路，助力化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。

1 化工工程設(shè)計(jì)中電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的意義

1.1 優(yōu)化能源管理體系，強(qiáng)化能效控制

近年來，新能源技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用取得顯著進(jìn)展，但在化工等基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)能源仍占據(jù)主導(dǎo)地位。受制于新能源技術(shù)應(yīng)用場景的局限性，化工企業(yè)亟須構(gòu)建新型電力管理模式。通過系統(tǒng)化提升電能轉(zhuǎn)化效率、精準(zhǔn)控制電力損耗、保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性等綜合措施，實(shí)現(xiàn)能源消耗的精細(xì)化管理。重點(diǎn)推進(jìn)電力系統(tǒng)技術(shù)改造，實(shí)施電網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化、智能照明升級、工藝設(shè)備能效提升等專項(xiàng)工程，可以顯著提高全流程能源利用效率降低單位產(chǎn)值能耗指標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)要素配置結(jié)構(gòu)，契合國際社會對低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求^[1]。

1.2 構(gòu)建低碳生產(chǎn)體系，踐行綠色發(fā)展理念

面對能源消費(fèi)總量控制的剛性約束，化工行業(yè)作為重點(diǎn)用能領(lǐng)域，必須建立資源集約型生產(chǎn)模式。通過深化電氣節(jié)能技術(shù)的集成應(yīng)用，加大技術(shù)研發(fā)投入力度，重點(diǎn)突破關(guān)鍵設(shè)備能效瓶頸，形成覆蓋生產(chǎn)全流程的節(jié)能技術(shù)體系，不僅能夠顯著降低碳排放強(qiáng)度，更能夠促進(jìn)生產(chǎn)工藝的清潔化改造，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)統(tǒng)一^[2]。

2化工工程設(shè)計(jì)中電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1負(fù)荷計(jì)算體系構(gòu)建

化工裝置電力負(fù)荷具有非線性、沖擊性特征，需要建立三維計(jì)算模型（時間-空間-能效）確定計(jì)算負(fù)荷。采用IEC 61360標(biāo)準(zhǔn)推薦的動態(tài)系數(shù)法：P_js=K_x·（Ση_iP_i+ΣQ_j·tanφ_j），其中設(shè)備需用系數(shù)K_x根據(jù)工藝連續(xù)性修正（間歇流程取0.[A2]"7～0.8，連續(xù)流程取0.85～0.9）。對于氯堿電解等諧波密集型負(fù)荷，需要疊加修正因子（1.15～1.25），某60[A3]"0[wl4]" kV乙烯項(xiàng)目實(shí)測表明，采用蒙特卡洛仿真法可使電纜選型誤差控制在±5%以內(nèi)，較傳統(tǒng)需要系數(shù)法節(jié)能12%。

2.2變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行拓?fù)?/p>

在變壓器選型時，節(jié)能性能成為關(guān)鍵考量因素，為了降低損耗并確保用戶需求，通常將40[A5]"%～60%的負(fù)載率作為選型依據(jù)，而50%～60%的負(fù)載率范圍則表現(xiàn)出最佳的節(jié)能效果，為了實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)載管理，需要制定節(jié)能策略，并優(yōu)先考慮采用新型節(jié)能變壓器，以降低能耗，變壓器的負(fù)載率可以通過[A6]"式（1）計(jì)算。

β_m=（（1）

式（1）中：β_m為最大功率點(diǎn)的負(fù)載率；R為變壓器的功率損耗比率。

變壓器的漏損率可以通過公式（2）計(jì)算。

R=（2）

式（2）中：R為變壓器的漏損率；P₀為空載損耗；P_KH為額定負(fù)載損耗。

2.3動態(tài)無功補(bǔ)償配置

在電力系統(tǒng)中，無功功率源于電感磁場與電容電場在相同時間周期內(nèi)的能量交換，并且不涉及實(shí)際功耗的產(chǎn)生。然而，在容性負(fù)載與感性負(fù)載環(huán)境中，無功損耗顯著存在，電網(wǎng)中無功功率的流動與電網(wǎng)電壓、電流之間存在90°的相位差異，這導(dǎo)致電網(wǎng)的平均功率因數(shù)下降，對電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，在提升用電設(shè)備的平均功率因數(shù)時，設(shè)置無功補(bǔ)償裝置變得至關(guān)重要，以確保供電品質(zhì)的穩(wěn)定^[3]。

并聯(lián)電容器作為一種常用的人工無功補(bǔ)償手段，不僅能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的無功功率進(jìn)行有效補(bǔ)償，還配備有一次、二次側(cè)的補(bǔ)償裝置，以提升電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。此外，在化工工程中，電力電纜作為關(guān)鍵的傳輸媒介，其鋪設(shè)長度和截面尺寸較大。以600 kV燒堿生產(chǎn)項(xiàng)目為例，采用ZR-YJV-0.6/1 kV-3×120+1×70規(guī)格的電纜，單條線路的長度可達(dá)228 m，其無功損耗和有功損耗均相當(dāng)可觀。因此，在符合相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，技術(shù)人員應(yīng)盡量縮短電纜的鋪設(shè)長度，并增大電纜的截面尺寸，以降低損耗，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

針對化工負(fù)荷功率因數(shù)波動特性（0.75～[A7]"0.92），采用分級投切式靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG），補(bǔ)償容量按

Q_c=αP_av（tanφ₁-tanφ₂）（3）

式（3）中：Q_c為無功補(bǔ)償容量，單位為var；α為同時系數(shù)（聚合釜類設(shè)備取0.95，輸送機(jī)械取0.85）；P_av代表平均有功功率，單位是W；tanφ₁與tanφ₂分別是補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的功率因數(shù)角的正切值。某氯堿項(xiàng)目實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在整流變壓器二次側(cè)加裝12脈波靜止同步補(bǔ)償器后，10 kV母線諧波畸變率從31%降至4.7%，年節(jié)電達(dá)2.3×10⁶kWh。電纜截面選擇應(yīng)滿足ΔU %=·I·L·（Rcosφ+Xsinφ）/10U_N≤5%的要求，當(dāng)線路長度超過200 m時，截面增大一級可使線損降低18%～22%。

2.4智慧能效管理系統(tǒng)

構(gòu)建基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的照明節(jié)能體系，采用T8轉(zhuǎn)T5電子鎮(zhèn)流器改造（節(jié)電40%）結(jié)合微波感應(yīng)控制，照度維持值大于等于300 lx區(qū)域設(shè)置0.7～[A8]"1.2調(diào)光系數(shù)，某石化中央控制室應(yīng)用ZigBee無線調(diào)光系統(tǒng)，年照明能耗下降63%。對于反應(yīng)釜等高溫設(shè)備，推廣熱管式熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，利用300 ℃以上余熱驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）機(jī)組發(fā)電，熱回收效率可達(dá)23%，典型工況下每噸蒸汽可聯(lián)產(chǎn)85 kWh電能，通過工業(yè)協(xié)議（OLE for Process Control，OPC）集成分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）與電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能流三維可視化，某煤化工項(xiàng)目應(yīng)用后綜合廠用電率降低1.7個百分點(diǎn)^[4]。

3化工園區(qū)節(jié)能改造項(xiàng)目的測試驗(yàn)證

3.1項(xiàng)目概況

某年產(chǎn)500 kV乙烯的化工園區(qū)節(jié)能改造項(xiàng)目，總投資3.2億元，涵蓋工藝裝置、公用工程及輔助設(shè)施，項(xiàng)目以電氣節(jié)能為核心，通過設(shè)備升級、系統(tǒng)優(yōu)化及智能控制，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)綜合能耗降低15%，年節(jié)電量超2 000萬kWh，設(shè)計(jì)階段引入變頻調(diào)速、無功補(bǔ)償、能源管理系統(tǒng)等技術(shù)，需要通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

3.2系統(tǒng)測試內(nèi)容與結(jié)果

3.2.1設(shè)備級節(jié)能測試

測試選取離心泵、空壓機(jī)等關(guān)鍵高耗能設(shè)備，對比傳統(tǒng)工頻驅(qū)動與變頻調(diào)速模式下的能耗差異，采用功率分析儀實(shí)時監(jiān)測電機(jī)輸入功率、轉(zhuǎn)速和負(fù)載率，結(jié)合DCS系統(tǒng)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。測試結(jié)果顯示：在60%～80%負(fù)荷工況下，變頻控制使電機(jī)平均節(jié)電率達(dá)32%，年運(yùn)行時間8 000[A9]"h的單臺設(shè)備可以節(jié)電18萬kWh，同時，高效電機(jī)（IE4級）較原IE2級電機(jī)效率提升5%，溫升降低12 ℃，設(shè)備壽命延長20%，如表1所示。

3.2.2系統(tǒng)級能效測試

針對配電系統(tǒng)功率因數(shù)低（原0.82）、諧波畸變率超15%的問題，測試加裝SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置與有源濾波器（Active Power Filter，APF），通過電能質(zhì)量分析儀采集補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)提升至0.95，諧波畸變率降至4%以下，測試期間，變壓器損耗減少18%，電纜發(fā)熱量下降23%，年節(jié)省線損費(fèi)用約75萬元。此外，EMS系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整補(bǔ)償策略，進(jìn)一步降低設(shè)備空載損耗10%～15%^[5]。

3.2.3工藝耦合節(jié)能測試

整合裂解爐余熱發(fā)電系統(tǒng)與生產(chǎn)負(fù)荷波動特性，測試熱電聯(lián)供模式的節(jié)能效果，利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組將120 ℃以上廢熱轉(zhuǎn)化為電能，補(bǔ)充廠區(qū)10%的電力需求，通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)模擬不同生產(chǎn)負(fù)荷下的協(xié)同調(diào)控。結(jié)果顯示：在乙烯裝置負(fù)荷率70%時，余熱發(fā)電效率最高達(dá)22%，年發(fā)電量480萬kWh，減少外購電成本288萬元，同時，EMS與生產(chǎn)調(diào)度的聯(lián)動使尖峰負(fù)荷削減8%，需量電費(fèi)降低12%。

4 結(jié)語

綜上所述，作為化工工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分，電氣節(jié)能技術(shù)必須針對該產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)特征，科學(xué)調(diào)研節(jié)能措施，并引入先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。未來，隨著科技的持續(xù)進(jìn)步和節(jié)能意識的不斷提升，電氣節(jié)能技術(shù)在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將更加廣泛和深入，為化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

參考文獻(xiàn)

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