電能質(zhì)量和能效管理相結(jié)合在節(jié)電節(jié)能中的工程應(yīng)用

上海以華電氣技術(shù)有限公司 鄧劍琪

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隨著社會(huì)發(fā)展和節(jié)能減排意識(shí)的提高，用電節(jié)電特別是工廠能效管理引起了廣泛關(guān)注。將電能質(zhì)量管理引入節(jié)電節(jié)能，采用電能質(zhì)量和能效管理相結(jié)合的解決方案，可以為廣大工業(yè)用戶提供全面的能效管理和計(jì)費(fèi)管理、以及電能質(zhì)量治理和設(shè)備控制。

電能質(zhì)量管理是通過(guò)保證所提供電力的技術(shù)指標(biāo)和供電連續(xù)性，在完成電力供應(yīng)滿足用戶需求的同時(shí)，減少劣質(zhì)電能對(duì)工廠生產(chǎn)和電力消耗的不利影響，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)電力帶來(lái)優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的系統(tǒng)活動(dòng)。

電能質(zhì)量和可靠性問(wèn)題會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)、收入和利潤(rùn)的損失。具體體現(xiàn)在過(guò)程中斷及生產(chǎn)停滯、設(shè)備損壞或老化、人工和廢材增加、電能利用率下降等非預(yù)期的損失上；治理和改善電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)性原則是，應(yīng)保證劣質(zhì)電能增加成本和治理措施投入成本的收支平衡，引入電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性調(diào)查的方法。

將電能質(zhì)量與能效管理相結(jié)合的解決方案，包括了“數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析—電能質(zhì)量治理—設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能—管理化節(jié)能”，在本文中我們將結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量和管理：

全面分析電網(wǎng)狀況和實(shí)時(shí)能耗，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)和設(shè)備中所存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，根據(jù)工廠負(fù)荷的情況進(jìn)行電能改善和新生產(chǎn)線的規(guī)劃；通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選確定規(guī)劃方案，提高電能質(zhì)量水平、減少停電維修的時(shí)間，進(jìn)行有意義的優(yōu)質(zhì)用電。

電能質(zhì)量治理和設(shè)備控制：

使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波器、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器、系統(tǒng)節(jié)電器等治理設(shè)備，以達(dá)到提高功率因數(shù)、濾除諧波、穩(wěn)定電壓、消除閃變的目的，同時(shí)由于無(wú)功電流和諧波電流的大幅度降低，提高了變壓器的帶負(fù)載能力、具有降損增容的效果。

能效管理信息化節(jié)能：

能效管理基于實(shí)際數(shù)據(jù)的用電量分析進(jìn)行管理和控制，建立完善的能源管理流程，進(jìn)行能源消耗的數(shù)字化、精細(xì)化管理，減少能源浪費(fèi)和支出費(fèi)用；建立具體可行的能源考核機(jī)制，改變?nèi)说纳a(chǎn)理念和行為習(xí)慣來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)能。

1.電能監(jiān)測(cè)、計(jì)量和管理：某汽車工廠使用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)進(jìn)行規(guī)劃和節(jié)能

電能質(zhì)量問(wèn)題解決措施的決策一般可以分為兩類：一類是問(wèn)題預(yù)防型決策，即規(guī)劃階段的決策；另一類是問(wèn)題解決型決策，即生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題后的解決措施決策。

在某汽車工廠變電所內(nèi)，安裝了33臺(tái)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)黑匣子、6套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，全面分析電網(wǎng)狀況和實(shí)時(shí)能耗，根據(jù)工廠負(fù)荷的情況進(jìn)行新生產(chǎn)線的規(guī)劃決策和電能質(zhì)量改善，基于實(shí)際數(shù)據(jù)的分析和治理進(jìn)行了有意義的優(yōu)質(zhì)用電。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置圖

該工廠建成后汽車銷量每年遞增，過(guò)去使用的采集系統(tǒng)只能提供一些設(shè)備使用以及負(fù)荷趨勢(shì)的數(shù)據(jù)，每次建立新的生產(chǎn)線電氣工程師都會(huì)遇到一定的決策困難。使用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提供每日、每月、每年的設(shè)備運(yùn)行情況與電能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、企業(yè)能源管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)三位一體的診斷系統(tǒng)，可以對(duì)生產(chǎn)線和設(shè)備進(jìn)行工藝的優(yōu)化、有針對(duì)性的檢修，可以有效降低工廠的能耗水平，還可以顯示連續(xù)一年的每一個(gè)周波的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及電能質(zhì)量事件和事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、嚴(yán)重度，工廠為設(shè)備

擴(kuò)容做出計(jì)劃和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析感到很滿意。

圖2 電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析流程圖

電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性分析法通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析，找到影響生產(chǎn)的主要電能質(zhì)量問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，在明確治理層面后可以對(duì)治理措施進(jìn)行選擇決策。治理措施的選擇應(yīng)分為兩個(gè)層面：技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面，并通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析法來(lái)最終確定。

技術(shù)層面要選擇能夠解決該類問(wèn)題的措施和方法，經(jīng)濟(jì)層面要考慮該措施的投資、維護(hù)成本及所帶來(lái)的收益。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析一般可采用凈現(xiàn)值法（NPV）和投資回收期法（PBT）。現(xiàn)金流出應(yīng)包含治理設(shè)備的投資和每年的維護(hù)費(fèi)用，現(xiàn)金流入應(yīng)包含治理后避免的電能質(zhì)量問(wèn)題的損失及設(shè)備折舊。凈現(xiàn)值（NPV）的計(jì)算公式為：(1)

式中：CFt為t年末凈現(xiàn)金流；r為平均年利率或貼現(xiàn)率；T為電能質(zhì)量治理設(shè)備全壽命周期，一般以年為計(jì)算單位的設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命周期。

該汽車工廠以前的無(wú)功補(bǔ)償是使用接觸器投切的系統(tǒng)，因?yàn)橥肚许憫?yīng)時(shí)間的不夠加劇了電壓的波動(dòng)，接觸器和電容器因頻繁投切操作而經(jīng)常損壞，通過(guò)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到了這些問(wèn)題的發(fā)生，劣質(zhì)的電能質(zhì)量也影響到了工廠的實(shí)際生產(chǎn)。該汽車廠在設(shè)備擴(kuò)容時(shí)，為了增加電能使用效率并達(dá)到可靠的電能質(zhì)量，更換了更為先進(jìn)的產(chǎn)品生命周期預(yù)計(jì)為10年的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的使用提高了汽車廠的生產(chǎn)穩(wěn)定性并增加了電能利用率，優(yōu)質(zhì)的工廠用電對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高也做出了貢獻(xiàn)。

2.電能質(zhì)量治理和設(shè)備控制：某橡膠公司密煉機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理和節(jié)能

電力節(jié)能技術(shù)涉及諸多方面，電能質(zhì)量也是節(jié)能降損的一個(gè)重要手段。某橡膠有限公司是世界輪胎50強(qiáng)，隨著企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展用電量也在不斷增長(zhǎng)。在公司用電設(shè)備中，密煉機(jī)用電量占生產(chǎn)用電的30%以上。壓膠等生產(chǎn)特性決定了密煉機(jī)負(fù)荷變化頻繁且劇烈，導(dǎo)致用電系統(tǒng)功率因數(shù)低、變壓器效率低、用電損耗大，同時(shí)由于功率因數(shù)低、高頻諧波電流含量高，實(shí)際線損比較大，趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)比工頻電流嚴(yán)重得多。

密煉機(jī)工作規(guī)律性強(qiáng)，具有明顯的工作周期；工作過(guò)程電壓波動(dòng)大，電流的瞬間變化也十分大，具有很大的無(wú)功沖擊電流，設(shè)備工作時(shí)功率因數(shù)僅有0.3-0.5。密煉機(jī)一般采用直流調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 密煉機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

用戶經(jīng)濟(jì)效益主要包括以下幾個(gè)方面：一、系統(tǒng)電能消耗的降低；二、功率因數(shù)提高帶來(lái)的無(wú)功損耗降低；三、線損的降低；四、變壓器損耗的降低，發(fā)熱量減小及使用壽命的增加。

在投入無(wú)源濾波器之后，功率因數(shù)提高、諧波電流下降，變壓器溫升顯著降低，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 設(shè)備運(yùn)行前后諧波電流變化值

表2 設(shè)備運(yùn)行前后的變壓器參數(shù)變化值

從節(jié)能角度來(lái)看節(jié)能效果也很明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）變壓器增容及損耗節(jié)省值

S1為補(bǔ)償前視在功率，S2為補(bǔ)償后視在功率，Se為變壓器額定功率，Uk為6%。

2000kVA變壓器的短路有功損耗查數(shù)據(jù)手冊(cè)取Pk=25kW，短路無(wú)功損耗取Qk=Uk*Se，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取λ=0.1，則節(jié)省的有功損耗為：

變壓器增容△S=；變壓器損耗節(jié)省值△PB=19.7kW。

（2）線路損耗節(jié)省值

有功功率為P，平均功率因數(shù)cosφ1=0.50，平均線損率為r，裝置投入前線損為Ps1=P*r；補(bǔ)償裝置投入后，功率因數(shù)提高到cosφ2=0.95，線損下降到Ps2，有功損耗下降值為：

根據(jù)研究目的的需要，選擇了局部空間自相關(guān)的方法，對(duì)福州市區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異進(jìn)一步分析。局部自相關(guān)作為空間自相關(guān)的一種，是反映每個(gè)區(qū)域與周邊地區(qū)之間同一屬性值的相似性，用來(lái)驗(yàn)證局部區(qū)域存在的空間異質(zhì)性。通常用空間聯(lián)系的局域指標(biāo)(LISA)和Moran散點(diǎn)圖等進(jìn)行度量[6]。

r一般取2%，計(jì)算得Cb=1.03%，補(bǔ)償1134kVar無(wú)功，所以線損減少值為：

3.能效管理信息化節(jié)能：某模具材料公司使用能效管理信息系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能

某模具材料有限公司成立于2002年，公司大的能耗設(shè)備有淬火爐、電渣爐、中頻爐、加熱退火爐、真空爐、鍛壓機(jī)、水泵等等，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能耗的調(diào)研，概括該公司的能源特征是：

（1）能源分布廣，分布在兩個(gè)大車間以及室外等地方；

（2）每月能源基數(shù)大，電能費(fèi)用折合高達(dá)160～170萬(wàn)元；

（3）管理精細(xì)化有待提高，雖然能通過(guò)原始的巡視抄表來(lái)統(tǒng)計(jì)能耗管理，但不能做到對(duì)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看和調(diào)取，對(duì)于能耗過(guò)大或能耗異常等情況不能及時(shí)掌握并定位。

通過(guò)“電能質(zhì)量+能效管理”解決方案實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

（1）有效的監(jiān)測(cè)和治理，防止電能質(zhì)量和可靠性問(wèn)題帶來(lái)生產(chǎn)、收入和利潤(rùn)的損失。

（2）全面地掌握了工廠的生產(chǎn)信息，對(duì)工廠設(shè)備改造、工藝改造提供了方向和指導(dǎo)。

（3）建立完善的能源管理流程，進(jìn)行能源消耗的數(shù)字化、精細(xì)化管理，減少能源浪費(fèi)。

（4）建立具體可行的能源考核機(jī)制，改變?nèi)说纳a(chǎn)理念和行為習(xí)慣來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)能。

圖4 能耗設(shè)備信息采集和分析流程圖

圖4所示是對(duì)于能耗設(shè)備的信息采集、評(píng)估分析以及節(jié)能方案的專項(xiàng)診斷，同時(shí)當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行或異常運(yùn)行，系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。工廠也建立了能耗監(jiān)測(cè)評(píng)估和考核分析的整體評(píng)估體系，能效管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖5所示：

圖5 能效管理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層是采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)并上傳的各類能耗監(jiān)測(cè)設(shè)備，能效管理信息平臺(tái)對(duì)能源消耗水平、利用效率進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷和評(píng)價(jià)，也可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，分析其能耗特點(diǎn)，提供節(jié)能改造的方向和能源優(yōu)化的重點(diǎn)，還可以參照回歸經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比、參考標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比、計(jì)劃需量對(duì)比進(jìn)行能源精細(xì)化管理和控制。

工廠根據(jù)能效管理信息系統(tǒng)，從全局能耗調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程管理、能耗效率挖掘、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、電能質(zhì)量治理等多方面進(jìn)行改進(jìn)，建立完善的能源管理流程，進(jìn)行能源消耗的數(shù)字化、精細(xì)化管理，能耗考核體系的建立對(duì)于全體員工節(jié)能意識(shí)和節(jié)能理念的建立也起到了很好的作用。目前工廠的月能耗費(fèi)用基本在160萬(wàn)左右，按照7%的節(jié)能率來(lái)計(jì)算，一年可以帶來(lái)一百多萬(wàn)能耗降低的直接經(jīng)濟(jì)效益。

4.結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量注重于電網(wǎng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和電能治理產(chǎn)品的結(jié)合，它通過(guò)一系列的設(shè)備來(lái)幫助企業(yè)提高工廠的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)電力帶來(lái)優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的系統(tǒng)活動(dòng)。而能效管理基于實(shí)際數(shù)據(jù)的用電量分析進(jìn)行管理和控制，以及改變?nèi)说纳a(chǎn)理念和行為習(xí)慣來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)節(jié)能。將電能質(zhì)量與能效管理相結(jié)合的解決方案融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在用電節(jié)電方面達(dá)到了良好的效果。