大型化工企業(yè)電氣節(jié)能診斷研究
——以某大型化工企業(yè)為例

（福州市節(jié)能監(jiān)測中心 福建福州 350003）

1 研究背景與意義

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和設(shè)備智能化，企業(yè)中電氣設(shè)備的使用度越來越高，同時，在節(jié)能減排的前提下，電氣化程度也會不斷加快，用電量將會不斷上升，電力在能耗中的占比將加大，在企業(yè)用電增長的同時也帶來了電能損耗增長，對企業(yè)開展電氣節(jié)能診斷，通過能源審計發(fā)掘耗能點(diǎn)，提出節(jié)能技改方案，提高電能利用率，勢在必行。

在眾多工業(yè)中，化工行業(yè)為高耗能產(chǎn)業(yè)，據(jù)統(tǒng)計，我國冶金、有色、化工、石化和建材5大行業(yè)的能耗占能源消費(fèi)總量的50%左右，且化工產(chǎn)品單位能耗普遍比國外高20%以上。因此對化工企業(yè)的電氣節(jié)能研究有重大意義。

2 企業(yè)能源審計

（1）能源審計。運(yùn)用現(xiàn)場調(diào)查、現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)審核以及盤存查帳等手段，開展企業(yè)的能源審計：摸清企業(yè)能源消耗情況，檢查用能系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，特別是對用電情況的調(diào)研收集、數(shù)據(jù)實測，總結(jié)大型化工企業(yè)的用電特征，挖掘節(jié)能節(jié)電潛力。本文著重于電氣節(jié)能診斷，僅對選定企業(yè)能源審計結(jié)論中的電氣部分進(jìn)行簡要概述。

某大型化工企業(yè)位于化工產(chǎn)業(yè)集中區(qū)內(nèi)。企業(yè)的主要用能品種有電力、煤和蒸汽，外購的能源品種為電力和煤，煤在廠內(nèi)的熱電分廠產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電和供應(yīng)熱力，發(fā)電方式是熱電聯(lián)產(chǎn)，以熱定電。

（2）電氣主接線。企業(yè)的電力來源：①外購電力，由園區(qū)變電站經(jīng)2路輸電線路（110kV）輸送至廠內(nèi)；②廠內(nèi)熱電分廠的2臺汽輪發(fā)電機(jī)（型號：QF-30-2，單機(jī)裝機(jī)容量：30MW）發(fā)電。

廠區(qū)內(nèi)設(shè)立有110kV變電站1座、10kV變電所（配電室）6座。其中，110kV變電站作為該廠的電力中樞，擁有4臺主變，其中2臺作為降壓變（總?cè)萘?00000kVA），2臺作為升壓變（總?cè)萘?0000kVA）。高低壓側(cè)接線方式均為單母分段并設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，低壓側(cè)暨10kV母線的饋線引至下級變電所及宿舍辦公區(qū)等。110kV變電站主接線示意圖如圖1所示。

10kV變電所（配電室）的分布按照靠近主要電力負(fù)荷的原則設(shè)立，各變電所負(fù)荷包括高壓（10kV）設(shè)備也包括低壓（380/220V）設(shè)備，經(jīng)統(tǒng)計6座10kV變電所（配電室）共有25臺S11系列配電變壓器。

（3）主要用電設(shè)備及計量情況。該企業(yè)主要用電設(shè)備包括鍋爐、化工反應(yīng)裝置及大量的機(jī)電設(shè)備，其中機(jī)電設(shè)備是量大面廣的終端耗能大戶。除低壓電機(jī)設(shè)備（400V）外，還有高壓（10kV）風(fēng)機(jī)15臺、高壓水泵57臺、還有空壓機(jī)。其裝機(jī)容量大，占全廠載荷的70%，運(yùn)行時間長，電能消耗占比高，這些機(jī)電設(shè)備的節(jié)能是企業(yè)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

企業(yè)采用集中操作控制系統(tǒng) （DCS系統(tǒng)）來采集能源數(shù)據(jù)，基本實現(xiàn)了能源數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。但只做到了日數(shù)據(jù)的采集，未能采集到實時數(shù)據(jù)，對于用能變化或異常的響應(yīng)無法及時，用能調(diào)控滯后。此外，遠(yuǎn)程采集覆蓋不完全，部分重要能源數(shù)據(jù)缺失，造成能源審計分析無法精確、細(xì)致。同時，DCS系統(tǒng)沒有將用能數(shù)據(jù)與管理結(jié)合，各分廠設(shè)備間缺少能源管理的串聯(lián)，信息分散，能源管理仍較為粗放。

3 企業(yè)的節(jié)能診斷

3.1 配電網(wǎng)節(jié)能診斷

影響企業(yè)配電網(wǎng)能效主要因素有變壓器損耗、功率因數(shù)、諧波、三相不平衡、線路損耗等。

根據(jù)能源審計結(jié)論，企業(yè)配電網(wǎng)主要由1座110kV變電站和6座10kV變電所構(gòu)成，其中變壓器數(shù)量多達(dá)29臺。故對于該企業(yè)降低變壓器損耗是配電網(wǎng)節(jié)能分析的主要方向。以變壓器節(jié)能為著手點(diǎn)分別對110kV變電站和10kV變電所進(jìn)行節(jié)能潛力分析：

110kV變電站共4臺變壓器，經(jīng)測算，變壓器平均損耗約為1.07%，設(shè)備運(yùn)行狀況較為良好；10kV變電所共6座，變電所的10kV母線側(cè)接入了若干高壓用電設(shè)備及變壓器，變壓器型號主要為S11系列，其能耗水平良好，不屬于高耗能淘汰變壓器。

對變電站和變電所重要饋線的電能質(zhì)量進(jìn)行抽樣檢測，重點(diǎn)檢測功率因數(shù)、諧波、三相不平衡度，對照國標(biāo)GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T15543《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》，監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器電能質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，110kV和10kV配網(wǎng)的電能質(zhì)量暨1#主變和2#主變低壓側(cè)的電能質(zhì)量較好，但變電所低壓側(cè)（380V）的電能質(zhì)量存在部分問題，例如，公用工程分廠低壓側(cè)母線（380V）的功率因數(shù)偏低；LS分廠低壓側(cè)母線（380V）存在諧波畸變率超國標(biāo)限值的情況。

410配電室的1#變壓器和2#變壓器低壓側(cè)母線下所接用電設(shè)備主要為低壓熱水泵、低壓交流油泵等，母線上沒有裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。由于公司目前的熱水泵、油泵等負(fù)載率不高，大量消耗感性無功，導(dǎo)致變壓器低壓母線整體功率因數(shù)不高，造成低壓側(cè)饋線損耗增大。擬考慮在1#變壓器和2#變壓器低壓側(cè)母線上加裝無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。

LS分廠的變壓器低壓側(cè)存在諧波電壓超國標(biāo)限值 （5%）的情況。其中305變電所的1#變壓器低壓側(cè)母線電壓畸變率為6.7%，其5次、7次諧波電流較大，分別為101A、70A。擬考慮對LS分廠的諧波進(jìn)行治理，以減少諧波干擾帶來的損耗。

據(jù)節(jié)能分析，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，針對配電網(wǎng)提出如下節(jié)能改造方案。

（1）無功補(bǔ)償節(jié)能方案。針對410配電室的1#變壓器低壓側(cè)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行選型：

無功補(bǔ)償前，功率因數(shù)為0.76，補(bǔ)償目標(biāo)功率因數(shù)取0.95。根據(jù)補(bǔ)償電容器容量的計算公式：

式中，P表示變壓器裝機(jī)容量 （有功功率），1#變壓器P=1600kW；βav為月平均負(fù)載率，取 βav=0.7，則：QC=589kvar，取電抗率 k=0.06，則有：Q=QC×（1-k）=554kvar。

電容器組選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電容器200kvar電容器3臺，最終補(bǔ)償容量為 600kvar，實際補(bǔ)償量為：QC=Q÷（1-k）=638kvar。

同理對2#變壓器低壓側(cè)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行選型，確定選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電容器250kvar電容器2臺，最終補(bǔ)償容量為500kvar。

對公用工程分廠410配電室的1#變壓器和2#變壓器低壓側(cè)母線無功補(bǔ)償后，功率因數(shù)分別由0.76、0.78提升至0.95。在輸送相同有功功率的情況下，配電網(wǎng)電流下降，損耗減少。節(jié)省的線損為：

損耗下降率：

式中，cosφ1為無功補(bǔ)償前功率因數(shù)；cosφ2為無功補(bǔ)償后功率因數(shù)。

計算得無功補(bǔ)償后410配電室1#變壓器損耗下降率108%；2#變壓器損耗下降率88%。

（2）諧波治理方案。諧波治理有受端治理、主動治理、被動治理3種方法。

目前工業(yè)企業(yè)治理諧波主要采用被動治理的無源濾波器方案。被動治理，是指通過外加濾波器來阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。無源濾波器（PPF）常用的有單調(diào)濾波器和高通濾波器，因其不需要電源配合，故稱為無源。它們由電力電容器、電抗器和電阻器組成，原理是利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流，即將諧波電流吸收消納。同時，無源濾波器有無功補(bǔ)償功能。

工程上實用的無源濾波裝置一般由1組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，每組單調(diào)諧濾波器調(diào)諧于需要濾除的諧波頻率上或者諧波頻率附近，對外呈現(xiàn)低阻特性，從而吸收諧波電流，使流入交流系統(tǒng)的諧波電流減小，達(dá)到抑制諧波的目的。

結(jié)合成本因素考慮，305變電所的1#變壓器低壓側(cè)母線的5次、7次諧波電流較大，采用安裝2組單調(diào)諧濾波器并聯(lián)的方式進(jìn)行諧波治理。

為降低濾波器成本，應(yīng)使電容器的容量盡量小。設(shè)定無源濾波器的無功補(bǔ)償目標(biāo)為0.95，則根據(jù)公式QC=βavP（tanφ1-tanφ2）求得無源濾波器的補(bǔ)償總?cè)萘繛椋篞C=208kvar。

根據(jù)5次諧波電流（I5=101A）和7次諧波電流（I7=70A）的比值，約為3∶2，確定5次濾波器的補(bǔ)償容量為125kVar，7次濾波器的補(bǔ)償容量為83kvar。

5次濾波器參數(shù)計算：

同理，計算出7次濾波器參數(shù)，得出305變電所的1#變壓器低壓側(cè)母線2組單調(diào)濾波器的設(shè)計參數(shù)表2。

諧波治理可以抑制305變電所的1#變壓器低壓側(cè)母線的諧波，從而提高變壓器的使用容量和使用效率。諧波畸變率的降低還有潛在的經(jīng)濟(jì)效益，可增加用電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。同時，濾波裝置的投運(yùn)可提升配電網(wǎng)的功率因數(shù)（由0.87提升至了0.95）僅此1項，就可使損耗下降28%。

表2 單調(diào)濾波器設(shè)計參數(shù)表

3.2 機(jī)電設(shè)備的節(jié)能診斷

機(jī)電設(shè)備的節(jié)能潛力分析主要考慮電機(jī)本體效率、負(fù)載率、系統(tǒng)匹配性、安裝和維護(hù)質(zhì)量等因素。

（1）風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能。根據(jù)現(xiàn)場檢查，該企業(yè)內(nèi)風(fēng)機(jī)配套的電動機(jī)均不屬于淘汰電機(jī)（不在國家淘汰電機(jī)目錄內(nèi)），部分大型風(fēng)機(jī)采用加裝液力耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，但仍有部分風(fēng)機(jī)采用閥門擋板的方式進(jìn)行風(fēng)力的控制和調(diào)節(jié)。

由于在風(fēng)機(jī)的設(shè)計選型時，留有裕度，保留了近15%的風(fēng)機(jī)余量。采用風(fēng)門擋板的方式進(jìn)行風(fēng)力的控制和調(diào)節(jié)，會使得大量的能量消耗在風(fēng)力擋板阻力上，造成電能浪費(fèi)，設(shè)備的磨損也增大。當(dāng)負(fù)荷較低時，風(fēng)門擋板開度較小，僅在40%左右；滿負(fù)荷時，也不超過85%。風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量雖然操作簡單，但電動機(jī)轉(zhuǎn)速不變，能耗較大，應(yīng)對其進(jìn)行變速改造。

采用加裝液力耦合器的方式，可以對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，綜合效率比風(fēng)門擋板高，但其存在調(diào)速損耗。在調(diào)速過程中，液力耦合器的調(diào)速效率近似等于轉(zhuǎn)速比［4］，轉(zhuǎn)速比越小調(diào)速效率越低，損耗就越大。同時，液力耦合器存在著固定的轉(zhuǎn)差率損耗（約3%），負(fù)載的轉(zhuǎn)速無法達(dá)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最高只能達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速的97%。轉(zhuǎn)差率以熱能的形式損耗在油中。

以熱電廠高壓風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行節(jié)能潛力分析：

熱電廠內(nèi)安裝6臺高壓風(fēng)機(jī)（10kV），均為鍋爐配套輔助設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)采用加裝液力耦合器的方式進(jìn)行風(fēng)力的控制和調(diào)節(jié)。對風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，各風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況見表3。

表3 熱電廠高壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況

表3可得，檢測時，1#機(jī)組的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比偏低，調(diào)速效率低，可考慮通過變頻的方式進(jìn)行調(diào)速，以提高調(diào)速效率。與液力耦合器相比，變頻器因采用的是電力電子器件，控制電路功耗低，調(diào)速效率高，且受轉(zhuǎn)速比影響，可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高效調(diào)速節(jié)能。變頻器的選型根據(jù)配套電動機(jī)的運(yùn)行功率，控制方案采用“變頻加工頻旁路”方式，即變頻器控制回路并列1個開關(guān)控制旁路，目的是在變頻器故障或檢修時，可以切換至工頻回路，保證風(fēng)機(jī)不停機(jī)，提升可靠性。一次接線如圖2所示。

旁路開關(guān)QF3與變頻回路的開關(guān)QF1和QF2設(shè)置閉鎖邏輯，即只有當(dāng)QF1和QF2斷開時，QF3才允許合閘。

節(jié)能效果測算：忽略電動機(jī)內(nèi)部損耗及風(fēng)機(jī)機(jī)械損耗，改造前，液力耦合器的輸出功率為：

式中：P2為液力耦合器的輸出功率；ε為液力耦合器的轉(zhuǎn)速比；P1為電動機(jī)輸入功率。

改造后，變頻器的調(diào)速效率提升，調(diào)速效率達(dá)到90%以上。換算至電動機(jī)輸入側(cè)的電功率為

節(jié)能率或節(jié)電率為：

據(jù)此式，推算出熱電廠6臺高壓風(fēng)機(jī)節(jié)電量。結(jié)果見表4。

表4 熱電廠高壓風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)電率

由表4可知，改造后，平均節(jié)電率達(dá)23.8%，每小時節(jié)電1139kWh。按年運(yùn)行7200h，則年節(jié)電約800萬kWh，節(jié)能2400t標(biāo)煤。以0.5元/kWh電價計算，年可節(jié)約成本400萬元。

（2）循環(huán)水泵節(jié)能。與風(fēng)機(jī)類似，水泵也是由電動機(jī)拖動的機(jī)電設(shè)備。而化工企業(yè)中，循環(huán)水泵占比大，一般達(dá)到2/3以上，其特點(diǎn)是裝機(jī)容量大、負(fù)載較為穩(wěn)定、運(yùn)行時間長。

在設(shè)計階段，循環(huán)水泵的選型主要根據(jù)工作介質(zhì)、流量、揚(yáng)程、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，選擇工作平穩(wěn)、壽命長的水泵。但在實際選型時往往難以做到水泵型號與電動機(jī)本體系統(tǒng)的完美結(jié)合；另外，運(yùn)行中管網(wǎng)阻力特性的不確定性也對循環(huán)水泵的運(yùn)行產(chǎn)生影響，造成實際運(yùn)行工況偏離設(shè)計特性曲線，使得循環(huán)水泵運(yùn)行效率低，耗電量增加。

如圖3所示，選定的循環(huán)泵的流量揚(yáng)程特性曲線是不變的，其與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)即為水泵工作點(diǎn)。設(shè)計時考慮的工作點(diǎn)Q1應(yīng)位于水泵的高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，但由于在設(shè)計階段，對管網(wǎng)特性曲線估計不準(zhǔn)確（往往推算的管網(wǎng)阻力會偏高），實際的管網(wǎng)特性會造成工作點(diǎn)發(fā)生偏移，而水泵在實際工作點(diǎn)Q2運(yùn)轉(zhuǎn)時，效率由η1下降到η2，造成能耗增加。

企業(yè)內(nèi)循環(huán)水泵較多，選擇公用工程分廠的冷卻循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能潛力分析，研究循環(huán)水泵的效率問題。

公用工程分廠內(nèi)的冷卻循環(huán)水泵共3臺，2用1備?？傇O(shè)計處理能力為5000t/h，正常循環(huán)水量為3600～5000t/h。設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行工況見表5、表6。

表5 改造前冷卻循環(huán)水泵設(shè)備參數(shù)表

表6 改造前冷卻循環(huán)水泵運(yùn)行工況

從表6可以看出，流量為額定數(shù)值的85%時，電機(jī)的運(yùn)行功率接近其額定功率，可見，大量的有功消耗在克服閥門阻力做功，而非推動水流有效做功，水泵運(yùn)行效率低。通過相關(guān)生產(chǎn)報表的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離了水泵的高效運(yùn)行區(qū)間，循環(huán)水泵存在工況匹配不合理的問題?？紤]對水泵進(jìn)行改造，使之重新運(yùn)行在高效運(yùn)行區(qū)間。

循環(huán)水泵的改造主要有2種方式：①變頻改造，通過電機(jī)變頻改變轉(zhuǎn)速、流量，使水泵重新運(yùn)行在高效區(qū)間，以降低功耗；②利用目前先進(jìn)的流體輸送高效節(jié)能技術(shù)重新設(shè)計定做高效節(jié)能型水泵，讓水泵的運(yùn)行點(diǎn)與管網(wǎng)特性、負(fù)載情況高度匹配，達(dá)到最佳運(yùn)行工況，降低能耗?？紤]到循環(huán)水泵的負(fù)載基本穩(wěn)定，變頻投資成本較高，選擇對循環(huán)水泵進(jìn)行重新設(shè)計定做的方式。

根據(jù)公用工程分廠冷卻循環(huán)水泵的運(yùn)行工況及系統(tǒng)管網(wǎng)特性，使用計算機(jī)建立網(wǎng)格計算模型；通過網(wǎng)格導(dǎo)入，對運(yùn)行工況的模擬，進(jìn)行流暢分析。通過對水的流動狀態(tài)分析，得出提高泵效率的針對性方法，采用CFD模擬技術(shù)，尋找出與生產(chǎn)實際更為匹配的水泵，原驅(qū)動電機(jī)不變。

經(jīng)過模擬計算后定做的水泵葉輪轉(zhuǎn)子，與舊水泵轉(zhuǎn)子相比，葉輪直徑和葉片角度減小、葉片前伸減薄，相鄰葉片相互交錯，水力效率得到提升。改造后的水泵參數(shù)見表7。

本改造方案可以在不影響生產(chǎn)的情況下進(jìn)行，具有投資小，見效快的特點(diǎn)。

表7 改造后冷卻循環(huán)水泵設(shè)備參數(shù)表

對公用工程分廠冷卻循環(huán)水泵葉輪改造的效果進(jìn)行評估分析。改造后，流量依然保持在4000～4400t/h，總管壓力基本維持不變，驗證改造前后循環(huán)水泵滿足生產(chǎn)需求，同時電機(jī)運(yùn)行的定子溫度下降明顯。水泵運(yùn)行工況見表8。

表8 改造后冷卻循環(huán)水泵運(yùn)行工況（7d均值）

改造后功率下降值：ΔP=312kW，節(jié)電率：η=28%。

按照年運(yùn)行7200h，則年節(jié)電量約220萬kWh，節(jié)標(biāo)煤660t。按0.5元/kWh的電價計算，年可節(jié)約成本110萬元。

3.3 節(jié)能管理和用能協(xié)調(diào)

化工企業(yè)的生產(chǎn)是一個龐大的能源、物料、人力等生產(chǎn)資源的再平衡過程，生產(chǎn)工序繁雜，中間產(chǎn)品種類多樣，投入的能源、物料品種多，存在較多的能源轉(zhuǎn)化并兼具企業(yè)間的能源互供關(guān)系，加上節(jié)能裝置的交叉，使得資源特別是能源分配協(xié)調(diào)的復(fù)雜程度和難度大大增加。過往，企業(yè)內(nèi)的協(xié)調(diào)主要采用人工協(xié)調(diào)的方式，即通過試運(yùn)行積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，技術(shù)工人根據(jù)試運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗判斷生產(chǎn)運(yùn)行情況，導(dǎo)致當(dāng)某部分生產(chǎn)工況（用能情況）發(fā)生變化時，能源調(diào)控過于依賴技術(shù)工人的經(jīng)驗，能源協(xié)調(diào)的可靠性差，協(xié)調(diào)動作滯后，造成能源浪費(fèi)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以信息技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐，建立企業(yè)能管中心，及時、全面掌握企業(yè)生產(chǎn)過程中的能源消耗情況，通過裝設(shè)大量的采集和控制設(shè)備，實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)過程的能源進(jìn)行在線實時采集、智能識別用能變化及用能異常、指導(dǎo)和控制能源投入量的信息化協(xié)調(diào)方式替代人工協(xié)調(diào)方式，將大大提高用能協(xié)調(diào)的可靠性、準(zhǔn)確性和時效性（高效）。因此，指導(dǎo)企業(yè)建立能管中心，通過信息化方式實現(xiàn)各分廠能源的同步協(xié)調(diào)，可提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)，同時提高化工生產(chǎn)的安全性。