基于設(shè)計(jì)實(shí)例的化工企業(yè)節(jié)能措施探討

摘要：介紹了化工企業(yè)低壓供配電系統(tǒng)產(chǎn)生損耗的主要原因，通過(guò)實(shí)例計(jì)算，提出節(jié)能措施，并結(jié)合實(shí)際案例，探討了化工企業(yè)供配電系統(tǒng)的幾種節(jié)能方式。

關(guān)鍵詞：化工企業(yè);供配電系統(tǒng);損耗;節(jié)能

0 引言

化工業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用。然而，化工企業(yè)往往用電損耗較大，不僅增加了企業(yè)運(yùn)行成本，還造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此，化工企業(yè)的供配電系統(tǒng)采取有效的節(jié)能降損措施，不僅能積極推動(dòng)企業(yè)自身發(fā)展，還能促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 化工企業(yè)低壓供配電系統(tǒng)產(chǎn)生電能損耗的主要原因

1.1? ? 變壓器損耗

變壓器作為一種電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，是低壓供配電系統(tǒng)的核心。變壓器損耗包括空載損耗、負(fù)載損耗、介質(zhì)及雜散損耗，其中空載及負(fù)載損耗為主要損耗。空載損耗為不變的鐵芯損耗，可變的負(fù)載損耗由變壓器的負(fù)載電流通過(guò)變壓器繞組產(chǎn)生。

1.2? ? 配電線路損耗

化工企業(yè)配電線路主要由電力電纜組成，由于構(gòu)成電纜芯線的銅、鋁導(dǎo)體自身存在電阻，因此線路在電能傳輸過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生電能損耗，其損耗值與導(dǎo)體的截面積、長(zhǎng)度和材料密切相關(guān)。

1.3? ? 交流異步電動(dòng)機(jī)損耗

三相交流異步電動(dòng)機(jī)在化工企業(yè)中有著極其廣泛的應(yīng)用，在企業(yè)用電設(shè)備中占據(jù)極大的比例。電動(dòng)機(jī)損耗包括負(fù)載損耗及空載損耗，負(fù)載損耗主要為定子、轉(zhuǎn)子電阻損耗，空載損耗由鐵芯、機(jī)械損耗構(gòu)成。

1.4? ? 照明系統(tǒng)損耗

照明系統(tǒng)損耗通常由光源損耗及照明線路損耗構(gòu)成。光源在發(fā)光時(shí)，電能并不能全部轉(zhuǎn)化為光能，一部分能量以熱量形式散發(fā)，造成損耗。照明線路導(dǎo)體自身存在電阻，因此線路在傳輸電能時(shí)也將產(chǎn)生一定的損耗。

2 化工企業(yè)低壓供配電系統(tǒng)的節(jié)能措施

2.1? ? 變壓器節(jié)能

化工企業(yè)供配電系統(tǒng)在新建或改造時(shí)必須考慮變壓器節(jié)能的相關(guān)因素，一般考慮如下兩個(gè)方面：（1）選擇高能效變壓器;（2）變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在化工企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，通常采取使用高能效變壓器和變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并用的方法，以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

2.1.1? ? 選擇高能效變壓器

企業(yè)在新建或更換變壓器時(shí)，應(yīng)采用SC（B）13或以上能效等級(jí)的變壓器。相較于低能效變壓器，采用高能效變壓器年節(jié)約有功電量△AP和無(wú)功電量△AQ分別為：

式中，Hpy為年用電小時(shí)數(shù);τ為負(fù)載損耗小時(shí)數(shù);β為負(fù)載率;ΔP0為空載損耗差;ΔPk為負(fù)載損耗差;ΔQ0為無(wú)功損耗差;ΔQk為無(wú)功功率差。

2.1.2? ? 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

化工企業(yè)根據(jù)用電負(fù)荷一般會(huì)配置兩臺(tái)或多臺(tái)主變，多臺(tái)變壓器始終同時(shí)運(yùn)行往往造成電能浪費(fèi)，應(yīng)考慮n臺(tái)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的臨界運(yùn)行負(fù)荷SJP條件：

式中，SrT為額定容量;P0為空載損耗;Pk為負(fù)載損耗;KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量;Q0為無(wú)功損耗;Qk為無(wú)功功率。

若實(shí)際負(fù)荷SSJP時(shí)，宜n臺(tái)主變運(yùn)行。

2.2? ? 配電線路節(jié)能

化工企業(yè)中通常存在大量的配電線路，因此降低線路損耗對(duì)于企業(yè)節(jié)能有著積極意義?？紤]到化工企業(yè)配電線路及負(fù)荷眾多，后期更換電纜施工量大，因此通常在低壓供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮采取降低線路損耗的措施。降低線路損耗可采取如下措施：（1）采用導(dǎo)電率高的導(dǎo)體;（2）按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體截面積。

2.2.1? ? 采用導(dǎo)電率高的導(dǎo)體

在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，化工企業(yè)應(yīng)優(yōu)先采用銅芯電纜作為低壓供配電系統(tǒng)的配電線路。根據(jù)歐姆定律功率基本公式P=I2R可知，電阻更低的銅導(dǎo)體，在電流一定時(shí)產(chǎn)生的損耗更低。

2.2.2? ? 按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體截面積

導(dǎo)體截面經(jīng)濟(jì)選型可分為經(jīng)濟(jì)電流范圍法和經(jīng)濟(jì)電流密度法。

（1）經(jīng)濟(jì)電流范圍法用公式計(jì)算出經(jīng)濟(jì)電流上限值Iec2、下限值Iec1后，根據(jù)限值范圍選擇合理的電纜截面。例：經(jīng)計(jì)算，截面積為120 mm2的0.6/1 kV銅芯低壓電纜在Tmax=6 000 h、中間電價(jià)為0.51～0.60元/kWh時(shí)，Iec2為151.8 A，Iec1為117.6 A，現(xiàn)某用電設(shè)備線路計(jì)算電流為131 A，處于經(jīng)濟(jì)電流上限值Iec2及下限值Iec1范圍內(nèi)，選擇3×120+2×70 mm2的電纜作為此配電回路的電纜是合理的。

（2）經(jīng)濟(jì)電流密度法是通過(guò)負(fù)荷電流和經(jīng)濟(jì)電流密度的比值得出電纜經(jīng)濟(jì)截面。一般電纜經(jīng)濟(jì)電流密度可查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)上的經(jīng)濟(jì)電流密度曲線得出。例：YJV 4芯電纜在電價(jià)為0.363元/kWh、Tmax=1 000 h時(shí)，查表可得經(jīng)濟(jì)電流密度約為3 A/mm2，某用電設(shè)備線路計(jì)算電流為110 A，S=110/3≈36.7 mm2，就近選取3×35+1×16 mm2低壓YJV電纜。

2.3? ? 交流異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能

三相交流異步電動(dòng)機(jī)可從降低自身?yè)p耗或從實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，采取措施以達(dá)到節(jié)能目的。對(duì)于降低電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗，可采用經(jīng)過(guò)特殊處理的鐵芯材料、增加導(dǎo)線截面、縮短線圈長(zhǎng)度、選用電阻率更低的導(dǎo)線等方法。從實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，可采用以下節(jié)能方法：（1）采用高效率電動(dòng)機(jī);（2）根據(jù)負(fù)荷特性合理選取電動(dòng)機(jī);（3）采用變頻控制的電動(dòng)機(jī);（4）電動(dòng)機(jī)無(wú)功就地補(bǔ)償。

2.4? ? 照明系統(tǒng)節(jié)能

對(duì)于化工企業(yè)照明系統(tǒng)的節(jié)能，可選擇如下方法：（1）合理確定各場(chǎng)所的照度標(biāo)準(zhǔn);（2）選擇合理的照明方案及照明控制方式;（3）選擇高效、節(jié)能的光源;（4）降低照明線路的損耗;（5）充分利用天然光源、太陽(yáng)能。近年來(lái)化工企業(yè)照明系統(tǒng)中，高光效、使用壽命長(zhǎng)的LED光源燈具應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。LED光源相較于過(guò)去廠房設(shè)計(jì)采用的高壓鈉燈和金鹵燈，其節(jié)能更加高效。

2.5? ? 其他節(jié)能措施

2.5.1? ? 提高供配電系統(tǒng)功率因數(shù)

提高功率因數(shù)可以有效減少配電線路損耗及變壓器的負(fù)載損耗。變壓器節(jié)約的有功功率和無(wú)功功率計(jì)算公式如下：

式中，P2為負(fù)荷功率;SrT為額定容量;PK為有功損耗;QK為無(wú)功損耗;cos φ1、cos φ2為功率因數(shù)。

提高功率因數(shù)通?？刹捎脽o(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑹o(wú)功補(bǔ)償可采用并聯(lián)電容器、SVG或SVC。

2.5.2? ? 變配電所靠近負(fù)荷中心

變配電所靠近負(fù)荷中心可有效減少線路長(zhǎng)度，降低線路損耗。

2.5.3? ? 采用能效管理系統(tǒng)

能效管理系統(tǒng)作為一種新型計(jì)算機(jī)數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)企業(yè)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析，為企業(yè)提供完備的節(jié)能建議及方案，有效提升化工企業(yè)的能效管理水平。

3 化工企業(yè)低壓供配電系統(tǒng)節(jié)能實(shí)例

3.1? ? 實(shí)例一：江蘇某新建化工項(xiàng)目中變壓器選擇對(duì)節(jié)能的影響

該項(xiàng)目根據(jù)負(fù)荷計(jì)算后，選擇2臺(tái)10/0.4 kV、Dyn11、2 000 kVA變壓器，1臺(tái)2 500 kVA變壓器。2臺(tái)2 000 kVA變壓器單母線分段接線，2 500 kVA變壓器單母線接線。變壓器采用某品牌SCB13干式變壓器，其中2 500 kVA變壓器參數(shù)如表1所示，與該品牌SCB10變壓器參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)變壓器負(fù)載率為75%，年工作小時(shí)數(shù)為8 400 h，年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)為7 000 h，Q0 （13）≈I0 （13）%SN×10-2=7.5 kvar，Qk （13）≈Uk （13）%SN×10-2=150 kvar，Q0 （10）≈I0 （10）%SN×10-2=12.5 kvar，Qk （10）≈Uk （10）%SN×10-2=150 kvar。

單臺(tái)2 500 kVA變壓器全年節(jié)約的有功電量和無(wú)功電量分別為：

上述計(jì)算表明，選用高能效變壓器，有功和無(wú)功電量均可達(dá)到明顯節(jié)約效果，同時(shí)各地供電部門也要求新建項(xiàng)目使用高能效變壓器，因此高能效變壓器的廣泛運(yùn)用勢(shì)在必行。

3.2? ? 實(shí)例二：江蘇某化工企業(yè)改造項(xiàng)目增加無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)節(jié)能的影響

該項(xiàng)目電氣專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容為對(duì)廠區(qū)某片區(qū)原供配電系統(tǒng)升級(jí)改造，其中一項(xiàng)為增加無(wú)功功率補(bǔ)償。該片區(qū)由一臺(tái)10/0.4 kV、1 000 kVA SC（B）10變壓器供電，中途擴(kuò)建一次，原先未設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償。改造時(shí)該片區(qū)裝置負(fù)荷容量如表2所示。

變壓器參數(shù)空載損耗1 770 W，負(fù)載損耗7 090 W，Uk=6%，I0=0.4%，增加300 kvar靜止無(wú)功發(fā)生器SVG作無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)cos φ=0.9，變壓器節(jié)約的有功功率和無(wú)功功率：

由上述計(jì)算可見，增加無(wú)功功率補(bǔ)償在提高功率因數(shù)的同時(shí)，降低了系統(tǒng)無(wú)功功率，減少了損耗，全年可節(jié)約有功電量約13 403 kWh。

3.3? ? 實(shí)例三：甘肅省某精細(xì)化工企業(yè)新建項(xiàng)目LED工廠照明設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能的影響

該企業(yè)需新建若干倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存產(chǎn)品，其中某倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)、寬、高分別為66 m、28 m、10 m。下面采取兩種照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

由表3可知，在燈具數(shù)量相同的情況下，LED工廠燈單燈功率相較于金鹵燈減少33%，倉(cāng)庫(kù)照明用電功率減少2.05 kW，同時(shí)在維持照度值基本不變的前提下，使用LED光源燈具能使照明功率密度值有效降低，有利于系統(tǒng)節(jié)能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述理論和實(shí)例分析，化工企業(yè)低壓供配電系統(tǒng)在采取有效的節(jié)能降損措施后，可以達(dá)到降低電能損耗的目的。企業(yè)供配電系統(tǒng)宜采取多種節(jié)能措施并用的方式，可帶來(lái)更佳的節(jié)能效果。

收稿日期：2020-06-06

作者簡(jiǎn)介：夏斌（1991—），男，江蘇南京人，助理工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作。