淺談水泥工廠的電氣節(jié)能設(shè)計

滕 震 肖 馳

（南京凱盛國際工程有限公司，江蘇 南京 210036）

水泥生產(chǎn)的高能耗主要是消耗了大量以電能為主的能源。在全面推動節(jié)能減排的環(huán)境下，水泥設(shè)計院所和生產(chǎn)企業(yè)必須對生產(chǎn)的高耗能問題進行分析研究，尤其從降低生產(chǎn)過程的電能消耗著手。為此，本文提出了相關(guān)的電氣節(jié)能設(shè)計方案以供參考。

1 水泥工廠電氣節(jié)能設(shè)計的設(shè)想

水泥工廠主工藝節(jié)能設(shè)計方案宜選用先進的生產(chǎn)工藝和節(jié)能裝備。燒成系統(tǒng)計宜采用工業(yè)廢物、生活垃圾或污泥替代部分原料或燃料，并做好保溫。新建、擴建水泥工廠配套增加余熱發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。

電氣節(jié)能設(shè)計主要是在工藝方案確定的情況下對電網(wǎng)供配電系統(tǒng)進行合理的節(jié)能規(guī)劃設(shè)計。主要包括合理設(shè)計供配電系統(tǒng)，提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少線路損耗；選用高效節(jié)能電動機；選用節(jié)能型的變壓器；設(shè)計更加節(jié)能的照明系統(tǒng)；對工廠的電網(wǎng)進行技術(shù)升級，智能監(jiān)控大功率設(shè)備的用電情況，及時發(fā)現(xiàn)異常耗電的設(shè)備，分析主要耗電對象的特性以期節(jié)能方案；采用先進的人工智能控制技術(shù)，科學的智能優(yōu)化控制，從而有效節(jié)能。

2 水泥工廠電氣節(jié)能的具體設(shè)計

2.1 合理設(shè)計供配電系統(tǒng)

水泥工廠供配電系統(tǒng)應(yīng)進行合理的負荷計算，按電源條件、負荷特點合理確定變電所（站、室）的位置、電壓等級，以及系統(tǒng)的結(jié)線方式，按需要配置無功功率補償及諧波抑制裝置，合理選擇節(jié)能型電氣設(shè)備。

電源電壓等級需根據(jù)總裝機功率、上級電源點至廠區(qū)的距離和上級電源點的最高供電電壓確定。根據(jù)負荷大小和電源的輸送距離配置廠區(qū)各配變電站的電源電壓等級。同時需要考慮變配電站的位置應(yīng)接近負荷中心，減小變壓級數(shù)。一般水泥工廠的主要電壓等級有110kV，35kV，10kV，0.69kV，0.4kV。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》負荷計算和節(jié)能章節(jié)內(nèi)容介紹：

1）電網(wǎng)升壓后的功率損耗降低百分率如下表：

2）電力系統(tǒng)三相線路的有功功率損耗和無功功率損耗為：

?

其中R=rl，X=xl

上式中△PL——三相線路中有功功率損耗，kW；

△QL——三相線路中無功功率損耗，kvar；

R——每相線路電阻，Ω；

X——每相線路電抗，Ω；

l——線路計算長度，km；

IC——計算相電流，A；

R、x——線路單位長度的交流電阻和電抗，Ω/km；

由此可得，當線路中通過的電流和電纜截面積一定時，線路越長電阻越大，線路損耗越大；當線路中通過的電流和線路長度一定時，電纜截面積越大，線路損耗越??；當負載一定，電網(wǎng)電壓等級越大，電流越小，線路損耗越小。

綜上，通過選擇合適的電壓等級、減少配電半徑、選擇適當?shù)碾娎|的截面積可有效降低線路中的電能損耗，實現(xiàn)供電線路的節(jié)能。另外，因電纜敷設(shè)環(huán)境和敷設(shè)方式不同，還應(yīng)考慮電纜的溫升對于電力系統(tǒng)損耗的影響，對電纜的載流量進行相應(yīng)的溫度校正。

電氣設(shè)計需根據(jù)廠區(qū)的布置情況，確定各工藝段的裝機和負荷情況合理選擇總降壓站的電壓等級，合理設(shè)置配電站數(shù)量和電氣室變壓器數(shù)量及容量，選用合理的配電方案，使配電系統(tǒng)可以更加靈活的應(yīng)對因生產(chǎn)任務(wù)變化而導致的負荷變化，有效避免輕載運行時出現(xiàn)的電能損耗。

2.2 提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)

水泥工廠的負載類型復雜，功率因數(shù)普遍偏低。低功率因數(shù)的電力系統(tǒng)不僅系統(tǒng)運行不穩(wěn)定還會產(chǎn)生更多的無功電能消耗。

配電系統(tǒng)消耗的無功功率中，一般異步電動機約占70%，變壓器約占20%，線路約占10%，因此首先需從提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)著手，不足部分再裝設(shè)人工補償。提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)可以通過合理選擇功率因數(shù)較高的電動機、選用高功率因數(shù)的節(jié)能型變壓器來實現(xiàn)。

目前水泥行業(yè)的人工補償普遍采用總降壓站補償、配電站、低壓變壓器和設(shè)備補償相結(jié)合，以就地平衡為主，共同做好無功補償?shù)呐渲?。工程設(shè)計選用并聯(lián)多組投切的電容器組，根據(jù)負載的電壓、電流和所需無功功率情況，自由組合容量，自動計算，自動循環(huán)投切電容器組，使無功補償?shù)墓β室驍?shù)不低于設(shè)計值。

通過提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，可以減少線路損耗及變壓器的銅耗，減少電網(wǎng)電源向感性負荷提供的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

2.3 優(yōu)化提高電動機節(jié)能

電動機是為水泥生產(chǎn)提供動力的重要耗電設(shè)備，水泥工廠的大功率設(shè)備的電機普遍功率因數(shù)和機械傳動效率較低，是水泥工廠節(jié)能設(shè)計的主要切入對象。

工程設(shè)計需先從電動機的選型入手，盡量選擇傳動效率和功率因數(shù)優(yōu)質(zhì)的電機產(chǎn)品，同時電機額定功率需和拖動設(shè)備匹配，避免“大馬拉小車”，平均負荷率低于40%的電動機，應(yīng)予以更換。功率較大、經(jīng)常恒速運行的設(shè)備，應(yīng)盡量采用同步電動機。對于有調(diào)速需求的設(shè)備或者大功率的風機類負載，盡量采用變頻調(diào)速的方式，避免全速運行所造成的電能損失。繞線電機負載設(shè)備如水泥磨主電機、輥壓機、破碎機等，宜采用水電阻起動、進相機就地補償?shù)姆绞剑岣唠妱訖C自身的功率因數(shù)、降低電動機定子電流，以達到節(jié)能狀態(tài)。

近些年永磁調(diào)速、永磁耦合器等產(chǎn)品不斷地推廣應(yīng)用于水泥行業(yè)，提高了電機效率，增加了傳動效率，為行業(yè)的綠色節(jié)能提供了新方案。

2.4 選用節(jié)能型的變壓器

變壓器的損耗包含：有功功率損耗和無功功率的損耗。有功功率的損耗有鐵損和銅損，鐵損成為空載損耗，銅損與變壓器的負載電流成正比。無功損耗一部分為勵磁電流損耗，與變壓器鐵芯有關(guān)；另一部分為一、二次繞組的漏磁電抗損耗，與負載電流的平方成正比。

因此設(shè)計時根據(jù)相關(guān)國標和地方綠色建筑標準要求選擇高效節(jié)能型的變壓器，減少變壓器的有功及無功損耗。另外，要合理選擇變壓器的容量，使變壓器的負載率控制在75% -85%之間，當負載率低于45%，應(yīng)按照實際情況考慮將變壓器容量降一檔；當負載率超過85%時，應(yīng)考慮將變壓器容量升一檔，這樣既保證變壓器有較小的空載負荷又有一定的容量富余。

2.5 照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計要在保證照明質(zhì)量和照度的前提下，盡可能地合理布置照明燈具；同時選擇照明光源時，在符合光照度和顯色等標準指數(shù)的同時，盡量選擇高效節(jié)能LED燈。在室內(nèi)區(qū)域允許的情況下，盡可能的利用自熱光，建筑專業(yè)可以通過設(shè)計提高室內(nèi)表面的反射比、增加采光窗等方式引自然光入車間內(nèi)部。

在光照充足的區(qū)域，可以通過太陽能發(fā)電的方式為非保證生產(chǎn)的場合提供備用能源使用。近年來光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，可在景觀區(qū)、生活區(qū)、辦公區(qū)等場所引入太陽能蓄電池組或者其它太陽能設(shè)施，從而節(jié)省電網(wǎng)電能的投入。

工程設(shè)計可引入廠區(qū)智能照明系統(tǒng)和廠區(qū)景觀亮化系統(tǒng)，合理設(shè)計，智能亮度調(diào)節(jié)，智能分區(qū)分時分組控制，在方便廠區(qū)生產(chǎn)生活照明管理的前提下，優(yōu)化照明方案，減少照明系統(tǒng)耗電。

2.6 人工智能控制節(jié)能

近年來，水泥行業(yè)在不斷的引入和完善先進智能制造技術(shù)，通過專家系統(tǒng)的采用使水泥工廠在提高了自動化水平的同時，也使得水泥工廠的定員人數(shù)降到了百人以下，從傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗參數(shù)控制到科學的智能優(yōu)化控制，增加關(guān)鍵工藝智能測點，實時監(jiān)測電網(wǎng)負荷及各種關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)，在水泥產(chǎn)能及品質(zhì)穩(wěn)定的同時，使調(diào)速設(shè)備長期處于最優(yōu)運行頻率，同時優(yōu)化燃料的投入，及時發(fā)現(xiàn)異常耗電設(shè)備。

2.7 引入能效管理系統(tǒng)

能效管理系統(tǒng)可為工廠節(jié)能提供相關(guān)數(shù)據(jù)的支持，能夠存儲海量的歷史數(shù)據(jù)，讓客戶動態(tài)掌握全廠的用電情況，根據(jù)自身企業(yè)狀況，設(shè)定能源管理目標，將實際能耗與目標管理進行分析，查找和發(fā)現(xiàn)問題，助力改進提高管理水平，以達到降低能耗的目的。另外通過分析用電峰值，可探索優(yōu)化錯峰生產(chǎn)的方案等。

近年來，一些水泥企業(yè)自行改造新增定制電力需求管理系統(tǒng)，通過第三方企業(yè)提供的電力云平臺管理方案，資金投入低，運維簡單，可通過移動端實時查看相關(guān)的運行數(shù)據(jù)和用電異常情況，為企業(yè)尋求科學管理和節(jié)能提供了一種解決方案。

3 結(jié)語

通過對水泥工廠電氣節(jié)能設(shè)計，可以節(jié)約工廠電能損耗，進一步提升水泥生產(chǎn)效率，在節(jié)省電能的同時也減少了水泥工廠運營資金投入。提高工廠生產(chǎn)過程中的電能利用率，采用先進的節(jié)能設(shè)備和合理設(shè)計方案，根據(jù)工程設(shè)計的實際情況綜合控制節(jié)能產(chǎn)品的投入，在節(jié)能環(huán)保的同時避免不必要的資金投入，以產(chǎn)生較好的社會效益和經(jīng)濟效益。