試論水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

董吉青

東營弘毅工程勘察設(shè)計(jì)有限公司 山東東營 257091

同冶金、化工、建筑等行業(yè)相比，水利水電工程的能耗較低，如果對其用能工藝、節(jié)能設(shè)備、節(jié)能管理等重視不夠，導(dǎo)致水利水電工程在發(fā)揮功能過程中難以做到高效節(jié)能。尤其電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，易導(dǎo)致能源的不合理消耗?？梢姡谒姽こ屉姎庠O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入綠色節(jié)能理念，具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。“節(jié)能降耗，保護(hù)生態(tài)”是一項(xiàng)基本國策，是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，保障國家經(jīng)濟(jì)安全、改善環(huán)境的重要措施之一。目前中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，已經(jīng)從高效率轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量發(fā)展，節(jié)能降耗已成為各個行業(yè)追求的目標(biāo)。近年來，水利工程建設(shè)管理認(rèn)真貫徹習(xí)近平總書記“生態(tài)文明建設(shè)”思想和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水方針，把建設(shè)“幸福河湖”作為未來河湖治理的主要方向。治水主要矛盾和治水思路發(fā)生了轉(zhuǎn)變，治水興水迎來了難得的戰(zhàn)略新機(jī)遇。水利工程在水安全的前提下，被賦予了更多功能，并與水生態(tài)、水環(huán)境、水景觀、水經(jīng)濟(jì)相融合，滿足人們臨水、親水、觀水、樂水的需求。為建設(shè)安全河湖、生態(tài)河湖、景觀河湖、文化河湖、幸福河湖，需要大量的用電設(shè)備運(yùn)用到水利工程當(dāng)中，電力資源需求量也相應(yīng)增加，電氣節(jié)能問題逐漸凸顯，電氣節(jié)能效益已逐漸成為衡量水利工程項(xiàng)目可持續(xù)性的重要指標(biāo)，電氣節(jié)能設(shè)計(jì)意義重大。

1 水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)重要性

長期以來，水利水電工程在城市防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、居民生活、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。特別是在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，水利水電工程的數(shù)量增多、規(guī)模擴(kuò)大。

電氣設(shè)備是水利水電工程運(yùn)行的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)若存在能源損耗大的問題，工程在整個運(yùn)用期間將處于低效、高耗運(yùn)行狀態(tài)，造成極大的浪費(fèi)。由此可見，水利水電工程電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，節(jié)能手段的應(yīng)用是很有必要的。無論從微觀，還是宏觀角度，水利水電工程建設(shè)，均需落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，注重能耗控制，推動行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

2 水利水電中的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則

2.1 在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時，應(yīng)滿足基本的功能需求

在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中，制定和設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分滿足工程的基本功能和要求。例如，設(shè)計(jì)人員首先要考慮電動機(jī)是否能滿足實(shí)際工作要求，然后再考慮是否能節(jié)能降耗；如果不能滿足正常工作要求，其節(jié)能功能就缺乏相應(yīng)的實(shí)用價值和意義。因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，必須優(yōu)先考慮能否滿足基本功能和要求。

2.2 相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)考慮低能耗和環(huán)保的需要

在電氣工程的節(jié)能設(shè)計(jì)中，既要考慮設(shè)備的節(jié)能效果，又要充分利用現(xiàn)代技術(shù)，達(dá)到低耗節(jié)能的目的。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對電氣工程進(jìn)行全面深入的研究，分析各個環(huán)節(jié)的能耗情況，從而選擇合理的工藝控制能耗，解決具體的電耗問題。

2.3 節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)保證經(jīng)濟(jì)性的合理性

節(jié)能設(shè)計(jì)最根本的目的之一就是有效控制和降低投資成本。因此，技術(shù)設(shè)計(jì)和方案必須是可行的，而不僅僅是為了節(jié)能；如果設(shè)計(jì)方案過于傾向于節(jié)能降耗，忽視了基本功能，就會導(dǎo)致更多的成本投資。

3 水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 貫徹全方位節(jié)能設(shè)計(jì)方法

電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)與其他專業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，配合工程規(guī)劃與總布置節(jié)能設(shè)計(jì)；水工建筑物、生產(chǎn)用房、管理生活用房等建筑物節(jié)能設(shè)計(jì)；水力機(jī)械及輔助設(shè)備以及金屬結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)，共同構(gòu)建一個有機(jī)的節(jié)能體系。

無論是工程施工期，還是運(yùn)行期，節(jié)能設(shè)計(jì)還應(yīng)通過加強(qiáng)技術(shù)管理（安裝完備的能源計(jì)量器具，實(shí)現(xiàn)對能源消耗量的統(tǒng)計(jì)、考核）、建立健全能源管理體系等措施，構(gòu)建系統(tǒng)化的能源管理體系。

3.2 合理選擇輸電線路路徑，使線路最短，節(jié)省投資和運(yùn)行成本

按經(jīng)濟(jì)電流密度法選擇導(dǎo)線截面，降低線路損耗。線路選用電阻率小的導(dǎo)電材料，導(dǎo)線截面按使線纜初始投資和經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)線路損耗費(fèi)用之和最少選擇，即選擇經(jīng)濟(jì)電流，有資料顯示可減少35%-42%的線路損耗。

3.3 控制照明系統(tǒng)能耗

照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于，保障照明系統(tǒng)的照度，減少光能損耗。常用的照明系統(tǒng)能耗控制措施為自然光的開發(fā)、綠色環(huán)保設(shè)計(jì)與高效光源的選擇三項(xiàng)。

在自然光的開發(fā)方面，可將電氣工程與土建工程配合，開發(fā)利用自然光，減少照明系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。例如，對于地下部位的施工，可通過光導(dǎo)光照明系統(tǒng)的應(yīng)用，將太陽光引入導(dǎo)管內(nèi)，發(fā)散到地下區(qū)域，用于照明。

在綠色環(huán)保設(shè)計(jì)方面，全面考慮照明系統(tǒng)的能耗與環(huán)境污染現(xiàn)象，通過系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)能耗的同時，避免燈光危害周邊居民的正常生產(chǎn)生活。例如，對于工程施工的一般場所，可選擇220V照明設(shè)備；對于存在導(dǎo)電灰塵的高溫施工環(huán)境，照明設(shè)備電源電壓需低于36V；對于潮濕用電環(huán)境，照明設(shè)備電源電壓需低于24V等，保障施工的安全性。

在高效光源的選擇方面，遵循顯色性能優(yōu)異、發(fā)光效率高與壽命周期長等要求，根據(jù)水利水電工程的不同電氣場所需求，選擇合適的光源，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的最大化利用，減少能源損耗。例如，針對辦公室室內(nèi)，可選擇節(jié)能熒光燈；針對機(jī)械車間，可選擇高頻無極熒光燈；針對科研場所，可選擇高壓鈉燈。同時，對于不同照明場所的特殊性，需適當(dāng)調(diào)整照明光源。例如，對于顯色要求較高的場所，優(yōu)先選用陶瓷金鹵燈；對于安裝高度高、維修難度大的場所，優(yōu)先選用高頻無極熒光燈，實(shí)現(xiàn)燈具的長期可靠運(yùn)行[1]。

3.4 注重長期效益，合理選擇節(jié)能設(shè)備

一方面由于節(jié)能設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的成本較高所以價值比較昂貴，另一方面由于前瞻性不強(qiáng)，未對新技術(shù)、新材料和新工藝及時深入了解。目前部分機(jī)電工程為了節(jié)約成本而選擇采用傳統(tǒng)的節(jié)能設(shè)備，沒有研發(fā)或引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備，但事實(shí)上，傳統(tǒng)的節(jié)能設(shè)備反而會增加電能的消耗，從而增加運(yùn)行成本，而先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備雖然在研發(fā)或引進(jìn)時耗費(fèi)較多（近年來，先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備成本也日趨降低），但工程運(yùn)行期會節(jié)約大量的電能，從而節(jié)省費(fèi)用。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)和需要，本著水利水電在國民生產(chǎn)中的作用，綜合考慮項(xiàng)目成本和運(yùn)行成本，合理選擇節(jié)能設(shè)備。

3.5 優(yōu)化設(shè)備配置

①將以往的定子鐵芯D42硅鋼片材料，替換為取向硅鋼片，減少鐵磁損耗，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度；②選擇F級環(huán)氧分云母帶作為定子線圈的絕緣，從原本的B級絕緣改造為F級絕緣，強(qiáng)化絕緣效果，提升散熱效果，提高輸出功率；③保障器件功能不變（包括通風(fēng)冷卻性能、運(yùn)行安全性能等）的基礎(chǔ)上，提升轉(zhuǎn)子勵磁繞組的匝數(shù)或截面，減少銅線損耗；④改進(jìn)發(fā)電機(jī)的風(fēng)路系統(tǒng)，優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)，將原本的通風(fēng)損耗從額定容量的2%-5%，降低到0.4%，降低通風(fēng)損耗，提高發(fā)電機(jī)的輸出效率，實(shí)現(xiàn)增容的建設(shè)目標(biāo)。水輪機(jī)由原本的HL220-LJ-225（0°）更換為HL220-LJ-225（+2°），更換器件包括導(dǎo)葉、傳動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)輪，提升水輪機(jī)的出力和抗氣蝕性能。

在電氣設(shè)備布設(shè)方面，將發(fā)熱量大的設(shè)備布置于通風(fēng)口部位，為設(shè)備提供自然散熱環(huán)境，減少機(jī)械通風(fēng)的應(yīng)用，降低能耗。對于變壓器室等熱量較多的場所，施工單位在土建工程中應(yīng)用隔墻隔熱措施，強(qiáng)化熱量散發(fā)效果，減少空調(diào)系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

3.6 液壓升降壩電動機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)

液壓升降壩電動機(jī)啟動應(yīng)優(yōu)先采用直接啟動，在直接啟動不能滿足電動機(jī)端電壓要求時，可以采用降壓啟動方式。液壓升降閘電動機(jī)功率為30kW，采用了JJR1000軟啟動器，這種啟動器優(yōu)點(diǎn)是能夠平穩(wěn)啟動、平穩(wěn)運(yùn)行，整個過程中電流的變化較小。從而降低了電流對電網(wǎng)的沖擊作用，使電壓能夠始終保持在恒定的范圍之內(nèi)，達(dá)到電氣節(jié)能的目的。

3.7 合理提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)

用電設(shè)備型號以及調(diào)速控制方案確定后，當(dāng)自然功率因數(shù)無法達(dá)到接入電網(wǎng)的要求，此時就應(yīng)及時進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。?？谟崴谜緝?nèi)水泵電動機(jī)采用10kV線路供電，還需另配站用變壓器，以滿足其他小功率輔助設(shè)備使用，高壓側(cè)、低壓側(cè)均設(shè)置電容器無功補(bǔ)償裝置，有效減少線路和變壓器電能損耗[2]。

4 結(jié)語

綜上所述，作為當(dāng)前工程建設(shè)的重要組成部分，水利水電的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤為重要。因此，電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)承擔(dān)相應(yīng)的工作責(zé)任，做好全面、充分的準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)行電氣節(jié)能設(shè)計(jì)；同時，從安全性、穩(wěn)定性和可靠性等方面，選用低能耗的設(shè)備設(shè)施，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)降低能耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益全面提高。