煉化企業(yè)高效節(jié)能電氣設(shè)備更新應(yīng)用研究

張曉寧 郭衛(wèi)東 董海洋 張曉幸

1.中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司 山東青島 266300；2.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠 甘肅酒泉 735200

“十四五”是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰關(guān)鍵期、推進(jìn)碳中和起步期。在當(dāng)下國(guó)家能源戰(zhàn)略調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有利于“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”的企業(yè)建設(shè)。煉化企業(yè)作為能源的供應(yīng)方，同時(shí)也是高耗能生產(chǎn)單位。降低電能的損耗，做好能耗管理，對(duì)提升企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益有著重要意義，對(duì)低碳發(fā)展有著積極的作用。玉門(mén)煉油化工總廠作為一家大型煉油化工企業(yè)，電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備數(shù)量多，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，企業(yè)目前在用的部分設(shè)備已無(wú)法滿足低碳發(fā)展的要求。通過(guò)對(duì)企業(yè)各生產(chǎn)裝置詳細(xì)排查和市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合工程建設(shè)單位施工經(jīng)驗(yàn)提出高耗能設(shè)備更新方案，為企業(yè)提質(zhì)增效、低碳發(fā)展提出新思路。

1 企業(yè)在用高耗能電氣設(shè)備調(diào)研

玉門(mén)煉油化工總廠主要的終端用能電氣設(shè)備有電力變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)、加熱器。其中電力變壓器和電動(dòng)機(jī)由于自身會(huì)產(chǎn)生熱量，消耗電能。根據(jù)國(guó)家工信部下發(fā)的《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》和中石油集團(tuán)公司煉化板塊下發(fā)的電力技術(shù)管理若干規(guī)定的相關(guān)要求，重點(diǎn)對(duì)各生產(chǎn)裝置的終端用能設(shè)備進(jìn)行排查。

1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)在用狀況

各生產(chǎn)裝置現(xiàn)有的三相異步電動(dòng)機(jī)BJO2系列、Y 系列、Y2 系列、YB 系列、部分YB2系列、JO2 系列及JS 等系列電動(dòng)機(jī)不符合GB18613- 2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》能效限定值要求，其中BJO2系列電動(dòng)機(jī)效率低，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩低；Y 系列電動(dòng)機(jī)是20 世紀(jì)80 年代全國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其導(dǎo)磁材料使用熱軋硅鋼片，能耗高、效率低、環(huán)保性差；YB 系列、部分YB2 系列、JO2 系列及JS 系列電動(dòng)機(jī)為《高耗能落后機(jī)電設(shè)備(產(chǎn)品)淘汰目錄》中限期停止使用產(chǎn)品。這些電機(jī)每年要消耗大量的電力能源，并嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 電力變壓器在用狀況

現(xiàn)有部分變配電所電力變壓器S7、S7d、S9、SJL、SJ3、SL1、SL7、SJ1 系列油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器，負(fù)載損耗、空載損耗、總損耗均較高，已經(jīng)達(dá)不到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB20052- 2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中能效限定值的要求。

2 終端用能設(shè)備能耗分析

玉門(mén)煉油化工總廠終端用能設(shè)備能耗較大的電氣設(shè)備主要有三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和油浸式電力變壓器。

2.1 電動(dòng)機(jī)能耗分析

當(dāng)電能輸入電動(dòng)機(jī)后，現(xiàn)有電能轉(zhuǎn)化為磁能。在由磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)自身會(huì)產(chǎn)生電路損耗、磁路損耗，這些損耗都是有電機(jī)本體的材質(zhì)銅、鋁和鐵以熱能的形式散發(fā)出來(lái)。如果將這些損耗減少到合理的區(qū)間，即可達(dá)到節(jié)能目的。

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率輸出的原理就是在電能輸入一定的條件下，電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗小，從而實(shí)現(xiàn)最大的機(jī)械能輸出。

2.2 變壓器能耗分析

2.2.1 配電變壓器的空載損耗

變壓器空載損耗主要是鐵芯損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成，也稱鐵損?？蛰d損耗與鐵芯的磁通密度、材料性能、芯片厚度和加工工藝等有關(guān)。目前，隨著高牌號(hào)電工鋼帶應(yīng)用，單位重量空載損耗迅速降低，國(guó)產(chǎn)鋼帶在磁通密度1.7T 下約為0.85kW/ kg，非晶合金鐵芯更可達(dá)到1.2T 下小于0.2W/ kg 的水平。

2.2.2 配電變壓器的負(fù)載損耗

配電變壓器負(fù)載損耗主要為負(fù)載電流通過(guò)繞組時(shí)的損耗，也稱為銅損，其值與負(fù)載電流的二次方成正比。負(fù)載電流引起的漏磁通會(huì)在繞組內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，并在繞組外的金屬部分產(chǎn)生雜散損耗。負(fù)載損耗還受變壓器溫度影響。

2.2.3 變壓器電能損耗計(jì)算

以淘汰的S9 系列1000kVA 變壓器與高效節(jié)能的S13 系列1000kVA 變壓器作為對(duì)比。

S9 系 列 變 壓 器 技 術(shù) 數(shù) 據(jù)：P0=1320W，I0%=1.0，Pe=10300W，uk%/ =4.5

S13 系 列 變 壓 器 技 術(shù) 數(shù) 據(jù)：P0=830W，I0%=0.4，Pe=10300W，uk%/ =4.5

根據(jù)工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)，配電變壓器年綜合電能損耗計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

式中：Wp——變壓器年綜合電能損耗，kW·h；

P0——變壓器額定空載有功損耗；

Pk——變壓器額定負(fù)載有功損耗；

Hpy——變壓器年帶電小時(shí)數(shù)，取8760h；

uk%——變壓器額定短路阻抗電壓百分?jǐn)?shù)；

σ——變壓器年最大負(fù)載損耗小時(shí)數(shù)，石油企業(yè)取5825h；

β——變壓器負(fù)荷率，取0.45。

KQ——無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，kW/ kvar，根據(jù)DL/ T 985- 2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》,10kV 配電變壓器的取值范圍為0.05≤KQ≤0.1,取0.07，

由以上數(shù)據(jù)可以得，一臺(tái)S13 型變壓器比S9 型變壓器一年可以節(jié)電：33560.3- 25588.7=7971.6kW·h，按每度電0.5 元計(jì)算，可節(jié)省3985.8 元。

3 節(jié)能措施

3.1 新型電動(dòng)機(jī)節(jié)能措施

（1）降低定子銅耗：采用先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)工藝，提高沖片利用率，井架銅線截面積；采用先進(jìn)技術(shù)控制線圈制造，縮小繞組端部間隙。

（2）降低轉(zhuǎn)子銅、鋁耗：鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)采用高純度鋁，并采用先進(jìn)的鑄鋁工藝，杜絕出現(xiàn)縮孔、細(xì)條現(xiàn)象的發(fā)生，以降低轉(zhuǎn)子電阻，從而降低轉(zhuǎn)子鋁耗；銅條轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條與端環(huán)焊接進(jìn)行了特殊工藝控制，保證焊接處的接觸電阻最小。

（3）降低鐵耗：采用優(yōu)質(zhì)高導(dǎo)磁、低損耗冷扎硅鋼片，減少電動(dòng)機(jī)的鐵耗；采用先進(jìn)的冷沖加工設(shè)備有效減少定、轉(zhuǎn)子沖片毛刺，并按成熟的工藝方法有效控制鐵芯裝壓質(zhì)量，控制鐵耗。

（4）降低機(jī)械損耗：基于流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值分析優(yōu)化風(fēng)路結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇設(shè)計(jì)，來(lái)降低風(fēng)扇機(jī)械損耗：采用良好的軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)來(lái)降低滾動(dòng)軸承的部分摩擦損耗。

（5）降低雜散損耗：優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方案，以削弱合成磁場(chǎng)中的高次諧波，來(lái)削弱附加雜散損耗。高效節(jié)能電機(jī)可作為節(jié)能的突破口，其節(jié)能效果顯著，通常情況下，效率可提高3%～5%左右。

3.2 變壓器節(jié)能措施

（1）選用可減少配電變壓器損耗的材料：非晶合金鐵芯材料采用快速急冷凝固生產(chǎn)工藝，其內(nèi)部原子呈無(wú)序排列具有軟磁特性，有利于磁化和去磁，磁化功率小，電阻率高，渦流損耗小。另外，鐵芯片的厚度僅為硅鋼片的1/ 10 左右，從而大幅度降低變壓器的空載損耗及空載電流。因而非晶合金鐵芯變壓器屬于重點(diǎn)推薦的節(jié)能產(chǎn)品。

（2）采用新型變壓器制造工藝：立體卷鐵芯變壓器的3 個(gè)心柱呈等邊三角形立體排列，用不間斷非晶合金或電工鋼帶連續(xù)繞制而成，鐵芯不需切割，且無(wú)沖孔，橫向、縱向無(wú)接縫，鐵芯柱橫截面呈圓形而沒(méi)有多余的角部；L1、L3 相間磁路在鐵軛部分較平面結(jié)構(gòu)鐵芯縮短1/ 2，軛的面積是每相柱面積的1/ 2，鐵芯的填充系數(shù)大，三相鐵芯磁路長(zhǎng)度完全對(duì)稱，磁路最短；且鐵芯為閉口結(jié)構(gòu)，磁路連貫無(wú)氣隙，降低了空載損耗及空載電流。鐵芯采用套裁工藝，無(wú)廢料，可節(jié)約有色金屬約1/ 3 以上。

4 選型

通過(guò)對(duì)終端用能設(shè)備的能耗分析和節(jié)能降耗措施討論，電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用新工藝、新材料、高效、節(jié)能的產(chǎn)品來(lái)替代低效高耗能的產(chǎn)品。而對(duì)于變壓器，目前應(yīng)用比較成熟的S13、S14 及SH15 節(jié)能經(jīng)濟(jì)型配電變壓器與S9 系列變壓器相比，其空載損耗可降低約30%左右，空載電流則降低約40%左右。同時(shí)，其過(guò)載能力更強(qiáng)，綜合節(jié)能效果比較明顯。S13 系列配電變壓器的線損較小，適用于運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)幅度較大的配電系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)代配電系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)較大的場(chǎng)所。

5 項(xiàng)目實(shí)施實(shí)踐

經(jīng)對(duì)企業(yè)全面排查，生產(chǎn)各裝置共有206 臺(tái)電動(dòng)機(jī)屬于高耗能淘汰產(chǎn)品，8 臺(tái)變壓器屬于高耗能產(chǎn)品。利用年度裝置大檢修，對(duì)這些低效高耗能的電動(dòng)機(jī)、變壓器進(jìn)行更換。

為了克服工期緊、采購(gòu)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，企業(yè)采用P（采購(gòu)）C（施工）的管理模式，大大提高了采購(gòu)效率和施工進(jìn)度。依據(jù)國(guó)內(nèi)最新技術(shù)規(guī)范和行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，擇優(yōu)選用國(guó)內(nèi)質(zhì)優(yōu)品牌產(chǎn)品，從源頭上保證了產(chǎn)品性能的可靠，達(dá)到了對(duì)設(shè)備更換后實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

為確保工程總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，企業(yè)聯(lián)合PC 單位在總體部署上加強(qiáng)計(jì)劃管理，優(yōu)化資源配置，樹(shù)立精品意識(shí)。堅(jiān)持充分準(zhǔn)備、精心施工的指導(dǎo)思想，遵循周密組織、合理安排、科學(xué)管理的部署原則，提前與各相關(guān)部門(mén)、車(chē)間溝通，制定詳細(xì)的施工方案和安全措施，保證對(duì)接的準(zhǔn)確和安全。

工程實(shí)施過(guò)程中涉及裝置多，施工周期較短。由于電動(dòng)機(jī)到貨時(shí)間晚，遵循提早更換、提早收效的原則，企業(yè)工程部門(mén)、生產(chǎn)車(chē)間和施工單位充分溝通，合理安排施工資源，優(yōu)先開(kāi)展重點(diǎn)車(chē)間施工的任務(wù)，主泵、輔泵交替更換，對(duì)主要的生產(chǎn)流程泵加班連點(diǎn)施工，保證當(dāng)天完成，確保生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

6 經(jīng)濟(jì)效果分析

（1）按照每度電0.5 元計(jì)算，共計(jì)更換206 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，更換后每年可節(jié)省電費(fèi)271.21 萬(wàn)元；

（2）變壓器更換8 臺(tái)，每年共節(jié)電費(fèi)36.08 萬(wàn)元；

（3）通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程精心組織、科學(xué)管理，節(jié)約概算投資近300 萬(wàn)元。

7 下一步的探索

企業(yè)能源管理作為一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，進(jìn)一步探索科學(xué)的能源管理工具，將進(jìn)一步提升企業(yè)能源綜合管理水平。煉化企業(yè)不同裝置情況、產(chǎn)品類型、能源管理水平對(duì)能源消耗都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。建設(shè)一個(gè)全廠級(jí)集中統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)可以完成能源數(shù)據(jù)在線采集、計(jì)算、分析及處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能源平衡、調(diào)度與優(yōu)化、能源設(shè)備運(yùn)行等的高效管理。

能源管理系統(tǒng)是企業(yè)信息化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，作為大型煉化企業(yè)自動(dòng)化和信息化的重要組成部分，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為核心可以從數(shù)據(jù)采集、聯(lián)網(wǎng)、能源數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析、查詢等方面提供一個(gè)整體解決方案，使調(diào)度管理人員在能源管控中實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行直接控制和調(diào)整，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過(guò)能源管理系統(tǒng)的能源計(jì)劃、能源統(tǒng)計(jì)、能源消費(fèi)分析、重點(diǎn)能耗設(shè)備管理和能源計(jì)量設(shè)備管理等多種手段，使企業(yè)管理者對(duì)企業(yè)的能源成本比重、發(fā)展趨勢(shì)有準(zhǔn)確的掌握，并將企業(yè)的能源消費(fèi)計(jì)劃任務(wù)分解到各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)，使節(jié)能工作責(zé)任明確，從而促進(jìn)企業(yè)低碳健康穩(wěn)定發(fā)展。圖1 為能源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 能源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次設(shè)備更新工程，極大地提高了企業(yè)各生產(chǎn)裝置用能電氣設(shè)備的功效，確保了生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，為企業(yè)節(jié)能降耗、低碳發(fā)展和安全可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2022 年1 月29 日國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，提出“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期。能源綠色低碳發(fā)展是關(guān)鍵，重點(diǎn)就是做好增加清潔能源供應(yīng)能力的“加法”和減少能源產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的“減法”，推動(dòng)形成綠色低碳的能源消費(fèi)模式。煉化企業(yè)應(yīng)以提質(zhì)增效為抓手，在節(jié)能減排上做足文章，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源戰(zhàn)略做出更大貢獻(xiàn)。