水利工程電氣節(jié)能技術(shù)分析

張高略

（廣東源利工程監(jiān)理有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500）

0 引言

水利工程建設(shè)對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有重要影響，但在運(yùn)作過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量能耗問(wèn)題，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國(guó)每年在水利工程方面所消耗的電能高達(dá)4000億kW·h。因此，為保證降低工程能耗，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率輸出，務(wù)必尋找可行性高的技術(shù)和應(yīng)用方案，針對(duì)水利工程電氣節(jié)能技術(shù)的研究十分有必要。

1 水利工程電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用目的及原則

1.1 電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用目的

將電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于水利工程中的主要目的在于降低工程運(yùn)行中的能源損耗，同時(shí)，規(guī)避環(huán)境破壞等問(wèn)題，保證各個(gè)部分設(shè)備在完成基礎(chǔ)性工作效率的同時(shí)兼顧功率的合理性。從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，工程對(duì)于電能需求極高，尤其異步電動(dòng)機(jī)有功損耗，節(jié)能技術(shù)結(jié)合電機(jī)額定功率值進(jìn)行對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制，保證功率在75%~100%之間，同時(shí)負(fù)荷率設(shè)置在0.8~0.9，保證在負(fù)荷率的基準(zhǔn)上是機(jī)器保持在最佳狀態(tài)。此外，水利工程規(guī)模較大，在建設(shè)階段需消耗大量人力物力資源，資金需求量大，而電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用能夠有效控制成本，其材料具有節(jié)能性、多元化功能以及質(zhì)量達(dá)標(biāo)率高等優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)設(shè)備生命周期，幫助相關(guān)機(jī)構(gòu)獲取更多利潤(rùn)。

1.2 電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用原則

在設(shè)計(jì)期間優(yōu)先明確方案是否能滿足基礎(chǔ)功能，例如針對(duì)電動(dòng)機(jī)功率篩選不僅要具備節(jié)能效果還要注重符合工程運(yùn)作目標(biāo)。開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)期間還應(yīng)秉持創(chuàng)新性原則，切忌盲目追求節(jié)能，需結(jié)合不同工序的具體損耗情況，同時(shí)融入綠色可持續(xù)理念，將能耗降到最低的同時(shí)關(guān)注環(huán)境效益。此外，還需滿足經(jīng)濟(jì)性需求，設(shè)計(jì)低成本、高回報(bào)的節(jié)能方案。

2 資料背景

某市防洪工程管理單位轄區(qū)擁有水閘21 座、35孔；大型泵站5 座，機(jī)泵20 臺(tái)，裝機(jī)容量為13110kW；小型泵站8 座機(jī)泵28 臺(tái)，裝機(jī)容量3220kW。在建設(shè)過(guò)程中借助3DMAX 技術(shù)進(jìn)行大壩內(nèi)外部建模，結(jié)合圖紙和地理信息系統(tǒng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)編輯后呈現(xiàn)虛擬的水利樞紐圖片，重點(diǎn)展示吸水泄洪、發(fā)電以及樞紐上下游水面高度浮動(dòng)情況，形成互動(dòng)式的瀏覽材料。其中重點(diǎn)部分在于電氣節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，包括機(jī)組展示、線路設(shè)計(jì)、蓄清排渾裝置、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的照明系統(tǒng)以及供配電啟動(dòng)方式等，最大限度發(fā)揮工程節(jié)能效果。

3 電氣節(jié)能技術(shù)在水利工程中的具體應(yīng)用

3.1 照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

在水利工程照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中，主體設(shè)計(jì)思想需要以滿足運(yùn)作需求為主，在此基礎(chǔ)上關(guān)注經(jīng)濟(jì)性、智能性等，具體概括為以下內(nèi)容。

（1）控制燈具高度擴(kuò)大照明范圍和亮度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行燈具高度調(diào)整，降低照明損耗問(wèn)題，保證眩光（UGR）、色溫（UO）、顯色度（Ra）均符合標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)智能照明系統(tǒng)時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的匯總與實(shí)時(shí)修正，具體計(jì)算公式為：照明日節(jié)能效益=額定日耗電基數(shù)－實(shí)際日耗電基數(shù)，利用數(shù)據(jù)模擬計(jì)算能耗值，再制定科學(xué)啟?？刂品桨?。系統(tǒng)還需具備記錄學(xué)習(xí)功能，時(shí)刻記錄照度情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用AI 智能裝置選擇合適的節(jié)能方案。系統(tǒng)控制權(quán)限優(yōu)先級(jí)為手動(dòng)＞控制模型＞AI 控制。

（2）確保運(yùn)行安全性的基礎(chǔ)上對(duì)不同區(qū)域配置不同亮度的燈具，例如設(shè)備較多的區(qū)域需要保證燈光亮度充足，走廊等區(qū)域維持正常亮度滿足行走條件即可。針對(duì)水利工程中不同區(qū)域的照明用電標(biāo)準(zhǔn)可參考：辦公室LPS 為11.1W/m2；自動(dòng)化工作室為10W/m2；生廠工廠為 14W/m2；倉(cāng)庫(kù)為 9.1W/m2；停車場(chǎng)為 3W/m2。

（3）安裝階段應(yīng)用電流鎮(zhèn)流器了解照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證其功率因數(shù)穩(wěn)定，滿足基本照明需求。

（4）充分利用地形、位置等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行方案規(guī)劃，如水利工程中設(shè)備存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)朝向、地質(zhì)因數(shù)等，充分發(fā)揮自然光的照明價(jià)值，維持功率因數(shù)。

在進(jìn)行系統(tǒng)處理是可以利用變頻調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)節(jié)能處理，如表1 所示，其中整理部分常規(guī)性變頻調(diào)節(jié)結(jié)果對(duì)比，其中N1和N2表示燈具亮度，相應(yīng)的P1、P2為有功功率，根據(jù)其結(jié)果和實(shí)際需求進(jìn)行合理搭配，從而提升系統(tǒng)節(jié)能性[1]?？蓱?yīng)用PLC 技術(shù)對(duì)電氣控制裝置進(jìn)行編程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特定情況進(jìn)行燈光亮度控制，配合現(xiàn)場(chǎng)手工調(diào)節(jié)提升運(yùn)作穩(wěn)定性。在燈具選擇方面盡可能應(yīng)用節(jié)能型LED 燈和高壓鈉燈，提供足夠光源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。表1 為變頻節(jié)能性比較。

表1 變頻節(jié)能性比較

3.2 電動(dòng)機(jī)節(jié)能處理技術(shù)

電動(dòng)機(jī)作為支撐和水利工程運(yùn)作的重要主體，在運(yùn)作過(guò)程中消耗的能量最大，其中，尤其大型泵站中針對(duì)電動(dòng)機(jī)節(jié)能處理，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)機(jī)性能和損耗情況，同時(shí)融入經(jīng)濟(jì)性和功能性原則的思考，做好設(shè)備間的經(jīng)濟(jì)比較。一般情況下，針對(duì)部分運(yùn)行功率超過(guò)800kW 的設(shè)備需搭配與之相匹配的電網(wǎng)，供同步電機(jī)設(shè)備和異步電機(jī)設(shè)備運(yùn)作，針對(duì)運(yùn)行功率在1600kW 以上的電動(dòng)機(jī)設(shè)備，在選擇配套電網(wǎng)時(shí)需以異步電機(jī)設(shè)備為主要參考，如繞線型設(shè)備或鼠籠型設(shè)備等，有效提升泵站運(yùn)行的節(jié)能性。

3.3 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能技術(shù)

暖通空調(diào)在水利工程項(xiàng)目中十分常見(jiàn)，且造成的損耗相對(duì)較大，因此節(jié)能技術(shù)在水利工程中的落實(shí)務(wù)必加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化。具體可以根據(jù)工程內(nèi)部建設(shè)情況，劃分為地下廠房空調(diào)系統(tǒng)、獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)、廠房去濕氣系統(tǒng)。由于水利工程電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、層級(jí)多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，使得其通風(fēng)系統(tǒng)并不能完全依靠自然風(fēng)，尤其針對(duì)一些發(fā)電機(jī)層及其夾層、母線洞以及水輪機(jī)組的位置。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要融入節(jié)能理念，如副廠房左側(cè)設(shè)置直接進(jìn)行外部通風(fēng)的口，這一通風(fēng)口還可作為消防通道，并分割為兩部分，一側(cè)為蓄電池室通風(fēng)，另一側(cè)為出入通道，并建立起風(fēng)樓設(shè)置氣流分隔板，合理區(qū)分進(jìn)、排風(fēng)避免交叉。還可在頂部設(shè)置包攬全長(zhǎng)的送風(fēng)管道。

地下廠房獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)可以在發(fā)電機(jī)組和水輪機(jī)組下游墻壁上安裝軸流風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)管進(jìn)行空氣排出，經(jīng)過(guò)排風(fēng)管的空氣會(huì)經(jīng)過(guò)母線洞排出廠外。為進(jìn)一步滿足節(jié)能設(shè)計(jì)，可以在主廠房頂部設(shè)置排煙管道，布置軸流式排風(fēng)機(jī)，配合煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排風(fēng)，同時(shí)還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的防煙系統(tǒng)、通風(fēng)井等。

去濕氣系統(tǒng)需要在水輪機(jī)組安裝除濕設(shè)備，主要應(yīng)用于初期暖風(fēng)空調(diào)尚未使用階段，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分潮濕，對(duì)一些高精度設(shè)備、儀器帶來(lái)一定傷害。因此需要應(yīng)用移動(dòng)式除濕設(shè)備，連接電源線了和電源箱，用軟管收集凝結(jié)水并排出。

3.4 調(diào)節(jié)電氣功率因數(shù)

電氣系統(tǒng)是保證水利工程運(yùn)作的保障部分，需要結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)功率，降低損耗情況實(shí)現(xiàn)節(jié)能處理。具體可以參考以下幾種方式。

例如，可利用電氣自身功能實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，從而提升供電器系統(tǒng)運(yùn)行速度，改變?cè)倦娙萜鞴β市再|(zhì)轉(zhuǎn)有功為無(wú)功，消除一些不良作用力，從而降低運(yùn)行損耗。利用補(bǔ)償柜上的自動(dòng)補(bǔ)償控制裝置，當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)作時(shí)，若存在功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，則可通過(guò)該裝置進(jìn)行自動(dòng)投入，提升電網(wǎng)功率因數(shù)，避免由于線路問(wèn)題而造成的變壓器損壞。設(shè)計(jì)時(shí)可以采用電機(jī)分散就地補(bǔ)償法改善啟動(dòng)條件，釋放系統(tǒng)容量，也可采用母線集中補(bǔ)償法設(shè)置補(bǔ)償柜，對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行功率補(bǔ)償，提升節(jié)能效果。通過(guò)低轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)所獲取的能量相對(duì)有限，因此在施工建設(shè)過(guò)程中可以向相關(guān)供電部門提出補(bǔ)償，一般來(lái)說(shuō)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)為90%左右，為保證在補(bǔ)償過(guò)程中電流的穩(wěn)定性，需要采取一定防爆、防觸電連接措施降低電流沖擊影響。

在水利工程電氣系統(tǒng)中，無(wú)功功率的形成因素主要包括相位角與高次諧波，高次諧波由電子設(shè)備非線性負(fù)載而產(chǎn)生，導(dǎo)致電力系統(tǒng)無(wú)功損耗被增加[2]。針對(duì)這一問(wèn)題所應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)主要針對(duì)可能產(chǎn)生諧波的泵站，詳細(xì)調(diào)查其啟動(dòng)裝置，針對(duì)采用變頻器的泵站節(jié)能處理技術(shù)需安裝濾波裝置、諧波監(jiān)測(cè)裝置，確保有效控制無(wú)功損耗，保證輸出內(nèi)容的合理性。

3.5 供電系統(tǒng)節(jié)能處理

在進(jìn)行供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用時(shí)，主要明確負(fù)荷等級(jí)和供電電壓選擇兩部分入手。對(duì)不同設(shè)備的符合情況進(jìn)行計(jì)算，明確后計(jì)算最佳負(fù)載系數(shù)，再根據(jù)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)，保證合理性。一般情況下負(fù)載率數(shù)值需要控制在0.75~0.90 之間，并為其搭配相應(yīng)變壓器設(shè)備，保證能耗和高功率區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)性，變壓器始終保持在平衡狀態(tài)，針對(duì)不平衡負(fù)載可以自動(dòng)啟動(dòng)備用設(shè)備，避免故障造成的電氣系統(tǒng)損壞。在負(fù)載計(jì)算方面的節(jié)能設(shè)計(jì)需要根據(jù)其額定功率“PN”對(duì)設(shè)備容量進(jìn)行計(jì)算，此過(guò)程切忌盲目累加，需要結(jié)合設(shè)備工作時(shí)間等進(jìn)行換算，計(jì)算設(shè)備容量“Pe”，長(zhǎng)期工作制好短期工作制的設(shè)備容量為“PN=Pe”。針對(duì)用電設(shè)備組的負(fù)荷計(jì)算取用供電系統(tǒng)中半小時(shí)最大負(fù)荷Pca，在水利工程中用電設(shè)備組內(nèi)的電氣并不是同一時(shí)間運(yùn)作的，且不會(huì)存在全員滿負(fù)荷狀態(tài)，加之電氣設(shè)備自身的功率損耗情況，因此進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)可計(jì)算有功負(fù)荷，公式如下。

式中：KΣ——設(shè)備組最大負(fù)荷時(shí)設(shè)備容量與全設(shè)備容量比；KL——設(shè)備負(fù)荷系數(shù)；η——設(shè)備組平均效率；η1——配電線路平均效率。

針對(duì)供電電壓選擇方面落實(shí)節(jié)能技術(shù)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，水利工程中泵站設(shè)備運(yùn)行電壓數(shù)值越高，其存在的損耗量越小。在進(jìn)行節(jié)能處理時(shí)可根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)功率情況進(jìn)行配套處理，若功率在200kW 以內(nèi)，電壓則選擇380V；若配套電機(jī)系統(tǒng)在280kW 以上，供電電壓選擇10kV。在設(shè)計(jì)時(shí)可以將變電所設(shè)置在符合中心，降低供電距離縮短輸送電線路，降低損耗的同時(shí)節(jié)約成本，與電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用原則相一致[3]。為保證供電系統(tǒng)達(dá)到理想化節(jié)能，可以在變配電系統(tǒng)中應(yīng)用智能化監(jiān)控技術(shù)，借助監(jiān)控掌握電氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等進(jìn)行匯總分析，根據(jù)結(jié)果明確運(yùn)行狀態(tài)，做到科學(xué)調(diào)控降低能耗。此外，還需置換水利工程中所應(yīng)用的老舊變壓器，根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)情況來(lái)看，變壓器普遍具備高效率作用，但部分變壓器基站仍以老式為主，需要及時(shí)替換更新，提升節(jié)能效果。

3.6 基礎(chǔ)參數(shù)控制

針對(duì)導(dǎo)向長(zhǎng)度、電阻率以及導(dǎo)向材質(zhì)等方面需要根據(jù)需求選擇更具有節(jié)能性特征的物品，科學(xué)控制基礎(chǔ)參數(shù)，具體注意以下3 點(diǎn)。

（1）在水利工程電氣系統(tǒng)中針對(duì)線纜的選擇盡可能使用銅芯線纜，具有電阻率小、節(jié)能效果更高的特點(diǎn)，用于能耗較高的泵站中。

（2）線纜長(zhǎng)度參數(shù)預(yù)留一定長(zhǎng)度即可，盡可能剪短長(zhǎng)度，一方面由于水利工程電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)備多樣性，會(huì)存在電纜線纏繞的情況，剪短后能夠保證現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的整潔度，降低纏繞損壞風(fēng)險(xiǎn)；另一方面能夠減少線路損耗問(wèn)題。在實(shí)際落實(shí)時(shí)需按照線路順序完成對(duì)變配電裝置室的設(shè)計(jì)，區(qū)分高壓裝置和低壓裝置。為保證合理性需要確保主機(jī)柜與主電機(jī)、高壓裝置與終端桿位置靠近，確保電纜線路最短，控制線路損耗[4]。

（3）合理選擇電纜和導(dǎo)線的截面，既要符合過(guò)載流量和電壓損失等，又要融入經(jīng)濟(jì)性思考，在選擇電纜線時(shí)結(jié)合不同設(shè)備電流密度選擇合適的截面面積，降低電能損耗，同時(shí)對(duì)于有色金屬資源方面能夠起到節(jié)約作用，降低生產(chǎn)、施工成本，需綜合考量工程實(shí)際、能源、使用周期、使用壽命等多種影響因素[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)期我國(guó)水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)越來(lái)越關(guān)注節(jié)能方面的思考，在電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方面仍具有很高的上升空間。設(shè)計(jì)人員務(wù)必不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，結(jié)合水利工程電氣裝置運(yùn)行的實(shí)際情況展開(kāi)分析，優(yōu)先了解不同電氣設(shè)備運(yùn)作規(guī)律和負(fù)載情況，并從節(jié)能性、可行性以及穩(wěn)定性方面展開(kāi)深度思考，分析如何降低設(shè)備能耗情況，重點(diǎn)關(guān)注照明系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、電氣功率、供電系統(tǒng)以及基礎(chǔ)參數(shù)控制等多方面內(nèi)容，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益綜合提升。