工業(yè)企業(yè)供用電系統(tǒng)節(jié)能分析

郭 勇

（國(guó)網(wǎng)荊門(mén)供電公司營(yíng)銷(xiāo)運(yùn)營(yíng)中心， 湖北 荊門(mén) 448000）

1 工業(yè)電力使用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)電力資源綜合利用率較低，且能源結(jié)構(gòu)配置不合理。在能源消費(fèi)構(gòu)成中，2013—2023 年間，燃煤類(lèi)產(chǎn)品的消耗占比約為55%～60%，石油類(lèi)產(chǎn)品的消耗占比約為15%～20%，天然氣類(lèi)產(chǎn)品的消耗占比約為1.5%～2.58%，電能消耗比例在2022年達(dá)到49.6%，其余能源比例約為0.25%。2022 年，我國(guó)能源效率為36.8%，終端能源使用率僅為51.0%。其中，工業(yè)終端電能利用率約為51.1%左右[1]。

電能不僅干凈、環(huán)保、無(wú)污染，還可大量生產(chǎn)和長(zhǎng)途傳輸，也容易與其他能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此，被廣泛應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)方面。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2022 年，我國(guó)終端電量消費(fèi)累計(jì)46 867 億kW·h，而工業(yè)用電量高達(dá)35 337 億kW·h，在總體用電中占據(jù)了較高比例，國(guó)家相關(guān)部門(mén)出具的我國(guó)終端用電各模塊組成占比的情況如表1 所示。由表1 可知，工業(yè)用電占比最高，達(dá)75.6%。

表1 2022 年國(guó)家終端用電組成

從工業(yè)用電內(nèi)部架構(gòu)看，2013—2023 年，電力、熱力生產(chǎn)及供給行業(yè)、有色金屬制造行業(yè)和化工燃料及產(chǎn)品制造行業(yè)占比較高，且有連續(xù)上漲趨勢(shì)，如表2 所示。

表2 2013—2023 年間國(guó)家工業(yè)行業(yè)電能使用情況

2 工業(yè)企業(yè)供用電存在的問(wèn)題

2.1 供電設(shè)備的功率因素較小

工業(yè)企業(yè)供用電配電網(wǎng)存在較多低功率因數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，像動(dòng)力設(shè)備電動(dòng)機(jī)、整流設(shè)備晶閘管和動(dòng)力抽油機(jī)等，造成無(wú)功負(fù)荷大量存在于配電網(wǎng)中。當(dāng)無(wú)功功率失衡、功率因數(shù)降低情況發(fā)生時(shí)，無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)，產(chǎn)生了線路損耗，線損增大，末端負(fù)荷電壓下降[2]。最終導(dǎo)致相當(dāng)部分的電力能源無(wú)輸出功率，造成電力資源整體有效利用率較低，部分電力資源白白浪費(fèi)，未能創(chuàng)造實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益和利用價(jià)值。因此，急需采取節(jié)能降耗措施，提高供電效率，改善供電環(huán)境。

2.2 工業(yè)供用電系統(tǒng)中非線性負(fù)載增多，配網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重

工業(yè)供用電系統(tǒng)中非線性負(fù)載增多，勢(shì)必會(huì)對(duì)配電網(wǎng)中原來(lái)的重合閘參數(shù)、繼電保護(hù)值等相關(guān)量的設(shè)置造成一定程度的影響，導(dǎo)致配網(wǎng)設(shè)備靈敏度下降、保護(hù)失靈和誤動(dòng)作等異常情況發(fā)生。此外，工業(yè)企業(yè)供用電系統(tǒng)采用的交流逆變器在工作時(shí)，其內(nèi)部的電子組成元件反復(fù)吸合，不可避免地產(chǎn)生諧波分量，進(jìn)而對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染，加大了電能損耗，導(dǎo)致電力設(shè)備損耗和老化加劇，降低設(shè)備生命周期及運(yùn)行可靠性。

2.3 自動(dòng)化控制及監(jiān)測(cè)水平較低

現(xiàn)階段，工業(yè)企業(yè)供用電節(jié)能監(jiān)測(cè)及管理手段相對(duì)滯后，很多工作過(guò)程中都是按照既定模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，沒(méi)有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理，自動(dòng)化控制水平也比較低，限制了作業(yè)人員對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)把控及有效管理，無(wú)法保證其工作過(guò)程中始終處于最佳的工作狀態(tài)，不能充分利用電力能源，生產(chǎn)效率不高。工業(yè)企業(yè)用電系統(tǒng)底層單元自動(dòng)化程度較低。監(jiān)控、計(jì)量、節(jié)能和反饋控制等各流程所用設(shè)備間相互獨(dú)立、不相兼容，功能冗余，各個(gè)設(shè)備間缺失有效信息交流及數(shù)據(jù)共享，底層供用電工作單元間沒(méi)有統(tǒng)一的集成化制度，欠缺系統(tǒng)化節(jié)能與監(jiān)控裝置，難以實(shí)現(xiàn)各層級(jí)的用電設(shè)備相互連通，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備電力能源利用率不高，束縛了企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能管理的一體化管控，不能有效監(jiān)控單位產(chǎn)品能耗。

3 工業(yè)企業(yè)供用電節(jié)能對(duì)策分析

3.1 提高供用電設(shè)備的功率因數(shù)

引入無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以明顯減小配電網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功輸出，提高設(shè)備的功率因數(shù)，降低電能損失，增強(qiáng)電力能源的有效利用率。通過(guò)控制無(wú)功輸出功率，來(lái)控制整個(gè)配網(wǎng)的電力總?cè)萘俊⒉僮饕?guī)模等，充分利用現(xiàn)有供用電設(shè)備，保持提升有功電流的輸出占比。利用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，可減小無(wú)功輸出功率，減小電力能源損失，提高電力資源的的利用率。借助變速調(diào)節(jié)手段，可大大提升電力輸出工作效率，結(jié)合配電網(wǎng)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備容量標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理調(diào)節(jié)各供用電設(shè)備功率，能夠大幅度提升電能的利用率[3]。

事實(shí)證明，引入無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后，設(shè)備的工作功率幾乎與標(biāo)稱的工作功率一致，配電網(wǎng)中的各供用電設(shè)備工作良好，在無(wú)外界干擾的條件下，可以穩(wěn)定在較大的輸出功率，提高設(shè)備工作功率，降低無(wú)功輸出，加大有功比重，從而提高工作效率，最大程度上降低電能損失。

3.2 整治工業(yè)供用電配電網(wǎng)電能質(zhì)量

為進(jìn)一步降低工業(yè)供用電配電網(wǎng)的線路電能及設(shè)備損耗，并將其控制在可操控的范圍之內(nèi)，需要對(duì)電網(wǎng)諧波污染進(jìn)行治理。抑制配電網(wǎng)諧波電流通常采用兩種方法，一是對(duì)諧波電流產(chǎn)生源頭（用電負(fù)荷側(cè)的電力設(shè)備本身）進(jìn)行技術(shù)改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態(tài)。同時(shí)，工業(yè)企業(yè)各單位要增強(qiáng)對(duì)入網(wǎng)客戶設(shè)備選型的指導(dǎo)與監(jiān)督，優(yōu)先采購(gòu)配置好、效率高的設(shè)備，從根本上控制諧波電流產(chǎn)生。二是加裝諧波電流補(bǔ)償設(shè)備，如新型濾波裝置等，該裝置能夠產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相同但方向相反的補(bǔ)償電流，從而起到遏制諧波的作用，減小電能浪費(fèi)的同時(shí)，提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。

3.3 推進(jìn)智能化用電監(jiān)控節(jié)能管理

為有效監(jiān)控工廠用電設(shè)備，做好節(jié)能管理，引入了DCS 系統(tǒng)。DCS 系統(tǒng)又稱分散控制系統(tǒng)，具有較高的自動(dòng)化控制水平，其示意圖如圖1 所示。DCS 系統(tǒng)能夠控制工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備智能運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化運(yùn)營(yíng)。回路控制單元控制整個(gè)工廠生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)1~n 個(gè)設(shè)備接口與顯示屏、上級(jí)管理計(jì)算機(jī)和打印機(jī)進(jìn)行通信連接，及時(shí)監(jiān)測(cè)工廠設(shè)備的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工廠供用電運(yùn)營(yíng)信息綜合管理，控制電力能源消耗量，推動(dòng)電力資源的合理利用，最大程度減少電能耗損[4]。一旦發(fā)生設(shè)備故障，能夠預(yù)警提示，通知檢修人員第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，減少故障停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

圖1 DCS 系統(tǒng)

實(shí)際工作中，工業(yè)企業(yè)監(jiān)控的用電設(shè)備數(shù)量多、密度大，因而增加了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理量。要想解決這種問(wèn)題，需要增強(qiáng)DCS 系統(tǒng)處理器的配置，完善DCS 網(wǎng)絡(luò)報(bào)警系統(tǒng)，時(shí)刻關(guān)注各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)狀態(tài)，并配備可靠性較好的電源切換設(shè)備。

3.4 應(yīng)用變頻技術(shù)

變頻技術(shù)作為工業(yè)企業(yè)供用電節(jié)能減排中的新技術(shù)，是在自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等基礎(chǔ)上建立的，通過(guò)改變電機(jī)電源的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)電能資源的合理利用。據(jù)實(shí)際調(diào)研[5]，2011年，我國(guó)電機(jī)總耗電量約為30 000 億kW·h，在電力能源的消費(fèi)中，工業(yè)企業(yè)電機(jī)系統(tǒng)用電量在全國(guó)總用電量中占比約為62%，占工業(yè)企業(yè)用電量的67%。而當(dāng)前，我國(guó)高效率、低能耗的電機(jī)在市場(chǎng)中占比僅為10%左右，我國(guó)在用的各類(lèi)電機(jī)數(shù)量約為10 億臺(tái)，因此，高效率、低能耗電機(jī)的市場(chǎng)潛力十分巨大。如今，企業(yè)采用變頻技術(shù)充分降低了電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中的能源損耗，也為電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償、功率因數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等環(huán)節(jié)提供了便利，在節(jié)約資源的同時(shí)，也為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

此外，為做好工業(yè)企業(yè)供用電系統(tǒng)節(jié)能降損工作，一方面，要加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)工作人員的教育和培訓(xùn)工作，派專業(yè)技術(shù)人員去發(fā)達(dá)國(guó)家供用電系統(tǒng)學(xué)習(xí)，參考其節(jié)能降損工作方式，在熟練掌握其節(jié)能技術(shù)的使用要點(diǎn)基礎(chǔ)上，以“提高工作效率、節(jié)能降損”為問(wèn)題導(dǎo)向，并結(jié)合自身工業(yè)企業(yè)供用電系統(tǒng)的實(shí)際情況，進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)設(shè)計(jì)，逐步完善企業(yè)的工作運(yùn)行方式。另一方面，每月組織各方就企業(yè)近期節(jié)能降耗工作進(jìn)行總結(jié)復(fù)盤(pán)，對(duì)當(dāng)月的能耗工作進(jìn)行分析討論，找出不足，給出解決方案，為下一步的節(jié)能工作指明發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)提高供用電設(shè)備的功率因數(shù)、整治工業(yè)供用電配電網(wǎng)電能質(zhì)量、推進(jìn)智能化用電監(jiān)控節(jié)能管理、采用變頻技術(shù)以及加強(qiáng)人員培訓(xùn)等，多重保障工業(yè)企業(yè)供用電過(guò)程中的電力能源消耗，提高其工作效率及資源利用率，推動(dòng)電力行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能降損雙贏。