工業(yè)用戶電力節(jié)能措施研究

王 玨

（國網(wǎng)黃石供電公司， 湖北 黃石 435000）

0 引言

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，工業(yè)領(lǐng)域作為電力消耗的重要部門，工業(yè)用電占總用電量的70%左右。電力節(jié)能可以減少對傳統(tǒng)能源資源的依賴，推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型并降低工業(yè)用戶的運(yùn)營成本，提高競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力[1]。因此，工業(yè)節(jié)電勢在必行。

1 減少變壓器有功功率損耗

1.1 有功功率損耗的成因分析

有功功率損耗是變壓器在電能傳輸過程中由于電阻、磁導(dǎo)和鐵耗等因素而產(chǎn)生的能量損失。主要成因包括銅損耗、鐵損耗、額定負(fù)載下的損耗以及轉(zhuǎn)換效率損耗。銅損耗是由變壓器主副線圈中的電阻引起，當(dāng)電流通過時，電阻產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致能量損耗。鐵損耗則由變壓器鐵芯和繞組中的磁滯和渦流損耗組成。磁滯損耗是因鐵芯在磁化和去磁化過程中產(chǎn)生的能量損失，渦流損耗是因磁場變化生產(chǎn)感應(yīng)電流而導(dǎo)致的能量損失。此外，變壓器在額定負(fù)載下會有一定的有功功率損耗。同時，變壓器在電能轉(zhuǎn)換過程中也會存在一定的轉(zhuǎn)換效率損耗，無論是從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)換，或是從低電壓向高電壓轉(zhuǎn)換，都不可避免地存在能量轉(zhuǎn)換損耗。

1.2 減少變壓器有功功率損耗的措施

采用低阻抗材料和合理的線圈設(shè)計，可以降低電阻損耗。減少繞組長度，可以降低鐵損耗。使用具有較低磁滯和渦流損耗的高效鐵芯材料，如高硅鋼片材料，也可以減少鐵損耗。采用具有低空載損耗的變壓器設(shè)計，通過優(yōu)化鐵芯形狀、減少繞組電阻等方式，避免變壓器過載運(yùn)行，可以將變壓器的負(fù)載控制在額定范圍內(nèi)。通過合理調(diào)整變壓器的電壓和負(fù)載匹配，可以減少變壓器的有功功率損耗。多臺變壓器組串運(yùn)行，可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性，并減少能量損耗。在變壓器的輸入和輸出側(cè)使用電力電子器件，如有源濾波器、變頻器等，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率[2]。定期進(jìn)行變壓器的維護(hù)和檢測，包括絕緣測試、接線檢查和冷卻系統(tǒng)檢查等，可以確保變壓器在正常運(yùn)行的同時，減少損耗。

通過采取上述技術(shù)措施，可以有效降低變壓器的有功功率損耗，提高其運(yùn)行效率和能源利用率，實現(xiàn)電力節(jié)能目標(biāo)。

2 降低供配電線路能量損耗

2.1 供配電線路能量損耗的影響因素

供配電線路由導(dǎo)線組成，導(dǎo)線的電阻會導(dǎo)致電流通過時產(chǎn)生熱量，造成能量損耗。導(dǎo)線材料的電阻特性以及導(dǎo)線的截面積直接影響能量損耗的大小。供配電線路的負(fù)載率越高，電流越大，導(dǎo)致能量損耗增加。

2.2 能量損耗的計算和評估方法

2.2.1 電阻損耗計算

對于直流線路，電阻損耗可以通過以下公式計算：

式中：I 為線路電流；R 為線路電阻。

對于交流線路，電阻損耗可以通過以下公式計算：

式中：I 為線路有效電流；R 為線路電阻；θ 為線路的功率因數(shù)角度。

2.2.2 有功功率損耗計算

交流線路有功功率損耗的計算公式為：

式中：P 為線路有功功率；θ 為線路的功率因數(shù)角度。

總能量損耗為電阻損耗和有功功率損耗的總和。

2.2.3 能量損耗評估方法

使用電能表或功率分析儀等儀器可以直接測量線路的能量損耗。通過使用電力系統(tǒng)仿真軟件，基于線路參數(shù)和負(fù)載條件，模擬計算能量損耗，并根據(jù)線路參數(shù)、負(fù)載情況和功率因數(shù)等，進(jìn)行能量損耗評估。通過分析線路的效率，并采取相應(yīng)的措施，來降低能量損耗。

2.3 降低供配電線路能量損耗的措施

選擇低電阻率的導(dǎo)線材料，如銅或鋁合金，可以減少電阻損耗。同時，適當(dāng)增大導(dǎo)線的截面積可以降低電阻損耗。合理控制負(fù)載率，避免過載運(yùn)行，可以減少供配電線路的能量損耗。通過平衡負(fù)載、進(jìn)行負(fù)載調(diào)整和合理分布負(fù)載，提高系統(tǒng)的效率。采用電壓調(diào)節(jié)、電壓穩(wěn)定器和電壓優(yōu)化裝置等技術(shù)手段，可以實現(xiàn)電壓的優(yōu)化控制。合理規(guī)劃供配電線路的布局，縮短線路長度，可減少電阻損耗。通過安裝無功補(bǔ)償裝置，如無功補(bǔ)償電容器和STATCOM（靜態(tài)同步補(bǔ)償器），減少線路的無功功率傳輸，從而降低能量損耗。采用先進(jìn)的電力傳輸和配送技術(shù)，如高溫導(dǎo)線、超導(dǎo)線技術(shù)、高效變壓器和電力電子裝置等，可以提高系統(tǒng)效率和降低能量損耗[3]。

以上措施可以結(jié)合實際情況綜合應(yīng)用。根據(jù)供配電線路的特點和需求，選擇相應(yīng)的措施，能有效降低能量損耗，提高能源利用效率。同時，合理的設(shè)計、運(yùn)維和監(jiān)控也是確保線路能量損耗降低的重要環(huán)節(jié)。

3 高效節(jié)能照明燈具的選用

3.1 高效節(jié)能照明燈具的特點和分類

高效節(jié)能照明燈具是為了減少能耗和提高能源利用效率而設(shè)計的燈具，具有高光效、高節(jié)能性、長壽命和調(diào)光性等特點。高效節(jié)能照明燈具根據(jù)其技術(shù)特性可以分為LED 照明燈具、熒光燈具和氣體放電燈具等。

3.2 高效節(jié)能照明燈具選型和應(yīng)用實踐

根據(jù)工業(yè)用戶的照明需求和要求，選擇適當(dāng)?shù)母咝Ч?jié)能照明燈具。綜合考慮燈具的光效、色溫和色彩還原指數(shù)（CRI）等技術(shù)參數(shù)，確保滿足照明要求，并具有節(jié)能效果。照明系統(tǒng)設(shè)計包括燈具布局、安裝位置和照明控制等，要最大限度地提高照明效果和節(jié)能效果。應(yīng)定期檢查和維護(hù)照明系統(tǒng)，確保燈具正常工作并調(diào)整光照強(qiáng)度。同時，隨著新技術(shù)的發(fā)展，及時進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和更新，以保持高效節(jié)能的狀態(tài)。采用能耗監(jiān)測系統(tǒng)或照明管理軟件，實時監(jiān)測照明能耗，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和評估。根據(jù)評估結(jié)果，調(diào)整和改進(jìn)照明策略，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

3.3 照明改造效果評估和經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.1 原始狀況

以某工業(yè)廠房照明改造為例進(jìn)行分析。

原有照明系統(tǒng)：使用100 W 熒光燈管，總計100個燈具，每天工作時間為10 h，每年工作日為250 d。

年能耗=100 W/ 個×100 個×10 h/d×250 d=25 000 kW·h。

3.3.2 改造方案

照明設(shè)備：替換為高效節(jié)能LED 燈具，功率為40 W，燈具數(shù)量保持不變。

照明控制：安裝光感控制系統(tǒng)，根據(jù)光照情況自動調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度。

3.3.3 改造后情況

廠房照明改造后，每年電能消耗大幅下降。

年能耗=40 W/ 個×100 個×10 h/d×250 d=10 000 kW·h。

3.3.4 改造效果評估

對廠房照明改造效果進(jìn)行評估，能耗減少了60%。

3.3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

對廠房照明改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析對比，電費(fèi)單價按0.6 元/（kW·h）計算，改造前后能耗對比如表1所示。

表1 某工業(yè)廠房照明改造前后能耗對比

通過照明改造，能耗減少了60%，能耗費(fèi)用從15 000 元降低到6 000 元，每年可節(jié)省9 000 元。

4 電動機(jī)在運(yùn)行過程中的節(jié)能措施

4.1 電動機(jī)的能效特點和評價指標(biāo)

電動機(jī)是工業(yè)用戶中最常用的電力設(shè)備之一，其能效特點和評價指標(biāo)對于實施節(jié)能措施至關(guān)重要。

1）能效特點：電動機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生能效損耗，包括電阻損耗、磁滯損耗和風(fēng)阻損耗等，該損耗會導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量損失。電動機(jī)在不同負(fù)載下的能效表現(xiàn)會有所差異，電動機(jī)在低負(fù)載下的能效較低，而在額定負(fù)載下能效較高。

2）評價指標(biāo)：常見的能效等級包括IE1（低效率）、IE2（高效率）、IE3（超高效率）和IE4（超高效率超級優(yōu)化）等。能效等級越高，表示電動機(jī)的能效越好。電動機(jī)的效率是指電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的比例，一般以百分比表示。效率越高，表示電動機(jī)的能耗越低。功率因數(shù)是指電動機(jī)消耗的有功功率與輸入的視在功率之間的比例。功率因數(shù)的提高可以減少無功功率的損耗，提高系統(tǒng)的能效。

通過評價電動機(jī)的能效特點和使用評價指標(biāo)，工業(yè)用戶選擇高能效的電動機(jī)，并采取相應(yīng)的節(jié)能措施，可以提高系統(tǒng)的能效，降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

4.2 提高電動機(jī)能效的措施

為了提高電動機(jī)的能效，減少能耗和能效損失，可以采取以下措施：

1）選擇高能效電動機(jī)：選用能效等級較高的電動機(jī)，如IE3 和IE4 級別的電動機(jī)。這些電動機(jī)在額定負(fù)載下具有較高的能效，能夠降低能耗。

2）變頻器高效控制：采用變頻器控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動機(jī)能夠根據(jù)實際負(fù)載需求靈活調(diào)整轉(zhuǎn)速，減少無效運(yùn)轉(zhuǎn)和能效損失。

3）負(fù)載的匹配和平衡：確保電動機(jī)的負(fù)載與其額定能力相匹配，避免過載或輕載運(yùn)行，合理平衡負(fù)載分布，避免少數(shù)電動機(jī)長時間過載工作而其他電動機(jī)處于輕載狀態(tài)[4]。

4）定期維護(hù)和檢修：定期進(jìn)行電動機(jī)的維護(hù)和檢修，包括清潔、潤滑、緊固和絕緣檢測等，確保電動機(jī)正常運(yùn)行，減少能效損失。

5）減少傳動損耗：優(yōu)化傳動系統(tǒng)，采用高效的傳動裝置和耐磨材料，減少傳動損耗和機(jī)械能損失。

6）合理設(shè)計和布線：在電動機(jī)安裝和布線過程中，合理設(shè)計電路，減少線路阻抗和電纜損耗，提高電能傳輸效率。

7）應(yīng)用節(jié)能控制策略：采用先進(jìn)的節(jié)能控制策略，如電動機(jī)軟啟動、負(fù)載分段控制和智能調(diào)速等，有效降低電動機(jī)的能耗。

4.3 電動機(jī)節(jié)能措施的應(yīng)用案例和效果評估

案例：一家工業(yè)企業(yè)使用1 臺額定功率為100 HP 的電動機(jī)驅(qū)動1 臺常規(guī)負(fù)載設(shè)備。在實施電動機(jī)節(jié)能措施之前，電動機(jī)每天的運(yùn)行時間為12 h，年運(yùn)行時間為300 d。

4.3.1 實施的節(jié)能措施

1）更換電動機(jī)：將原有的IE1 級別電動機(jī)更換為能效更高的IE3 級別電動機(jī)。

2）安裝變頻器：為電動機(jī)安裝變頻器，根據(jù)實際負(fù)載需求調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.3.2 效果評估

對節(jié)能成本和投資回收期進(jìn)行評估，評估結(jié)果如表2 所示。

表2 節(jié)能成本和投資回收期評估

通過更換電動機(jī)和安裝變頻器，年能耗可以減少4 141.18 kW·h，節(jié)能成本每年節(jié)省2 484.71 元。在投資回收期方面，變頻器的投資回收期約為4 a。這個案例突出了電動機(jī)節(jié)能措施的效果，同時，也顯示了經(jīng)濟(jì)效益和投資回報的潛力。

5 結(jié)論和展望

實施工業(yè)用戶電力節(jié)能措施可以顯著降低能耗，提高能效，降低電費(fèi)支出，并在一定程度上減少對環(huán)境的影響。在選擇節(jié)能措施時，應(yīng)綜合考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性以及投資回收期等因素，并根據(jù)具體情況制定適合的節(jié)能方案。此研究對工業(yè)節(jié)能具有參考價值，為電力系統(tǒng)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持和決策依據(jù)。