淺談降低工業(yè)站場配電設(shè)計(jì)中的電能消耗方案

山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司 孟凡竹

為積極響應(yīng)國家“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，如何在保障生產(chǎn)需求的同時(shí)，有效降低電能消耗，成為當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域亟待解決的問題。通過本文的研究，期望能夠?yàn)楣I(yè)站場的綠色發(fā)展和能源利用效率的提升貢獻(xiàn)一分力量。

1 針對不同要因制定對策并模擬實(shí)施

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查及原因分析

以本公司參與設(shè)計(jì)的、已運(yùn)行5～10年的某項(xiàng)目為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)查，包括長輸管道、油田內(nèi)、陸地油氣處理這三類項(xiàng)目25個(gè)站場，共統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致電能消耗大的原因有四個(gè)：缺少相應(yīng)的節(jié)能降耗方案、配電線路配置不合理、電機(jī)運(yùn)行損耗大、三相電源不平衡。通過頻率累計(jì)找到了導(dǎo)致市電電能消耗大的主要問題癥結(jié)為缺少相關(guān)節(jié)能方案，大部分站場僅考慮建設(shè)，未考慮遠(yuǎn)期投運(yùn)后的長期耗電。從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面進(jìn)行分析查找導(dǎo)致電能消耗的因素，如圖1所示，從不同角度出發(fā)，找出了導(dǎo)致站場電能消耗大的9條末端因素和2個(gè)要因：無降低市電電能消耗方案；空調(diào)負(fù)荷大。

圖1 電能消耗大原因分析圖

1.2 探索其他形式供電方案（針對要因1：無降低電能消耗方案）

以廣西桂林地區(qū)的輸氣站為例，溫濕度大，最大連續(xù)無光日為6天，站內(nèi)總用電負(fù)荷26.84kW，年用電量為23.51×104kWh，進(jìn)行市電與太陽能方案比選，比選結(jié)果如表1所示。綜合對比，市電方案占地面積小，運(yùn)行成本逐年增加；離網(wǎng)太陽能方案供電可靠性差、占地面積大，但能實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，兩種方案均無法達(dá)到節(jié)能降耗的目的。將一部分市電用綠電提代的方案：即采用以市電供電為基礎(chǔ)，利用有限的位置設(shè)置并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置，站內(nèi)自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。

表1 供電方案比選表

更改主接線配置：在原有市電、發(fā)電機(jī)進(jìn)線雙電源切換的基礎(chǔ)上，增加光伏進(jìn)線回路，如圖2所示；空間布置：工業(yè)站場的無人值守站內(nèi)，除裝置區(qū)外所有設(shè)備成橇，利用預(yù)裝式變電站和橇裝機(jī)柜間兩個(gè)橇體上方的空間，做光伏棚[1]，即可遮陽擋雨，也無需額外征地，還可以利用光伏發(fā)電并網(wǎng)減少站內(nèi)用電消耗。

圖2 光伏并網(wǎng)主接線圖

1.3 對空調(diào)外橇體外殼進(jìn)行保溫(針對要因2：空調(diào)負(fù)荷大)

空調(diào)負(fù)荷大原因：使用溫度測量儀器對環(huán)境溫度進(jìn)行測量和記錄，結(jié)合現(xiàn)場空調(diào)所在位置、運(yùn)行狀態(tài)、溫度變化的情況進(jìn)行調(diào)研。經(jīng)廣西、四川、陜西、黑龍江四個(gè)省橇裝設(shè)備運(yùn)維人員反饋，多站的橇裝結(jié)構(gòu)的屋體均無法滿足其內(nèi)設(shè)備運(yùn)行溫度要求，為了達(dá)到設(shè)備及人員操作的環(huán)境溫度（26℃）需要空調(diào)進(jìn)行降溫或升溫，空調(diào)大功率運(yùn)行時(shí)噪音大、空調(diào)表面溫度高，空調(diào)均按75%以上的功率運(yùn)行，大功率運(yùn)行時(shí)的耗電量大。

探索新材料：空調(diào)容量的選型依據(jù)包括房間面積、朝向、橇體內(nèi)部設(shè)備的散熱量和橇體隔熱性，前三者對于站場工程而言無法調(diào)整，那么橇體的隔熱性能則直接影響空調(diào)負(fù)荷在電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷的占比。目前反射型輻射制冷膜在多個(gè)領(lǐng)域有應(yīng)用，例如工業(yè)領(lǐng)域的戶外柜體，將反射膜貼在橇裝設(shè)備的表面，可以讓溫度較高的柜體外殼向外輻射的能量不與大氣層進(jìn)行熱傳遞，從而降低能耗。

實(shí)施效果：采用反射型輻射智冷模，將空調(diào)所處橇裝設(shè)備外殼進(jìn)行包裹，利用反射膜的反射原理，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)所處橇裝設(shè)備的外殼保溫。室內(nèi)外溫差減少了8～11.4℃，減少了空調(diào)長時(shí)間大功率運(yùn)行的情況，大大降低了電能消耗。實(shí)施前后空調(diào)負(fù)荷占比如圖3所示。

圖3 各地區(qū)橇裝設(shè)備內(nèi)外溫差及空調(diào)負(fù)荷占比

圖4 分輸站太陽能光伏棚布置圖

2 工業(yè)站場降低電能損耗的應(yīng)用分析

2.1 站場并網(wǎng)光伏設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電裝置的空間布置：與地面光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，工業(yè)站場的光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣設(shè)計(jì)受到面積限制，需要根據(jù)所在地的氣候環(huán)境特點(diǎn)，重點(diǎn)分析該地區(qū)太陽能資源情況、周圍建筑和工藝裝置的遮擋等因素，最終合理確定發(fā)電功率配套系統(tǒng)[2]。光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量很大程度上取決于安裝的太陽能電池板的面積，因此要確保有足夠的可利用面積來安裝光伏板。以廣西地區(qū)一站場為例，在SmartPlant 三維軟件中進(jìn)行3D 建模，利用兩橇上方空間布置光伏棚，立柱安裝，無需額外征地，光伏棚面積18m×5m=90m2。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的組成：光伏組件。太陽能光伏板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏板的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率?？紤]檢維修通道等尺寸，共可放540Wp 光伏組件24塊，安裝容量為12.96kWp；逆變器。是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)將太陽能電池板產(chǎn)生的24V 直流電轉(zhuǎn)換成220V 交流電，以便接入站內(nèi)低壓電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充供電[3]；并網(wǎng)柜。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過逆變器整流后轉(zhuǎn)換成AC380V 50Hz 電源，光伏電源需與正常電網(wǎng)之間設(shè)置合理的并網(wǎng)方式，保證電源的可靠運(yùn)行。并網(wǎng)接入點(diǎn)一般選擇在站場低壓母線上，并網(wǎng)柜與低壓母線的總配電進(jìn)線處設(shè)置雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)和防逆流裝置，防止向市電電網(wǎng)反送電，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)電能的自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。

計(jì)算年輻射量：利用PVsyst7.2軟件計(jì)算年輻射量，輸入地理坐標(biāo)、采光面傾角和方位角，經(jīng)計(jì)算廣西地區(qū)年輻射總量為1194kWh/m2。發(fā)電量計(jì)算如下：Ep=Ha×PAZ/ES×K，其中：Ha為水平面太陽能總輻照量（kWh/m2，峰值小時(shí)數(shù)）；Ep為上網(wǎng)發(fā)電量（kWh）；ES為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1kWh/m2）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數(shù)，光伏裝置發(fā)電量Ep=1194×12.96/1×0.821=1.27×104kWh。本站年用電量23.51×104kWh，實(shí)施前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。經(jīng)過光伏并網(wǎng)裝置的實(shí)施，使工業(yè)站場每年的市電電能消耗降低了5.4%。

表2 年用電量對比表

2.2 對空調(diào)所處橇體外殼貼附反射膜

在廣西地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，反射膜的材料應(yīng)該具有高反射率，以確保能夠?qū)⑻柟庥行У胤瓷涞焦夥迳?；同時(shí)使用也需要注意安全問題，避免因?yàn)榉瓷淠さ陌惭b或使用不當(dāng)導(dǎo)致人員傷害或其他安全隱患[4]。橇裝機(jī)柜間內(nèi)設(shè)置1臺12kW/380V 壁掛式空調(diào)，通過對比安裝反射膜前后的溫度數(shù)據(jù)，效果如表3所示。經(jīng)過粘貼反射膜的實(shí)施，使空調(diào)的電能消耗降低了25.37%。

表3 安裝反射膜前后情況匯總表

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過本文兩種對策的實(shí)施，均降低了市電電能的消耗，年用電量共降低了2.63×104kWh/a，降耗11.19%，結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)施前后的年用電量對比表

對于工業(yè)站場，通過降低電能消耗，企業(yè)可以減少能源成本支出，提高經(jīng)濟(jì)效益，本次課題成果中，年用電量降低了2.76×104kWh，地方電網(wǎng)電價(jià)為0.7215元/kWh，直接經(jīng)濟(jì)效益減少1.99萬元；而對于整個(gè)地球的環(huán)境保護(hù)，工業(yè)站場使用的電能往往來自燃煤發(fā)電，碳排放量每年減少了25.99t。

除此之外的效益分析如下：減少企業(yè)的運(yùn)營成本。如果能夠降低電能消耗，就意味著可以減少企業(yè)的運(yùn)營成本，提高企業(yè)的盈利能力，這對于企業(yè)的長期發(fā)展具有積極的影響[5]；有助于提高企業(yè)的競爭力。在當(dāng)今的市場競爭中，企業(yè)的成本控制能力成為了衡量企業(yè)競爭力的重要指標(biāo)之一，有效地降低電能消耗就具備了更強(qiáng)的競爭力，可以在市場中獲得更大的份額；有助于推動社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著全球能源危機(jī)的加劇和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，節(jié)約能源已經(jīng)成為了社會發(fā)展的重要議題。降低電能消耗不僅可減少能源的消耗和浪費(fèi)，還可以降低環(huán)境污染和碳排放，推動社會的可持續(xù)發(fā)展[6]。

4 結(jié)語

本文提出了針對性的節(jié)能措施和解決方案。降低電能消耗對于經(jīng)濟(jì)效益的提升和社會的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。在實(shí)際操作中，工業(yè)站場可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙贏。通過本文的研究和探討，希望能夠?yàn)楣I(yè)站場的節(jié)能減排工作提供有益的參考和借鑒，為推動我國工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。