钢铁企业智能电网建设

李关定 李令冬 周佃民

1.宝钢股份能源环保部 2.宝钢安大电能质量有限公司

1 引言

构建钢铁企业智能电网的根本目的是提高企业的电能利用率，钢铁制造流程的电能耗散结构及运行是研究钢铁企业智能电网的重要基础，钢铁企业智能电网物理载体包括配电网和用电系统，其基本特征是高效优质、安全可靠。降低配电网损耗、提高电能转换效率及提高资源综合利用率是钢铁企业节电重点。钢铁企业智能配电网的关键技术有：配电网节电技术，电能转换节电技术，需求侧发电技术，电能管理节电技术及智能电网管理信息技术。

本文主要介绍了构建钢铁企业智能电网的基本思路和方法，以供同行参考。

2 钢铁制造流程的电能耗散结构及运行

钢铁制造是以物质和能量转换为基础的流程制造，是一个开放的、远离平衡的、不可逆的复杂流程体系。构成流程的要素是“流”、“流程网络”和“程序”，钢铁制造流程是由性质不同的多个工序组成的，是“物质流”和“能量流”按照一定的“程序”在一个复杂的“网络结构”中流动运行，其基本属性是“物质流”和“能量流”的耗散结构。钢铁企业智能电网的基本功能就是根据钢铁制造流程物质和电能的耗散特点，科学地管理与控制电能的耗散与运行，从而构建高效优质、安全可靠的钢铁企业智能配电网。“高效”就是目标，“优质”、“安全”、“可靠”是约束条件。

3 钢铁企业智能电网的定义与建设

3.1 钢铁企业智能电网的定义

根据钢铁制造流程的物质和电能耗散结构与运行的特点，对配电网和用电建设进行智能化的动态科学管理与控制，使配电网和用电系统能够高效优质、安全可靠运行。具有上述功能和特征的配电网和用电系统的集合称之为钢铁企业智能电网。

物理载体：配电网与用电系统80%以上的电能是消耗在用电系统上，因此智能电网的物理载体就是配电网和用电系统。

运行特点：高效优质、安全可靠。“高效”是目标、“优质、安全、可靠”是约束条件。

管理与控制内容：线损、电能效率、电能利用率、运行方式、电能质量、安全可靠运行。

管理与控制特点：科学管理、智能化控制。

3.2 智能电网的建设

包括配电网和用电系统评估、配电网改造、用电系统改造及电能管理信息系统建设。其中配电网和用电系统评估内容有：配电网结构、经济运行、电能质量、安全运行、可靠运行、电能效率及电能利用率的评估。

4 钢铁企业节电重点

4.1 降低配电网损耗的技术措施

1）配电网损耗

配电网损耗包括配电线路的负载损耗和介质损耗：约占总用电量的8%左右，其中低压线路损耗约为5%左右。

变压器的负载损耗和空载损耗：一般设计制造水平，220kV/110kV变压器总损耗约为总用电量的0.2%，110kV/10kV（或35kV）变压器总损耗约为总用电量的0.8%，10kV/0.4kV变压器总损耗约占总用电量的1.4%左右。即：变压器损耗约占总用电量的2.4%左右。

配电网总损耗是配电线路损耗和变压器损耗之和，约为总用电量的10.4%左右。图1表示了不同容量不同系列变压器的负载损失图表。

2）降低配电网损耗的技术措施

将110kV/10kV和10kV/0.4kV的高能耗变压器更新为低能耗变压器，可将变压器损耗率降低到总用电量的1.8%左右。

将低压变压器置于负荷中心，减少供电半径，并在低压侧施行就地无功补偿和谐波滤波，可将配电线路损耗降低到总用电量的6%左右。

采取上述两项措施，可使配电线路损耗由10.4%降低到7.8%。

4.2 提高电能转换效率

1）提高电能-机械能转换效率

钢铁企业60%的负荷为电机负荷，推广高效电机和变频器调速技术，可使电机运行用电降低8%左右，企业节电约4.8%。

2）提高电能-热能转换效率

钢铁企业主要的电能-热能转换设备是交直流电弧炉和精炼炉，电能消耗占企业总用电量的12%左右。通过采用高功率炼钢、加大吹氧量、自动炼钢等措施可使电弧炉降低电耗5%左右，企业节电0.6%。

4.3 提高资源综合利用率

1）钢铁制造流程中的能源转换及应用

钢铁制造流程中产生了大量的可燃气体、高温烟气、蒸汽和热水，余热余压发电技术的发展使钢铁企业余热余压年发电量可达企业年总用电量的8%左右。

2）钢铁制造流程中废弃物质的应用

在高炉生产铁水的过程中，每生产1t铁水产生250～350kg高炉渣，用高炉水冲渣制成的水泥与普通石灰石生产水泥的工艺相比，节约石灰石原料约45%，减少CO2排放44%。

以上各项技术措施实施后的节电率：降低配电网线损节电率2.6%，推广高效电机和变频调速节电率4.8%，优化电弧炉工艺和供电制度节电率0.6%，余热余压发电节电率8%。钢铁企业总节电率16%。

按钢铁企业120亿kWh的年用电量来计算，年节电量19亿kWh。

5 钢铁企业智能电网的节电技术

5.1 配电网节电技术

配电网节电技术有：无功补偿技术、均衡负荷曲线技术、配电网拓扑结构优化技术、变压器运行节电技术及改善电能质量技术等。

无功补偿技术特点：有功功率损耗的增大率随功率因数减小而显著提高，功率因数小于0.9时，无功补偿效益显著，无功补偿率大于0.8时，补偿效益显著降低。对于同样的无功补偿率，功率因数越高，有功损耗减小率越小；对于同样的功率因数，无功补偿率越高，有功损耗减小率越小。无功经济当量随无功补偿率增大而线性减小。需要注意的是要避免无功补偿装置与系统发生谐振故障，为了兼顾滤波和避免谐振，无功补偿电容器通常串联电抗器，但如果参数配置不当，在特定工况下系统会发生谐振故障。

均衡负荷曲线可以减小线路损耗，在负荷从电网吸收同样电能的前提下，间歇性负荷的均衡率越低，线路电能损耗越严重。

配电网拓扑结构优化技术：低压配电网接线采用三相四线制方式，低压配电网实施高压单相配电技术，配电变压器安装位置最接近负荷中心等。

变压器运行节电技术：使用高压用电设备，减少变压器总容量；减少企业从受电端至用电设备变压级数，一般为2级，最多3级；选择节能型变压器，其具有损耗低、重量轻、噪声低、效率高、抗冲击、节能等优点，如油浸式变压器已出现了S10、S11系列，S11型变压器与S9型变压器相比，空载损耗平均降低30%，空载电流平均下降70%，变压器噪声水平下降7～10dB。变压器铜损和铁损相等时，变压器有功损耗最小；变压器空载励磁功率等于负载漏磁功率时，无功损耗最小。合理设计选择变压器负载率，高压变压器负载率宜为35%～65%；10kV/0.4kV低压变压器负载率宜为70%～85%；特种负载变压器（整流变压器、电弧炉变压器等）负载率宜为80%～100%等等。

改善电能质量技术：提高用户变电所的进线电压等级，如将用户变电所进线电压由10kV提高至35kV，则进线损耗率降低91.8%。在配电变压器的高压侧，若负载损耗大于空载损耗，应适当提高运行电压；而若空载损耗大于负载损耗，则应适当降低运行电压。在配电变压器低压侧的负荷终端，电压偏差应调整在-3%～+1%内运行，由于电动机负荷的电压无功灵敏度远大于电压有功灵敏度，因此应避免大于+3%的电压偏差运行，过高的电压正偏差会使配电网无功增大，损耗增加。平衡三相负荷，减少供电线路谐波电流与供电母线谐波电压。

5.2 电能转换节电技术

1）电能-机械能转换设备节电技术

机电系统按照能源转换方向分为发电和电力传动两类系统,发电系统的节能核心是提高热力（风力或水力）装置的能源效率，也是节能工作的核心，提高热力装置效率需要技术创新和巨额投资。电力传动系统节能的核心是电动机节电，已有成熟技术推广应用，可使电力传动系统节电10%～20%，工艺改造和创新可以使传动机构和生产机械能量需求减少，但技术创新和工艺改造难度大，投资高。

电动机节电技术：采用高效电动机、合理选择电动机功率和电压等级、电动机定子绕组接线的△/Y自动切换、电动机调速节电、降低电动机的基波与谐波损耗、减小三相电压不平衡度及降低电动机运行温度等方法。“十一五”期间重点推广高效节能电动机等产品，使运行效率提高2个百分点，年节电200亿kWh。高效电机的特点是较普通电机平均损耗减少30%，转矩平均高30%，体积平均缩小15%，重量平均减轻12%。高效电动机效率曲线较平坦，负载率大于40%以上时，效率变化很小。国产高效电动机YX、Y2-E两个系列与普通Y系列电动机相比，虽然制造的耗铜量、耗铝量、铁心的硅钢片消耗量增多，但效率高出0.58%～1.7%。YX系列电动机其总损耗平均较Y系列下降20%～30%，效率提高约3%。该系列电动机起动转矩大、噪声小、振动小、温升低、寿命长，但价格比Y系列电动机约高30%。对年运行时间大于3000h、负载率大于50%的情况，应选用YX系列高效电动机。按照国家标准GB12497-1990《三相异步电动机经济运行》的要求，单台容量200kW以下的选用低压电动机；容量200～355kW之间的应进行技术经济分析后选用高压电动机或低压电动机；容量大于355kW的选用高压电动机。

合理选择电动机功率和电压等级，电动机平均负载率应大于50%，以70%～100%为为最佳负载率。供电线路短且电网容量允许，负载小于300kW的一般选用低压电动机；供电线路长且电网容量有限，负载大于500kW的一般选用高压电动机。当电动机负载率经常在40%以下，应选择定子绕组接线△/Y的自动切换。在负载率低于40%时，将电动机绕组切换为Y接法，平均负载率提高到90%，电动机平均效率提高到93%左右，功率因数提高到0.85左右。

在电动机调速节电方面，对于流量变化的离心式风机和泵类负载均具有转矩与转速的平方成正比、功率与转速的立方成正比的机械特性。当流量变化时，调节电动机的转速可使轴功率大大减小，从而取得节电效果。当风量与转速下降到额定值的80%时，风机功率降低到额定功率的51%；当风量和转速下降到额定值的60%时，风机功率则降低到额定值的21%。

在电动机调速变频器电压选择方面，500V以下小于300kW选用低压变频器，3kV以上大于500kW选用高压变频器。300kW～500kW，低、高压变频器都可以用，但低压电网短路容量大的可选低压变频器，低压短路容量小的可选高压变频器。要注意的是在工作频率大于50Hz或小于10Hz，调速比大于10且变化频繁，调速比及转动惯量大等情况下要选用变频调速电动机。另外，就地无功补偿降低了无功电流，可以降低电动机的基波损耗，减少谐波电压和负载谐波电流。选取高效电机，可降低电动机的谐波损耗；减小三相电压不平衡度，可以提高电动机的输出功率；降低电动机运行温度，可减少损耗电阻。

2）电能-热能转换设备（电弧炉）节电技术

主要是优化供电制度、提高有功功率输入和减少停炉时间方面开展。优化供电制度：采用低功率起弧，高功率穿井，熔池形成后的熔化期和氧化期最大功率供电，氧化末期和还原期降低有功输入。提高有功功率输入：起弧阶段功率因数0.70～0.80，熔化期功率因数0.80～0.87，平均功率因数0.82。图2为交流电弧炉供电模型与节电运行技术概图。

5.3 需求侧发电技术

需求侧发电厂（自备电厂）就是在钢铁企业内部建设的发电厂，其因是余热发电和热电联产故具有发电成本底的优势，输变电成本也低。由于合同电力降低，企业可以使用低成本电力，降低电费支出。

5.4 电能管理系统节电技术

1）电力需求侧管理

电力需求侧管理（DSM）是指通过采取有效措施，引导用户优化用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置、改善和保护环境，实现最小成本电力服务所进行的用电管理。DSM的主要内容包括能效管理和负荷管理两个部分。

在能效管理中，企业应根据国内、国际先进水平和企业具体情况制定企业整体及各系统、单元的能效评价标准。能效评价标准中主要给出能效限定值和节能评价值两个指标。

经济运行：运行能效≥节能评价值

合理运行：运行限定值≤运行能耗<节能评价值

不节电运行：运行能效<能效限定值

负荷管理是保持发电、供电及用电的动态平衡，是电力系统安全可靠、优质高效运行的必要条件。因为负荷的有功冲击使电压频率不稳定，负荷的无功冲击使电压波动严重，负荷波动越大，配电网损耗也越大。负荷管理有调峰和调荷两个内容，调峰是调整电力系统各发电厂在不同时间的发电输出以适应各企业不同时间的用电需要。调荷是调整各企业的用电负荷和用电时间，使电力系统在不同时间内的用电负荷与发电输出相平衡。调峰和调荷是一个问题（平衡发电、供电、用电）的两个方面，提高调峰能力需要较高的成本，通过调整负荷可以减少对调峰的需求量。调荷可以对电力负荷削峰填谷，提高负荷的均衡度从而提高发电、供电设备的利用率，减少电力工业的基建费用，降低供电网的损耗，提高电能质量和电网安全，在低谷时用电可以享受峰谷电价的优惠价。调整负荷的方法有日负荷调整方法（早、午、错开上下班、午休和就餐时间，增加深夜用电班次，调整生产工序及采用蓄冷蓄热节电技术）、周负荷调整方法（采取轮休制）及年负荷调整方法（峰值时段安排设备检修及安排季节性生产计划）。

2）电能平衡管理

电能平衡管理要符合国家有关标准和规定，对同类体系应有相同的明确边界，使结果具有可比性。用电体系的边界应包括所有组成单元和全部过程，电能平衡的基准计算量是电能量，非电能量形式的能量应折算成电能量。

3）产品电耗定额管理

电耗定额管理是加强电耗定额指标考核，促进钢铁企业节约用电，降低生产成本，分析电耗定额考核中存在的问题，及时采取有效措施提高生产效率，提高企业管理水平。

电耗定额管理内容有定额申报与核定，定额编制、上报、统计、分析和考核，电能计量管理及影响产品电耗原因分析及改进等。

5.5 智能电网管理信息系统

智能电网管理信息系统是智能电网的数据源，可进行电能优化分配和故障诊断，应用专家系统为解决配电网和用电系统的高效优质、安全可靠运行提供决策意见，实现智能电网的节电目标，保证工艺生产的正常运行，最大限度地降低企业生产成本。智能电网管理信息系统是一个开放式结构，由电能计量装置、数据处理服务器、数据库服务器和客户端服务器组成。

智能电网管理信息系统各监测点选择要满足配电网损耗、电能效率、电能利用率、产品单耗计算以及故障诊断的需求。电能计量装置应选用基于频域分析的数字式电能计量装置，其能自动分析记录基波功率、谐波功率、负序功率，并分别累计有功电量和无功电量；自动分析记录基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、负序电压、负序电流等参数，谐波分析次数最高为100次。数据处理服务器内装有数据处理软件，可将监测网系统结构、电气参数、监测点代码和电能计量更新信息自动传送到其他相关服务器及监测装置，自动接收各电能计量装置上传数据并自动将数据上传数据库服务器，具有电气参数越限和电气故障的自动报警功能，接收GPS定时信号，定期自动清除早期数据。数据库服务器存储由数据处理器上传的监测分析数据，并兼做Web服务器，发布电能计量管理信息，定期自动清除早期数据。客户端服务器可以是企业的服务器，也可以是上级主管部门的客户服务器，客户端服务器内装有客户电能管理信息系统分析软件，具有监控功能和管理功能。

6 小结

智慧的地球需要智能的电力，钢铁企业智能电网建设首先需要解决钢铁企业内数据收集体系残缺、通信体系兼容性差、应用系统相互割裂及数据缺乏深度利用等问题，建立电网运行和管理的“中枢神经系统”。实现实时的电网管理，通过电网和发电资产优化管理、智能电网成熟度模型及智能停电优化管理等方案，使发电、输电、配电、送电、用电五方互动互通。建立可自测、自愈的智能电网，主动监管电力故障并进行迅速反应，实现智慧的电力供给和配送。

钢铁企业智能电网建设要灵活适宜，除了发电端硬件设备的投入外，电网本身数据从采集、传输到集成应用等各方面是智能电网建设的重点，它不是一个单纯的技术问题，还涉及到钢铁企业电力管理的业务流程和管理模式。如何用结构化的方法和决策框架找到实现钢铁企业智能电网建设的步骤是钢铁企业电力部门工作的重点。