浅谈电气节能优化设计措施

2016-03-13黄文东

化工设计 2016年2期

关键词：功率因数电气设计电容器

黄文东　周　勤

中国成达工程有限公司　成都　610041

浅谈电气节能优化设计措施

黄文东*周勤

中国成达工程有限公司成都610041

摘要本文从电气设计，设备选型和运行管理三方面，基于电气节能理论结合作者在化工装置电气设计和热电厂电气设计中的实践体会，提出工业装置电气节能优化设计的有关具体措施。

关键词电气节能损耗智能监测监控

国家“十一五”规划就已提出了节能减排的目标，即2010年在2005年基础上单位GDP能源消费降低20%，主要污染物下降10%；“十二五”规划节能目标是单位GDP能源消费降低16%，这些节能目标的提出和实现具有非常重要的意义。“十三五”期间能源供需矛盾将有所缓解，但我国能源安全问题依然突出，实现节能减排目标仍然面临挑战。2008年4月1日实施的修改后的《节能法》明确将节约资源作为我国的一项基本国策。用能大户工厂和建筑节能是中国节能减排的一个重点领域，作为二次能源的电能，如何降低损耗、高效利用，将电气节能技术合理应用到工程项目当中，也就成为电气设计的关键点。

1电气设计中的节能措施

1.1减少配电线路损耗

由于线路上存在电阻，有电流流过时就会产生有功功率损耗，该线路损耗与电阻成正比、截面S成反比、长度L成正比。因此可以多方面入手减少线路的损耗。

1.1.1选用电导率较小材质的导线

铜芯最佳，但又要贯彻节约用铜的原则。因此在负荷较大的一类、二类建筑中宜采用铜芯导线，在三类或负荷量较小的建筑采用铝芯导线为宜。

1.1.2减小导线长度

(1)一般工厂配电线路都较为复杂，因此在设计中，电缆通道尽可能走直线，少走弯路，以减小导线长度，同时还应不走或少走回头线，减少来回线路上的电能损失。

(2)总变电所(主要指工厂与建筑设计中常见的35kV至110kV总变电所)位置尽可能靠近负荷中心，以减少供电距离。

(3)在高层建筑中，低压配电室应靠近竖井，而且应避免由低压配电室提供给每个竖井的干线和支线间，产生支线沿着干线倒送的现象，亦即低压配电室与竖井位置的布局上应使线路都分向前送，尽可能减少回头输送电能的支线。

(4)在建筑配电设计中，如果单层建筑面积在10000m2及以上时，至少应设两个变配电所，以减小配电干线的长度。

1.1.3优选导线截面

对于比较长的线路，除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面外，还应合理选取经济电流密度。例如适当加大一级导线截面，所增加的费用为M，若回收年限为几个月或一两年，则应加大一级导线截面。一般而言，导线截面小于70mm2，线路长度超过100m的增加一级导线截面比较容易实现上述条件。

1.2设置补偿电容器

设置补偿电容器，提高功率因数至0.9以上，减少配电线路和变压器的损耗，达到节能目的。线路损耗公式表示：

式中，U为线电压，V；P为有功功率，kW；cosφ为功率因素。

由该式可看出线路上的损耗是与功率因数成反比，提高系统功率因数可以减少线路损耗。

同样变压器有功损耗计算式：

式中，P0为变压器的空载损耗，它由铁心的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与硅钢片的性能及铁心制造工艺有关，而与负荷大小无关，是基本不变的部分；Pk为变压器的短路损耗，它取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小。因此，应选用阻值较小的铜芯绕组变压器；β为变压器的负载率；P2为变压器的输出功率；Sn为额定容量；cosφ为功率因素。

可见提高系统功率因数亦可以减少变压器损耗。

电网终端设备大多数负载是感性的，由于感抗产生的是滞后的无功，可用电容器补偿，而电容器产生的是超前无功，两者可以相互抵消，因此无功补偿可以减小无功的需求量，提高功率因数。无功补偿电容器装置设计原则应分以下几点：

(1)高、低压电容器补偿相结合，即变压器和高压用电设备的无功功率由高压电容器来补偿，其余的无功功率则需按经济合理的原则对高低压电容器进行分配。

(2)分散与集中补偿相结合，对距变配电所较远且无功功率较大的宜采用就地补偿，对用电设备集中的地方宜采用成组补偿，其他的无功功率则在变配电所内集中补偿。

(3)固定与自动补偿相结合，即最小运行方式下的无功功率采用固定补偿，经常变动的负荷采用自动补偿。

1.3合理分配三相负荷

合理分配三相负荷，避免出现负荷不平衡现象。不平衡现象使电气设备超负荷运行，应予避免，以减少运行损耗(造成不必要的线路损耗)。

1.4照明设计

照明以清洁、明快为原则进行设计，同时考虑节能因素，室内外照明应选用发光效率高、显色性好、使用寿命长、色温相宜、符合环保要求的光源。室外照明装置应限制对周围环境产生的光干扰。荧光灯应采取分散电容器补偿、或电子整流器。通道、厕所等场所采用节能型灯具，并选用声光控开关。

2电气设备选型的节能措施

2.1变压器选择

变压器选择应遵循低损耗、节能原则，同时合理选择变压器的容量和台数，提高变压器的运行效率。

(1)单台变压器容量选择，由变压器有功损耗计算式可以看出，单台变压器的铜损为β2Pk，与负载率β的平方成正比，对β2Pk用微分求极值，在β=50%时变压器的能耗最小，因此在以往设计中变压器的容量大多按负载率为50%左右选取，但其没有考虑实际的综合经济效益，由于选用比实际需要大一倍的变压器，其增加的设备购置费、安装费等远大于节电所省下的电费，所以在设计中，应综合分析比较，优化设计，单台变压器容量选择时通常从综合经济效益的角度，变压器的负载率应选在75%～85%为宜。

(2)当设计需要选用多台变压器时，为减小变压器损耗，在合理分配负荷的情况下，尽可能选用大容量的变压器，减少变压器的台数。

(3)应多选用新系列节能型变压器，因其具有损耗低、质量轻、效率高、抗冲击和节能显著等优点，在近年得到了广泛的应用。所以，设计应首先选低损耗的节能变压器。如SL7、SLZ7、S9或SC9等节能型变压器，它们都是选用高导磁的优质冷轧晶粒取向硅钢片和先进工艺制造的新系列节能变压器。由于“取向”处理，使硅钢片的磁场方向接近一致，以减少铁心的涡流损耗；45°全斜接缝结构，使接缝密合性好，可减少漏磁损耗。

另一种新型非晶合金变压器较S9系列节能变压器等具有更好的节能特性，以一台800kVA容量变压器为例，非晶合金变压器的铁芯损耗可比S9系列小1.05kW，两种变压器负载损耗一样，按一年计算，非晶合金变压器多节约电能：

△W=8760×1.05 =9198kWh

由以上可知新型节能变压器因其低损耗、高效率，其发展潜力是巨大的，但是目前由于一些技术瓶颈及较高的价格，使用相对较少，因此需要国家从政策上给予激励和支持。

2.2主要用电设备节能措施

对机组和水泵配置节能型、高效率电动机，合理采用变频控制设备。变频调速可以从四个方面节约电能：① 采用软启动。一般交流电机的启动电流为电机额定电流的5～7倍，变频器具有软启动功能，启动电流不超过电机的额定电流；② 节省设计冗余。一般设计都按照使用时的极端条件，而都有设计冗余，有的容量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把这部分冗余节省下来；③ 采用变频调速。按流体力学原理，轴功率正比转速，转速下降，轴功率变小，这是变频调速的主要节电原理；④ 提高功率因数。一般采用变频器的系统功率因数在0.95以上，节省无功，减轻了变压器的负担。

2.3选用照明节能控制设备

采用智能照明控制系统，自动管理，通过红外感应装置检测，无人区域自动关灯。根据环境自然光强变化，自动调节和控制照度等。

2.4减少设备空载运行

对自动扶梯和自动人行道采用光电感应控制，避免长时间空载运行，以节省电能。

3运行管理中的电气节能措施

(1)建立各级电气节能体系和技术文件，设立节能监督岗位，明确能效管理负责人制度，加强对能源利用的监督和检查。

(2)选用先进的微机自动化控制系统，及时采集各种运行数据，实现对电耗的宏观监控及微观测量分析，实施有效的运行维护和能源管理。

(3)限制配电系统电子设备产生谐波电流分量，以便提高系统电能质量，降低能耗，保证系统的正常安全运行。

(4)针对中央空调等季节性用电设备，设置监控管理系统，除实现受控机组和设备的启停控制与必要的连锁操作、实时监测和存储设备的运行状态、采集系统的主要参数以外，还能够按预定的控制程序对系统的被控参数进行自动调节，实现机组的台数控制和优化运行，采用综合措施实现节能。

4结语

从电气设计，设备选型和运行管理三方面采取相关节能措施，将对化工装置和热电厂等工业装置带来可观的电气节能效果。电气节能潜力巨大，只要大家都行动起来，就能在电气节能的道路上取得更大的成果，为提高社会效益和经济效益。

参考文献