电气节能在工业电气设计中的应用分析

董梅

（甘肃土木工程科学研究院 甘肃兰州 730020）

引言

随着当前各个行业领域能源消耗量的不断增加以及日益严重的环境污染形势作用，如何保护环境并节约能源，已成为备受各方重视的课题之一。研究表明，我国社会经济的快速增长是以高能耗为代价实现的。因此，水泥企业耗能作为高能耗大户之一，已经成为危及社会可持续发展的关键性因素之一。在构建资源节约型社会的客观发展目标下，将电气节能技术引入工业电气设计领域中是非常必要的。结合哈密南岗水泥企业实际情况，分析该企业工业用电系统中存在的能耗问题，并据此提出电气节能的设计与改造方案，望能够为同类工业电气设计改造提供一定的参考与帮助。

1 工业企业电气节能的必要性

1.1 我国工业企业现状的要求

电气节能体制存在较多的漏洞和缺陷，同时部分企业没有意识到电气节能的重要性，在提高生产效益的同时，没有对资源进行节约，浪费了大量的电能。为了对上述情况进行有效抑制，必须重视对电气节能技术的研究和应用，这同样也是未来工业发展的趋势。

1.2 促进我国经济可持续发展的要求

以往在经济发展中，能源消耗量非常大，环境污染问题也极为严重。而现阶段人们开始重视可持续发展，即寻求资源、环境和经济的协调发展。当下的工业发展应该注重电气节能和增加电能利用率，这才能满足可持续发展的要求。

2 电气节能设计方案

2.1 应结合实际情况构建厂内电气综合节能系统

选择哈密南岗水泥厂的电能采集系统来进行自动化改造，用智能化数字电能测量表代替过去的机械电表，在通信技术的帮助下，将实时的变电所用电量信息上传给变电站监控室，同时为监控室安装计算机系统，构建用于电气能量监视与管理的软件平台，以此来完成对企业电能消耗的内部考核计量和关口计量，另外对厂区生活区职工宿舍楼职工用电也进行分户计量收费，改变以往开放式用电模式，这也是一种体现电能节能的方式。

2.2 应构建基于电气节能的集成化监控与调度优化工作平台

在进行集成化监控和调度优化工作平台的构建时，必须全面考虑到哈密南岗水泥厂的具体情况，以此为依据来展开平台的构建，这样才能够完成电气节能的目的。整个监控系统的基本框架结构如图1所示。结合图1分析，该电器节能集成化监控系统分为两个部分，即现场总线网络和局域网。总线网络既可以自动监测和联动控制企业配电网地层设备和输变电线路，同时还能够完成与厂内车间级监控主机系统之间的信息传输；而局网线则可以将企业的变配电站、车间监控系统连接到一起，以实现彼此之间的信息共享和集成监控。这样就能够根据具体的变配电情况，优化电网的有功潮流和无功潮流。

图1 集成化监控系统基本框架结构示意图

3 无功补偿与谐波抑制

通过对哈密南岗水泥厂低压配电室所测数据进行分析发现，功率因数低0.9的低压配电室有6座，同时，其中一半的低压配电室是设置有无功补偿装置，但是这些无功补偿装备因为老化、维护不当等原因，根本无发发挥应有作用。谐波问题在上述6座低压配电室中都有所发生，这都会影响电力设备的运行。在进行上述，低压配电室的电气节能设计时，必须综合考虑低压配电室的功率因数与谐波含量，根据二者之间的关系，确定具体的方案：①如果低压配电室的功率因素以及谐波含量均处于较低水平，在动态变化下，负载水平会改变系统无功功率。所以在进行该类配电室的无功补偿时，应采用智能化无功补偿装置，通过分级和动态补偿的方法，来提高，功率因数，使其保持在0.96。②如果低压配电室的功率因数适中，但是谐波含量超出一般水平，动态变化下的变频器、空调等非线性负载也会影响谐波含量。在设计无功补偿方案时，需要考虑上述情况，具体的可以选择以下治理方式：多组单调谐无源滤波器治理特定次数谐波；利用有源电力谐波器治理各次谐波。上述两种方法都能够降低谐波所造成的危害，减少总畸变率。如果谐波畸变情况和电流幅值都比较大，在考虑节能改造成本的基础上，可以选择安装单调谐无源滤波器装置来进行谐波治理。③如果配电室的谐波含量超出正常水平，但是功率因数却比较低，所以在此种情况下，如果请使用电容器或者是采用无功补偿，很容易将谐波进行放大，这是谐波问题更加严重，为了对这种情况下的问题进行有效处理，需要把谐波治理和无功补偿结合起来，采取综合性的处理措施。在实际中，可以通过安装混合型动态有源滤波系统对整流装置来完成对上述情况的。在电网0.38kV侧安装混合型动态有源滤波器，这样由源滤波器向电网输出的滤波就会经过输出滤波器的处理，这样做的优点有两方面：第一，利用电网谐波动态完成对谐波的治理；第二，在在完成谐波治理的同时进行无功补偿。在上述措施应用之后，配电室的功率因素稳定在0.96，同时整流装置的运行状态也比较正常。与此同时，为了对谐波进行有效抑制，还可以考虑在单调谐无源滤波器对单次谐波治理的前提下，同步完成对其它次数谐波的动态治理，从而加强谐波治理的效果。并且还可以对电网和无功补偿之间的谐振干扰问题进行处理，使补偿装置可以，安全稳定的运行。各10kV配电站的高压母线上设静电电容器补偿，补偿后功率因数达到0.93。采用功率因数的补偿可以减少线路损耗与变压器的损耗，在设计阶段就需要做好补偿设计，减少相应的损耗。

4 工业电气设计中的电气节能措施

4.1 合理设计供配电系统

在进行工业电气设计过程中要充分考虑工业电气的需求，做好配供电系统的设计，对配供电系统进行优化，达到节能降损的目的。在供配电系统设计上，减少供配电系统的环节数量，对供配电系统进行合理的精简，降低造价，减少能源的损耗，合理设置总变电所及供配电室在厂区的位置。在电气设备选型时，应考虑供电电压等级，避免由于电压问题造成的损耗过多。在变电所设计时，对于负荷较集中且距电力室较远的配电设备区域设置变配电室。避免由于供配电距离过长而造成的负荷增加，减少电缆及附件耗材成本的增加。如果供配电区域面积过大，最好采用合理的规划，配置多个变配电室，减少配电线路距离。

在厂区总平面图设计过程中，应由工艺专业设计人员和电气设计人员共同参与，尽量的避免配电距离过长，减少电线电缆的使用量。在水泥厂常使用大功率电机，功率在200kW及以上的电动机采用10kV高压电动机，功率在200kW以下的电动机采用380V低压电动机。高压鼠笼电机采用笼型机启动柜启动，高压绕线电机采用液体电阻器启动。静止式进相机单机就地电容补偿装置，对调速高压电机采用单机就地电容补偿方式。其静止式进相机柜及就地电容补偿柜放在相应的电力室内，尽可能地减少厂区配电线路损耗，随机投入和切除，以使补偿保持平衡。

4.2 合理选择变压器

①变压器的负载率要进行科学地选择，以实现降低变压器的功率损耗，负载损耗和空载损耗是变压器损耗。负载损耗通常是能够变化的，和变压器负载是正相关的，变压器的特性也与其密切的联系。而空载损耗和负荷的关系就没有那么直接了，在变压器一次绕组频率和电压值都比较固定时，空载损耗也不会有太大的变化。根据经验值分析，在变压器的选型上，宜选择负载率为70～80%，是较为恰当、理想的范围。②高效节能的新型变压器是比较理想的选择。现阶段我国很多的工业企业中都存在着老变压器数量巨大的现象，想要将其在一次性更新是不实际的，逐年更新才是宜采用的方法，应先将那些技术特性比较差的变压器淘汰掉，选择新型高效节能的变压器，做到小投入，大产出的良好效果。全密封式配电变压器是一种节能变压器，相比于普通油浸式变压器，没有了储油柜，油箱的波翅代替油管作为冷却散热元件，波纹油箱中使用的优质冷轧薄板在专用生产线上制造，波翅可以随变压器体积的变化而变化，变压器和大气始终在相对隔离的状态，这样就可以有效的减少油劣化和绝缘受潮的现象，工作的可靠性也得到了加强，达到了节能减排的预期。

4.3 优化照明系统设计

工业、企业电气照明设计并没有民用建筑照明设计复杂，但是在装置中同时使用的灯具数量大。①过去通常采用的灯具为汞灯、钠灯、金卤灯，这些灯具在工矿企业当中使用量大、面广，也发挥了其应有的作用，但在新兴光源的推出后逐渐失去了原有的主导地位，其光效低、寿命短、功率因数低，起动时间长等缺点，已经不能满足现代企业的照明要求。所以，现在推出了电磁感应灯、LED灯等光源，这些已能完全满足用户的要求，虽然价格稍高，但随着逐步推广，电能节约，费用会逐渐降低。②过去对光源的控制不能达到节能的效果。如采用适当的措施，如光控、时控、稳压输出等，则每年可以节约大量的电能。

5 结语

本文以哈密南岗水泥厂的电气系统节能改造实例为分析对象，对哈密南岗水泥厂电气系统所出现的问题进行了探讨分析，比如无功损耗较大、谐波含量高、电能测量与监控缺乏集成性、功率因数偏低等等。然后结合具体的情况，制定了科学合理的电气节能的改造与设计方案，该方案建立在车间用电的数字化总线采集以及电气能量监视管理工作平台基础之上，根据具体水泥厂具体情况，对功率因数和谐波较低、功率因数正常谐波较高和谐波高功率因数低的三种情况进行了具体的分析，并提出了相应的处理方案。经实际验证表明，经过工艺和电气改造之后，哈密南岗水泥厂的水泥产量得到了很大的提高，每天水泥产量比改造前多1093.65t.增幅高达56.61%，但是煤耗和电耗不升反降，比改造前分别降低了31.06kgce/t-cl和28.24kW·h-cl，降幅分别为22.11%和31.62%，节能增产效果显著，电气节能设计的目的得到了有效的实现。