试论水利水电工程电气节能设计

2021-11-24董吉青

商品与质量 2021年2期

董吉青

东营弘毅工程勘察设计有限公司山东东营 257091

同冶金、化工、建筑等行业相比，水利水电工程的能耗较低，如果对其用能工艺、节能设备、节能管理等重视不够，导致水利水电工程在发挥功能过程中难以做到高效节能。尤其电气设计环节，易导致能源的不合理消耗。可见，在水利水电工程电气设计环节，引入绿色节能理念，具有鲜明的现实意义。“节能降耗，保护生态”是一项基本国策，是实施可持续发展战略，保障国家经济安全、改善环境的重要措施之一。目前中国经济社会发展，已经从高效率转变为绿色经济、高质量发展，节能降耗已成为各个行业追求的目标。近年来，水利工程建设管理认真贯彻习近平总书记“生态文明建设”思想和“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水方针，把建设“幸福河湖”作为未来河湖治理的主要方向。治水主要矛盾和治水思路发生了转变，治水兴水迎来了难得的战略新机遇。水利工程在水安全的前提下，被赋予了更多功能，并与水生态、水环境、水景观、水经济相融合，满足人们临水、亲水、观水、乐水的需求。为建设安全河湖、生态河湖、景观河湖、文化河湖、幸福河湖，需要大量的用电设备运用到水利工程当中，电力资源需求量也相应增加，电气节能问题逐渐凸显，电气节能效益已逐渐成为衡量水利工程项目可持续性的重要指标，电气节能设计意义重大。

1 水利水电工程电气节能设计重要性

长期以来，水利水电工程在城市防洪、农业灌溉、水力发电、居民生活、生态环境等领域发挥了巨大的作用。特别是在国民经济高速发展的背景下，水利水电工程的数量增多、规模扩大。

电气设备是水利水电工程运行的关键，设计环节若存在能源损耗大的问题，工程在整个运用期间将处于低效、高耗运行状态，造成极大的浪费。由此可见，水利水电工程电气设计环节，节能手段的应用是很有必要的。无论从微观，还是宏观角度，水利水电工程建设，均需落实可持续发展理念，注重能耗控制，推动行业的绿色可持续发展。

2 水利水电中的电气节能设计应遵循的基本原则

2.1 在进行节能设计时，应满足基本的功能需求

在电气节能设计中，制定和设计方案应充分满足工程的基本功能和要求。例如，设计人员首先要考虑电动机是否能满足实际工作要求，然后再考虑是否能节能降耗；如果不能满足正常工作要求，其节能功能就缺乏相应的实用价值和意义。因此，在项目设计中，必须优先考虑能否满足基本功能和要求。

2.2 相关技术的应用应考虑低能耗和环保的需要

在电气工程的节能设计中，既要考虑设备的节能效果，又要充分利用现代技术，达到低耗节能的目的。因此，设计人员应该对电气工程进行全面深入的研究，分析各个环节的能耗情况，从而选择合理的工艺控制能耗，解决具体的电耗问题。

2.3 节能设计应保证经济性的合理性

节能设计最根本的目的之一就是有效控制和降低投资成本。因此，技术设计和方案必须是可行的，而不仅仅是为了节能；如果设计方案过于倾向于节能降耗，忽视了基本功能，就会导致更多的成本投资。

3 水利水电工程电气节能设计要点

3.1 贯彻全方位节能设计方法

电气节能设计应与其他专业节能设计相协调，配合工程规划与总布置节能设计；水工建筑物、生产用房、管理生活用房等建筑物节能设计；水力机械及辅助设备以及金属结构节能设计，共同构建一个有机的节能体系。

无论是工程施工期，还是运行期，节能设计还应通过加强技术管理（安装完备的能源计量器具，实现对能源消耗量的统计、考核）、建立健全能源管理体系等措施，构建系统化的能源管理体系。

3.2 合理选择输电线路路径，使线路最短，节省投资和运行成本

按经济电流密度法选择导线截面，降低线路损耗。线路选用电阻率小的导电材料，导线截面按使线缆初始投资和经济寿命期内线路损耗费用之和最少选择，即选择经济电流，有资料显示可减少35%-42%的线路损耗。

3.3 控制照明系统能耗

照明系统节能设计的关键在于，保障照明系统的照度，减少光能损耗。常用的照明系统能耗控制措施为自然光的开发、绿色环保设计与高效光源的选择三项。

在自然光的开发方面，可将电气工程与土建工程配合，开发利用自然光，减少照明系统的应用，实现节能减排的目标。例如，对于地下部位的施工，可通过光导光照明系统的应用，将太阳光引入导管内，发散到地下区域，用于照明。

在绿色环保设计方面，全面考虑照明系统的能耗与环境污染现象，通过系统参数的调节，减少系统能耗的同时，避免灯光危害周边居民的正常生产生活。例如，对于工程施工的一般场所，可选择220V照明设备；对于存在导电灰尘的高温施工环境，照明设备电源电压需低于36V；对于潮湿用电环境，照明设备电源电压需低于24V等，保障施工的安全性。

在高效光源的选择方面，遵循显色性能优异、发光效率高与寿命周期长等要求，根据水利水电工程的不同电气场所需求，选择合适的光源，实现照明系统的最大化利用，减少能源损耗。例如，针对办公室室内，可选择节能荧光灯；针对机械车间，可选择高频无极荧光灯；针对科研场所，可选择高压钠灯。同时，对于不同照明场所的特殊性，需适当调整照明光源。例如，对于显色要求较高的场所，优先选用陶瓷金卤灯；对于安装高度高、维修难度大的场所，优先选用高频无极荧光灯，实现灯具的长期可靠运行[1]。

3.4 注重长期效益，合理选择节能设备

一方面由于节能设备设计和生产的成本较高所以价值比较昂贵，另一方面由于前瞻性不强，未对新技术、新材料和新工艺及时深入了解。目前部分机电工程为了节约成本而选择采用传统的节能设备，没有研发或引进先进的节能设备，但事实上，传统的节能设备反而会增加电能的消耗，从而增加运行成本，而先进的节能设备虽然在研发或引进时耗费较多（近年来，先进的节能设备成本也日趋降低），但工程运行期会节约大量的电能，从而节省费用。设计人员要根据工程项目的特点和需要，本着水利水电在国民生产中的作用，综合考虑项目成本和运行成本，合理选择节能设备。

3.5 优化设备配置

①将以往的定子铁芯D42硅钢片材料，替换为取向硅钢片，减少铁磁损耗，提高磁感应强度；②选择F级环氧分云母带作为定子线圈的绝缘，从原本的B级绝缘改造为F级绝缘，强化绝缘效果，提升散热效果，提高输出功率；③保障器件功能不变（包括通风冷却性能、运行安全性能等）的基础上，提升转子励磁绕组的匝数或截面，减少铜线损耗；④改进发电机的风路系统，优化通风结构，将原本的通风损耗从额定容量的2%-5%，降低到0.4%，降低通风损耗，提高发电机的输出效率，实现增容的建设目标。水轮机由原本的HL220-LJ-225（0°）更换为HL220-LJ-225（+2°），更换器件包括导叶、传动系统与转轮，提升水轮机的出力和抗气蚀性能。

在电气设备布设方面，将发热量大的设备布置于通风口部位，为设备提供自然散热环境，减少机械通风的应用，降低能耗。对于变压器室等热量较多的场所，施工单位在土建工程中应用隔墙隔热措施，强化热量散发效果，减少空调系统的使用，实现节能减排的目标。

3.6 液压升降坝电动机节能设计

液压升降坝电动机启动应优先采用直接启动，在直接启动不能满足电动机端电压要求时，可以采用降压启动方式。液压升降闸电动机功率为30kW，采用了JJR1000软启动器，这种启动器优点是能够平稳启动、平稳运行，整个过程中电流的变化较小。从而降低了电流对电网的冲击作用，使电压能够始终保持在恒定的范围之内，达到电气节能的目的。