炼化企业高效节能电气设备更新应用研究

张晓宁 郭卫东 董海洋 张晓幸

1.中国石油天然气第七建设有限公司 山东青岛 266300；2.中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂 甘肃酒泉 735200

“十四五”是实现碳达峰关键期、推进碳中和起步期。在当下国家能源战略调整的关键时期，发展低碳经济有利于“资源节约型，环境友好型”的企业建设。炼化企业作为能源的供应方，同时也是高耗能生产单位。降低电能的损耗，做好能耗管理，对提升企业的生产经营效益有着重要意义，对低碳发展有着积极的作用。玉门炼油化工总厂作为一家大型炼油化工企业，电动机、变压器等设备数量多，随着技术的不断进步发展，企业目前在用的部分设备已无法满足低碳发展的要求。通过对企业各生产装置详细排查和市场调研，结合工程建设单位施工经验提出高耗能设备更新方案，为企业提质增效、低碳发展提出新思路。

1 企业在用高耗能电气设备调研

玉门炼油化工总厂主要的终端用能电气设备有电力变压器、三相异步电动机、加热器。其中电力变压器和电动机由于自身会产生热量，消耗电能。根据国家工信部下发的《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录》和中石油集团公司炼化板块下发的电力技术管理若干规定的相关要求，重点对各生产装置的终端用能设备进行排查。

1.1 三相异步电动机在用状况

各生产装置现有的三相异步电动机BJO2系列、Y 系列、Y2 系列、YB 系列、部分YB2系列、JO2 系列及JS 等系列电动机不符合GB18613- 2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》能效限定值要求，其中BJO2系列电动机效率低，堵转转矩低；Y 系列电动机是20 世纪80 年代全国统一设计的产品，其导磁材料使用热轧硅钢片，能耗高、效率低、环保性差；YB 系列、部分YB2 系列、JO2 系列及JS 系列电动机为《高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录》中限期停止使用产品。这些电机每年要消耗大量的电力能源，并严重影响企业的经济运行指标和安全稳定运行。

1.2 电力变压器在用状况

现有部分变配电所电力变压器S7、S7d、S9、SJL、SJ3、SL1、SL7、SJ1 系列油浸式无励磁调压变压器，负载损耗、空载损耗、总损耗均较高，已经达不到现行标准GB20052- 2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中能效限定值的要求。

2 终端用能设备能耗分析

玉门炼油化工总厂终端用能设备能耗较大的电气设备主要有三相鼠笼式异步电动机和油浸式电力变压器。

2.1 电动机能耗分析

当电能输入电动机后，现有电能转化为磁能。在由磁能转化为机械能输出的同时，电动机自身会产生电路损耗、磁路损耗，这些损耗都是有电机本体的材质铜、铝和铁以热能的形式散发出来。如果将这些损耗减少到合理的区间，即可达到节能目的。

三相异步电动机运行效率的计算公式见式（1）。

电动机实现高效率输出的原理就是在电能输入一定的条件下，电动机自身损耗小，从而实现最大的机械能输出。

2.2 变压器能耗分析

2.2.1 配电变压器的空载损耗

变压器空载损耗主要是铁芯损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成，也称铁损。空载损耗与铁芯的磁通密度、材料性能、芯片厚度和加工工艺等有关。目前，随着高牌号电工钢带应用，单位重量空载损耗迅速降低，国产钢带在磁通密度1.7T 下约为0.85kW/ kg，非晶合金铁芯更可达到1.2T 下小于0.2W/ kg 的水平。

2.2.2 配电变压器的负载损耗

配电变压器负载损耗主要为负载电流通过绕组时的损耗，也称为铜损，其值与负载电流的二次方成正比。负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组外的金属部分产生杂散损耗。负载损耗还受变压器温度影响。

2.2.3 变压器电能损耗计算

以淘汰的S9 系列1000kVA 变压器与高效节能的S13 系列1000kVA 变压器作为对比。

S9 系 列 变 压 器 技 术 数 据：P0=1320W，I0%=1.0，Pe=10300W，uk%/ =4.5

S13 系 列 变 压 器 技 术 数 据：P0=830W，I0%=0.4，Pe=10300W，uk%/ =4.5

根据工业与民用配电设计手册，配电变压器年综合电能损耗计算公式见式（3）。

式中：Wp——变压器年综合电能损耗，kW·h；

P0——变压器额定空载有功损耗；

Pk——变压器额定负载有功损耗；

Hpy——变压器年带电小时数，取8760h；

uk%——变压器额定短路阻抗电压百分数；

σ——变压器年最大负载损耗小时数，石油企业取5825h；

β——变压器负荷率，取0.45。

KQ——无功经济当量，kW/ kvar，根据DL/ T 985- 2012《配电变压器能效技术经济评价导则》,10kV 配电变压器的取值范围为0.05≤KQ≤0.1,取0.07，

由以上数据可以得，一台S13 型变压器比S9 型变压器一年可以节电：33560.3- 25588.7=7971.6kW·h，按每度电0.5 元计算，可节省3985.8 元。

3 节能措施

3.1 新型电动机节能措施

（1）降低定子铜耗：采用先进的绝缘结构工艺，提高冲片利用率，井架铜线截面积；采用先进技术控制线圈制造，缩小绕组端部间隙。

（2）降低转子铜、铝耗：铸铝转子电动机采用高纯度铝，并采用先进的铸铝工艺，杜绝出现缩孔、细条现象的发生，以降低转子电阻，从而降低转子铝耗；铜条转子电动机导条与端环焊接进行了特殊工艺控制，保证焊接处的接触电阻最小。

（3）降低铁耗：采用优质高导磁、低损耗冷扎硅钢片，减少电动机的铁耗；采用先进的冷冲加工设备有效减少定、转子冲片毛刺，并按成熟的工艺方法有效控制铁芯装压质量，控制铁耗。

（4）降低机械损耗：基于流体场和温度场的数值分析优化风路结构和风扇设计，来降低风扇机械损耗：采用良好的轴承润滑结构来降低滚动轴承的部分摩擦损耗。

（5）降低杂散损耗：优化电磁设计方案，以削弱合成磁场中的高次谐波，来削弱附加杂散损耗。高效节能电机可作为节能的突破口，其节能效果显著，通常情况下，效率可提高3%～5%左右。

3.2 变压器节能措施

（1）选用可减少配电变压器损耗的材料：非晶合金铁芯材料采用快速急冷凝固生产工艺，其内部原子呈无序排列具有软磁特性，有利于磁化和去磁，磁化功率小，电阻率高，涡流损耗小。另外，铁芯片的厚度仅为硅钢片的1/ 10 左右，从而大幅度降低变压器的空载损耗及空载电流。因而非晶合金铁芯变压器属于重点推荐的节能产品。

（2）采用新型变压器制造工艺：立体卷铁芯变压器的3 个心柱呈等边三角形立体排列，用不间断非晶合金或电工钢带连续绕制而成，铁芯不需切割，且无冲孔，横向、纵向无接缝，铁芯柱横截面呈圆形而没有多余的角部；L1、L3 相间磁路在铁轭部分较平面结构铁芯缩短1/ 2，轭的面积是每相柱面积的1/ 2，铁芯的填充系数大，三相铁芯磁路长度完全对称，磁路最短；且铁芯为闭口结构，磁路连贯无气隙，降低了空载损耗及空载电流。铁芯采用套裁工艺，无废料，可节约有色金属约1/ 3 以上。

4 选型

通过对终端用能设备的能耗分析和节能降耗措施讨论，电动机应选用新工艺、新材料、高效、节能的产品来替代低效高耗能的产品。而对于变压器，目前应用比较成熟的S13、S14 及SH15 节能经济型配电变压器与S9 系列变压器相比，其空载损耗可降低约30%左右，空载电流则降低约40%左右。同时，其过载能力更强，综合节能效果比较明显。S13 系列配电变压器的线损较小，适用于运行负荷波动幅度较大的配电系统，能够满足现代配电系统负荷波动较大的场所。

5 项目实施实践

经对企业全面排查，生产各装置共有206 台电动机属于高耗能淘汰产品，8 台变压器属于高耗能产品。利用年度装置大检修，对这些低效高耗能的电动机、变压器进行更换。

为了克服工期紧、采购周期长的问题，企业采用P（采购）C（施工）的管理模式，大大提高了采购效率和施工进度。依据国内最新技术规范和行业内最先进生产技术标准，择优选用国内质优品牌产品，从源头上保证了产品性能的可靠，达到了对设备更换后实现节能降耗的目标。

为确保工程总体目标的实现，企业联合PC 单位在总体部署上加强计划管理，优化资源配置，树立精品意识。坚持充分准备、精心施工的指导思想，遵循周密组织、合理安排、科学管理的部署原则，提前与各相关部门、车间沟通，制定详细的施工方案和安全措施，保证对接的准确和安全。

工程实施过程中涉及装置多，施工周期较短。由于电动机到货时间晚，遵循提早更换、提早收效的原则，企业工程部门、生产车间和施工单位充分沟通，合理安排施工资源，优先开展重点车间施工的任务，主泵、辅泵交替更换，对主要的生产流程泵加班连点施工，保证当天完成，确保生产装置安全平稳运行。

6 经济效果分析

（1）按照每度电0.5 元计算，共计更换206 台电动机，更换后每年可节省电费271.21 万元；

（2）变压器更换8 台，每年共节电费36.08 万元；

（3）通过对本项目实施过程精心组织、科学管理，节约概算投资近300 万元。

7 下一步的探索

企业能源管理作为一项系统性工程，进一步探索科学的能源管理工具，将进一步提升企业能源综合管理水平。炼化企业不同装置情况、产品类型、能源管理水平对能源消耗都会产生不同的影响。建设一个全厂级集中统一的能源管理系统可以完成能源数据在线采集、计算、分析及处理，从而实现对能源平衡、调度与优化、能源设备运行等的高效管理。

能源管理系统是企业信息化系统的一个重要组成部分，作为大型炼化企业自动化和信息化的重要组成部分，以实时数据库系统为核心可以从数据采集、联网、能源数据海量存储、统计分析、查询等方面提供一个整体解决方案，使调度管理人员在能源管控中实时对系统的动态平衡进行直接控制和调整，达到节能降耗的目的。通过能源管理系统的能源计划、能源统计、能源消费分析、重点能耗设备管理和能源计量设备管理等多种手段，使企业管理者对企业的能源成本比重、发展趋势有准确的掌握，并将企业的能源消费计划任务分解到各个生产部门，使节能工作责任明确，从而促进企业低碳健康稳定发展。图1 为能源监控系统结构图。

图1 能源监控系统结构图

8 结语

通过本次设备更新工程，极大地提高了企业各生产装置用能电气设备的功效，确保了生产装置安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行，为企业节能降耗、低碳发展和安全可靠运行奠定了坚实的基础。2022 年1 月29 日国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》，提出“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。能源绿色低碳发展是关键，重点就是做好增加清洁能源供应能力的“加法”和减少能源产业链碳排放的“减法”，推动形成绿色低碳的能源消费模式。炼化企业应以提质增效为抓手，在节能减排上做足文章，为实现国家能源战略做出更大贡献。