工业用户电力节能措施研究
2023-03-05王珏
王 珏
（国网黄石供电公司， 湖北 黄石 435000）
0 引言
相关数据表明，工业领域作为电力消耗的重要部门，工业用电占总用电量的70%左右。电力节能可以减少对传统能源资源的依赖，推动能源结构转型并降低工业用户的运营成本，提高竞争力和可持续发展能力[1]。因此，工业节电势在必行。
1 减少变压器有功功率损耗
1.1 有功功率损耗的成因分析
有功功率损耗是变压器在电能传输过程中由于电阻、磁导和铁耗等因素而产生的能量损失。主要成因包括铜损耗、铁损耗、额定负载下的损耗以及转换效率损耗。铜损耗是由变压器主副线圈中的电阻引起，当电流通过时，电阻产生热量，从而导致能量损耗。铁损耗则由变压器铁芯和绕组中的磁滞和涡流损耗组成。磁滞损耗是因铁芯在磁化和去磁化过程中产生的能量损失，涡流损耗是因磁场变化生产感应电流而导致的能量损失。此外，变压器在额定负载下会有一定的有功功率损耗。同时，变压器在电能转换过程中也会存在一定的转换效率损耗，无论是从高电压向低电压转换，或是从低电压向高电压转换，都不可避免地存在能量转换损耗。
1.2 减少变压器有功功率损耗的措施
采用低阻抗材料和合理的线圈设计，可以降低电阻损耗。减少绕组长度，可以降低铁损耗。使用具有较低磁滞和涡流损耗的高效铁芯材料，如高硅钢片材料，也可以减少铁损耗。采用具有低空载损耗的变压器设计，通过优化铁芯形状、减少绕组电阻等方式，避免变压器过载运行，可以将变压器的负载控制在额定范围内。通过合理调整变压器的电压和负载匹配，可以减少变压器的有功功率损耗。多台变压器组串运行，可以提高系统的效率和可靠性，并减少能量损耗。在变压器的输入和输出侧使用电力电子器件，如有源滤波器、变频器等，可以提高系统的功率因数和效率[2]。定期进行变压器的维护和检测，包括绝缘测试、接线检查和冷却系统检查等，可以确保变压器在正常运行的同时，减少损耗。
通过采取上述技术措施，可以有效降低变压器的有功功率损耗，提高其运行效率和能源利用率，实现电力节能目标。
2 降低供配电线路能量损耗
2.1 供配电线路能量损耗的影响因素
供配电线路由导线组成，导线的电阻会导致电流通过时产生热量，造成能量损耗。导线材料的电阻特性以及导线的截面积直接影响能量损耗的大小。供配电线路的负载率越高，电流越大，导致能量损耗增加。
2.2 能量损耗的计算和评估方法
2.2.1 电阻损耗计算
对于直流线路，电阻损耗可以通过以下公式计算：
式中：I 为线路电流；R 为线路电阻。
对于交流线路，电阻损耗可以通过以下公式计算：
式中：I 为线路有效电流；R 为线路电阻；θ 为线路的功率因数角度。
2.2.2 有功功率损耗计算
交流线路有功功率损耗的计算公式为：
式中：P 为线路有功功率；θ 为线路的功率因数角度。
总能量损耗为电阻损耗和有功功率损耗的总和。
2.2.3 能量损耗评估方法
使用电能表或功率分析仪等仪器可以直接测量线路的能量损耗。通过使用电力系统仿真软件，基于线路参数和负载条件，模拟计算能量损耗，并根据线路参数、负载情况和功率因数等，进行能量损耗评估。通过分析线路的效率，并采取相应的措施，来降低能量损耗。
2.3 降低供配电线路能量损耗的措施
选择低电阻率的导线材料，如铜或铝合金，可以减少电阻损耗。同时，适当增大导线的截面积可以降低电阻损耗。合理控制负载率，避免过载运行，可以减少供配电线路的能量损耗。通过平衡负载、进行负载调整和合理分布负载，提高系统的效率。采用电压调节、电压稳定器和电压优化装置等技术手段，可以实现电压的优化控制。合理规划供配电线路的布局，缩短线路长度，可减少电阻损耗。通过安装无功补偿装置，如无功补偿电容器和STATCOM（静态同步补偿器），减少线路的无功功率传输，从而降低能量损耗。采用先进的电力传输和配送技术，如高温导线、超导线技术、高效变压器和电力电子装置等，可以提高系统效率和降低能量损耗[3]。
以上措施可以结合实际情况综合应用。根据供配电线路的特点和需求，选择相应的措施，能有效降低能量损耗，提高能源利用效率。同时，合理的设计、运维和监控也是确保线路能量损耗降低的重要环节。
3 高效节能照明灯具的选用
3.1 高效节能照明灯具的特点和分类
高效节能照明灯具是为了减少能耗和提高能源利用效率而设计的灯具，具有高光效、高节能性、长寿命和调光性等特点。高效节能照明灯具根据其技术特性可以分为LED 照明灯具、荧光灯具和气体放电灯具等。
3.2 高效节能照明灯具选型和应用实践
根据工业用户的照明需求和要求，选择适当的高效节能照明灯具。综合考虑灯具的光效、色温和色彩还原指数（CRI）等技术参数，确保满足照明要求，并具有节能效果。照明系统设计包括灯具布局、安装位置和照明控制等，要最大限度地提高照明效果和节能效果。应定期检查和维护照明系统，确保灯具正常工作并调整光照强度。同时，随着新技术的发展，及时进行系统优化和更新，以保持高效节能的状态。采用能耗监测系统或照明管理软件，实时监测照明能耗，并进行数据分析和评估。根据评估结果，调整和改进照明策略，进一步提高节能效果。
3.3 照明改造效果评估和经济效益分析
3.3.1 原始状况
以某工业厂房照明改造为例进行分析。
原有照明系统：使用100 W 荧光灯管，总计100个灯具，每天工作时间为10 h，每年工作日为250 d。
年能耗=100 W/ 个×100 个×10 h/d×250 d=25 000 kW·h。
3.3.2 改造方案
照明设备：替换为高效节能LED 灯具，功率为40 W，灯具数量保持不变。
照明控制：安装光感控制系统，根据光照情况自动调节照明强度。
3.3.3 改造后情况
厂房照明改造后，每年电能消耗大幅下降。
年能耗=40 W/ 个×100 个×10 h/d×250 d=10 000 kW·h。
3.3.4 改造效果评估
对厂房照明改造效果进行评估，能耗减少了60%。
3.3.5 经济效益分析
对厂房照明改造进行经济效益分析对比，电费单价按0.6 元/（kW·h）计算，改造前后能耗对比如表1所示。
表1 某工业厂房照明改造前后能耗对比
通过照明改造，能耗减少了60%，能耗费用从15 000 元降低到6 000 元，每年可节省9 000 元。
4 电动机在运行过程中的节能措施
4.1 电动机的能效特点和评价指标
电动机是工业用户中最常用的电力设备之一，其能效特点和评价指标对于实施节能措施至关重要。
1）能效特点：电动机在运行过程中会产生能效损耗，包括电阻损耗、磁滞损耗和风阻损耗等，该损耗会导致电能转化为热能或其他形式的能量损失。电动机在不同负载下的能效表现会有所差异，电动机在低负载下的能效较低，而在额定负载下能效较高。
2）评价指标：常见的能效等级包括IE1（低效率）、IE2（高效率）、IE3（超高效率）和IE4（超高效率超级优化）等。能效等级越高，表示电动机的能效越好。电动机的效率是指电能转化为机械能的比例，一般以百分比表示。效率越高，表示电动机的能耗越低。功率因数是指电动机消耗的有功功率与输入的视在功率之间的比例。功率因数的提高可以减少无功功率的损耗，提高系统的能效。
通过评价电动机的能效特点和使用评价指标，工业用户选择高能效的电动机，并采取相应的节能措施，可以提高系统的能效，降低能耗，实现节能目标。
4.2 提高电动机能效的措施
为了提高电动机的能效，减少能耗和能效损失，可以采取以下措施：
1）选择高能效电动机：选用能效等级较高的电动机，如IE3 和IE4 级别的电动机。这些电动机在额定负载下具有较高的能效，能够降低能耗。
2）变频器高效控制：采用变频器控制电动机的转速，使电动机能够根据实际负载需求灵活调整转速，减少无效运转和能效损失。
3）负载的匹配和平衡：确保电动机的负载与其额定能力相匹配，避免过载或轻载运行，合理平衡负载分布，避免少数电动机长时间过载工作而其他电动机处于轻载状态[4]。
4）定期维护和检修：定期进行电动机的维护和检修，包括清洁、润滑、紧固和绝缘检测等，确保电动机正常运行，减少能效损失。
5）减少传动损耗：优化传动系统，采用高效的传动装置和耐磨材料，减少传动损耗和机械能损失。
6）合理设计和布线：在电动机安装和布线过程中，合理设计电路，减少线路阻抗和电缆损耗，提高电能传输效率。
7）应用节能控制策略：采用先进的节能控制策略，如电动机软启动、负载分段控制和智能调速等，有效降低电动机的能耗。
4.3 电动机节能措施的应用案例和效果评估
案例：一家工业企业使用1 台额定功率为100 HP 的电动机驱动1 台常规负载设备。在实施电动机节能措施之前，电动机每天的运行时间为12 h，年运行时间为300 d。
4.3.1 实施的节能措施
1）更换电动机：将原有的IE1 级别电动机更换为能效更高的IE3 级别电动机。
2）安装变频器：为电动机安装变频器，根据实际负载需求调整电动机转速。
4.3.2 效果评估
对节能成本和投资回收期进行评估，评估结果如表2 所示。
表2 节能成本和投资回收期评估
通过更换电动机和安装变频器，年能耗可以减少4 141.18 kW·h，节能成本每年节省2 484.71 元。在投资回收期方面，变频器的投资回收期约为4 a。这个案例突出了电动机节能措施的效果，同时，也显示了经济效益和投资回报的潜力。
5 结论和展望
实施工业用户电力节能措施可以显著降低能耗，提高能效，降低电费支出，并在一定程度上减少对环境的影响。在选择节能措施时，应综合考虑技术可行性、经济性以及投资回收期等因素，并根据具体情况制定适合的节能方案。此研究对工业节能具有参考价值，为电力系统实现可持续发展提供了重要的技术支持和决策依据。
