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工厂节能降耗措施

  
评论: 更新日期:2017年05月21日

1  引言
        能源-或称热力之源,是人类赖以生存和活动的物质基础,在现代化工厂企业,最主要的体现形式是动力,而电力应用又首当其冲。
        进入新世纪以来,能源已成为世界问题的焦点之一,它直接关系到经济社会和民生甚至能源供求的国际关系,目前国内企业和居民生活最直接的影响就是煤、电、汽油和生产资料的涨价,如今除居民用电外,工业和农业电价已逐年有所上调。
        在生产的粗放型时代,问题还不很突出,有些企业总是把注意力放在扩大再生产上,只要产量上去了,就会有市场,而目前的现实,呼吁企业的经济决策人以新的思考,节约能源,生产为获取利润,注重经济和社会效益。当前企业管理的流行语是“节能任重于天,细节决定成败”。
        言归议题,目前企业的能源使用和用电状况如何,怎样节电,有什么有效的技术措施?这是企业面临的实际问题,而本文更側重于后者的探讨。
        2  企业的用电状况
        以冶金工厂为例。说到钢铁企业,就想像到高炉耸立,铁水奔流,钢花怒放,轧机轰鸣,拿一个年产百万吨以下钢铁产品的中型企业来说,通常就有矿山、原料场、高炉、炼钢、轧钢、铸造…,及其他配套设施,通常需要约MVA以上的电力负荷,每天就要消耗数十万度的电能。这些厂矿所装备的典型设备和电气系统,如原料厂的烧结机长距输送带的运行;炼铁高炉装料卷扬机的电力拖动,热风炉的大型鼓风机电动机启动;炼钢厂的转炉的顶吹氧、倾炉装置、风机的转动和调速;轧钢机的大型初轧高压同步或绕线异步电机、直流调速连轧机的控制;铸造熔炼电炉的供电,以及相应的通用附属设备如工业锅炉、大型水泵、空压机和遍布的轨梁起重机,等等。
        应看到,随着企业技术进步和发展,工厂的许多电气设备几经换代,技术水平和效率已有很大提高。如电气开关已一再升级,像80年代以前的高压油开关已彻底淘汰,代之以新型真空开关、空气开关;电力变压器已由各种老型号改型到铜芯S7型并向S9型过渡;普通交流异步电动机已由过去的J系列升级为Y系列;直流电机调速系统经由水银整流器、交直流发电机-电动机组,更新为晶闸管直流调速机组;当今交流变频调速技术,解决了交流电机的无级变速问题,且效率更高,不一而言。可以说,当前我国在行业整顿,优化组合,企业竞存,优胜劣汰中,保存及新兴成长的国有大中型、民营企业,技术装备和自动化程度已有相当水准,初具现代化规模,供电系统电力效能都有较大提高。当然,也应看到,许多传统老工业企业及一些乡镇规模较小、技术较弱的工厂,有许多老旧设备还在运行,电力设备节电性能较差,节能降耗技术改造任务还很繁重。
        那么,在目前情况下,企业的节能降耗包括节电,还有无潜力可挖,存在什么问题特别是技术方面的原因,如何解决?这是我们技术讨论的着眼点。
        3  影响设备电耗的技术因素
        电气设备是为生产工艺服务的,工艺是否先进合理,自身节省能耗,自不待言,这里主要分析电气设备本身的能耗原理。电力作为电能由其它能源转换产生,作用于电气设备以电压电流的表现形式作功,其单位消耗的电功率为Pn=W/T(kWh),并以转化为机械能、光能、化学能的形态,产生机械动力、光照、电解或充电等。然而电器设备在对负载进行有效作功(Pf)的同时,也有一部分无效作功损耗,二者之和才是总的有功功率(Pn),这就是电器设备的效率,η=Pf/Pn,这是其 一。另外,由于大多数电气设备为感性负载,如电动机线圈除电阻外还含有电感,从电工学的原理,将产生电压电流的不同相,从相关电压、电流或功率矢量三角形看起来,实际有功率Pn要小于装置总的功率,叫作视在功率Ps,还有一部分为无功功率PL(电感上的功率),因此,有一个称为功率因数Pf的重要电气参数,专门表征这一电能的数量关系,Pf=Pn/Ps。容性负载情况类似,但常常用来补偿感性无功功率。此外,广义上的功率因数PF还包括波形崎变造成的附加电能,后面还要谈到。
        可以看出,要想减少无谓的电能损耗,应从几方面入手,一是提高电器设备(包括负载装置)的效率,二是提高电气系统的功率因数,进而消除无功电流,同时要合理供电,减少线路损耗。以下,拟结合目前企业主要电气装备情况,分类讨论。
        4  电气设备能耗、节电措施及发展方向
        参照国家发改委节能中长期计划,和国内电力需求侧管理试点所关注的方面,结合生产应用,仅就电力节能部分项目,初步综合汇集了一些有价值的技术建议,以期共同探讨,广为关注。
        (1) 电力变压器:
        电力配电变压器是换能效能较高的设备,尽管如此,由于存在空载损耗、负载损耗和热损耗,在厂矿用量很大,且不少老旧产品,使用不尽合理,因而节电挖潜空间很大。
        据专家分析建议,如能以S9及以上系列产品更替旧产品,节电回收年限为2~3年,特别是SC11型卷铁芯变压器,D10型单相配电变压器,非晶合金配电变压器等,空载损耗下降非常可观,有可能成为今后发展方向。
        此外,合理的配电经济运行方式,更是发挥管理的能动作用,优化运营,避免浪费的有效措施。
        (2) 电力线路:
        供电线路线损是电力损耗的重要原因,低压线路尤甚。治理工作要重视日常供电管理,包括减少无效运行、常明灯、提高功率因数等,知微而见著,同时要着重改善电网结构。
        在改进电网结构,抅建安全经济优质电网方面,应走出一个长期的习惯误区,即以最大负载选取变压器,按安全电流密度选取导线截面和条数,而忽略了经济运行,按照最新电网结构优化理论研究结果,与常规电网结构相比,选取变压器容量要加大,台数要增多,线路截面要加大,条数增多,并治理电网低功率因数和谐波,这样,电网的容载比显著增大,条数增多,负载调整功能增强,促使电网运行中供电设备过载减少,从而减少线路电压损耗,提高供电质量和安全可靠性。
        目前,我国部分农村供电正试行单、三相变压器混合线路供电,这种供电结构国外已广泛采用,其原则是,单相变压器直接到户,最大限度减少低压线路压降,因而西方国家配电线损一般在4%以下。不过,西方国家配电系统采用中性点直接接地或小电阻接地方式,单相变压器仅用1只套管,比较经济。我国苏州地区采用单相卷铁芯变压器双套管方式,结果基本相同,对于已采取三相四线制供电的部位,则采取以三相卷铁芯变压器改造的方式,这应是一种创新,值得参考推广。借鉴这个经验,建议厂矿也可因地制宜,灵活性地采用类似方法,在新建或改造供电系统时应用,如在使用整流或隔离变压器时,可尽量采用高压变压器,对孤远大电流低压线路,可采取高压供电、就地降压的方式,许多料场供电、远程照明也可仿此办理。
        (3) 电动机及其控制
        电动机作为方便高效的动力机械,是电力能源最重要的应用,通常人们把直流电机、交流异步电机和交流同步电机作为传统电机的三大机种,如在冶金大型轧钢机电力拖动、交通电力机车中直流机组等,此外还有大小各种类型各种用途的电动机
        ,但以往在各行业应用中,三相交流异步电动机和直流电机最为普遍。
        电动机及其控制技术发展很快,如直流电机调速系统,目前已采用模块化整流器件及数字式调速产品;随着微电脑和电力电子技术的发展,变频调速真正解决了交流电机的调速问题并得到了广泛应用,永磁伺服电机、开关磁阻电机等新型机电一体化控制技术和设备涌现并迅速成熟,这些技术,很多都与节电有关,使电机的能效特性有了很大的提高。
        那么,今后电动机及控制技术还有什么发展,是否还有节电空间?结论是肯定的,社会发展和技术进步总是向前进的,为了提高电动机的控制特性和节能水平,技术界一直在孜孜不倦不遗余力地研究改进产品。就拿变频器来说,虽然低压“交-直-交”通用变频器已广泛使用,尤其在水泵风机类负载得到普及,取得显著节电效果,而大容量高压变频器的试制推广方始热行,国产高压变频产品已趋成熟,占有了市场一席之地。为了改进普通型变频器的含5次以上谐波的非标准正弦缺陷,一方面,推出以三电平多电平为代表的各种完美正弦波方案,改进一般带滤波桥式整流器波形崎变的电路,一方面对需要场合采用“交-交”矢量变频控制,这种矩阵式电力变换器(MC),是一种绿色环保型变频器新概念,波形好,效率功率因数高,可四象限运行,是一种极有发展前途的新技术。不少专题论著中还建议我国供电电压标准应在交流380V与6000V之间,增加若干电压标准,以适应现有电力电子器件参数,便于推广变频器、软起动开关等新型节电产品的应用。
        就是电动机自身的改进和换代,也有发展余地,如我国2002年颁布了电机国标(GB18613-2002)《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》,按照新的效率标准,结合落实淘汰热轧硅钢片、推广冷轧硅钢片的产业政策,上海市经委立项开展了新型三相电机的研究,新的样机已于浙江完成,效率完全达到国标新要求和国外同类产品指标,关键技术包括冷轧硅钢片的使用、可消除主要谐波“△-Y”正弦绕组等;其他如石化企业推广的Y×2高效电机,变频器专用电机等,也在其内。测算说明,采用新型节能电机所投入的资金,完全可由节电所得早期补偿。
        永磁伺服电动机(也分为交直流),以往主要用于高精度数控专用机床,由于以永久磁性材料作为磁极,节省了励磁能源,故超出一般的电效率。家电行业已率先大面积应用,如直流变频空调、永磁同步电机、无刷直流电机等。我国是矽土资源丰富的国家,发展永磁电机有着有利条件,据介绍,国内已开发出较大功率的伺服电机,用于工控拖动,综合电控系统,造价已逼近变频设备,预计长远将有越来越多的替代应用。在新技术推广产品换代过程中,往往孕含着巨大的市场和商机。
        (4) 电气设备的功率因数和谐波治理
        设备的低功率因数和谐波,会造成设备自身和电网相当大的附加无功电流,增加电网输变电以至发电设备的负担,影响设备运行及寿命。目前,世界各国都在严格限制低功率因数电气产品,制定输入谐波的标准。
        根据电工学定义:
        式中,Vs、Isi分别为电路电压电流;
             Is为按付立叶级数展开的基波均方根值;
             Φ为Vs与Isi夹角。
        由式可知,有两种情况可导致功率因数下降,一是Vs与Vsi有相位差,使COSΦ<1,二是Isi含有谐波,使Isi与Is比值<1。对不同情况的功率因数校正(PFC),应针对具体对象和特点,采取不同的方法和策略,通常又分为无源或有源校正。像第一种情况,即主要因感性负载产生的无功,基本方法是采取无源校正的一种,并联电容补偿,或同步机调节。在电容无功补偿使用中,根据经验,应注意不宜采用功率因数控制型控制器,而应优先采用无功功率型、无功电流型控制器,以避免“切投震荡”。 要同时兼顾谐波治理,则可采取无源校正的另一方式,接入LC滤波器,如针对变频器产生的奇次谐波,专门设计了各型专用滤波器,或采用有源滤波器动态补偿。无源滤波的优点是简单、成本低、故障少,但体积重量较大,只适于静态和较单一谐波的补偿,且不易快速动态补偿,而有源功率因数校正(APFC),可在网络和负载变化时,全面快速动态进行补偿,节电及保证电网质量,预计今后将会有越来越多的应用。通常集中补偿或就地补偿,要测试电网参数,设计专用滤波装置,这方面,北京冶金自动化院进行了许多研究工作,有专利产品优势。而专项治理,则针对产生谐波的电力电子装置,主动地彻底消除干扰源,科研工作正采取各种方法、电路,以解决这一课题,通常有在整流器和逆变器之间接入AC-DC开关电路,一般有三种基本方法,即电流峰值控制、电流滞环控制及平均电流控制,根据谐波源的性质,又分为适合电压型的串联型滤波器,和适合电流型的并联型滤波器,以及其它高功率因数整流器的研究。在此值得提起,“交-直-交”通用变频器广泛用于工控调速,由于前级整流和滤波的隔离作用,电机的感性无功电流不会传递到电网中去,因而间接起到无功补偿作用,已作为改善功率因数的方法之一,但自身整流器和逆变器产生的谐波却不容忽视,应尽量滤除以减低其不利影响。
        作为谐波污染的一类,一个不可忽略的问题是,各种瞬流尖峰脉冲、散杂浪涌波形对供变电系统的不良影响,目前不少产品、器件致力于这方面的治理,大部分产品是基于吸能型压敏、瞬态干扰抑制原理,这方面作为专用节电器,美国英福特公司的“节电王”产品是个新技术代表,该产品不等同于一般过压吸收元件,它提出了一个“允通电压”的概念,即设定实际浪涌不允通过的最大宽度,它的半导体瞬流控制作用,响应时间约85PS,通过在单位时间大量滤除电压瞬峰,可有效清洁电网噪波,更好节省电能。然而我们认为,一个好的产品还要合理使用,一个企业的节电技措,应全面衡量电网情况,测试分析,纠其根源,根椐情况有主次分层次制定措施,首先从工艺技术、设备选用(包括电气)精选改进做起,电网整理、基础层无功谐波消除或补偿,多种方法相辅,最后才是综合补偿,以达到系统优化、电网改善、降低电耗的目的,不能简单把希望只依托于一二种好产品或单一措施上,而未能最合理恰当的用至最佳。
        (5) 照明
        电力照明耗电较大,也是节电重点。长期以来企业一直在节能政策指导下,加强管理,提高技术、采用节电产品,并运行于市场规律和环境之中。如目前配电盘柜的信号指示灯都已换成节能类型,各种照明节电新产品出现较多,高管压光效高的节能荧光管、稀土三基色节能荧光灯;电子式镇流器曾在节电方面起过一些好作用,但最近有一些技术回归,主要是新型感容式荧光灯镇流器的研制成功,据说节电效果较好,寿命延长,可予关心;日本等国在半导体节电照明、太阳能发电蓄电等方面的研究进展,值得关注。
        (6) 绿色电力
        “绿电”是指由风能、太阳能、地热能、生物质能等可再生能源生产的电力,由于发电 成本较高,目前“绿电”电价高出将近一倍。最近,上海市制定了《上海市绿色电力认购营销试行办法》,许多企业深明大义,年内已有宝钢等15家企业认购,并可使用绿色电力标识,以提升企业形象。
        在电力管理、能源管理方面,政府和电业部门制定和出台了一系列相关管理法规政策和鼓励措施,改进管理及借鉴国外好的管理模式,电力行业和市场也出现了一些新生事物,如电力需求侧管理(DSM)、合同能源管理(EMC)等。
        5  结束语
        以上重点讨论了节约电力的技术分析和措施,然而方案的贯彻和实施,离不开企业的决策和技术管理,根本问题是提高企业和职工对节能工作的认识和自觉性。
        我国是最大的发展中国家,尽管目前已取得了巨大发展,然而与发达国家相比,技术和专业管理仍相对落后。就以能源利用来说,我国的单位GDP能耗和其它统计 能耗,比之还相差较大,节能节电潜力很大。节能与节电,不只是单纯技术和经济问题,它对于转变国民经济发展方式,实现可持续发展战略,起着重大作用。按照国家发改委中长期专项规划,专门对节能节电工作作出安排,“十五”规划中重点发展的节能技术,其中就把节电作为重点,并把电机调速、绿色照明列为两项节能示范工程。
        为了企业的生存和发展,我们必需把节能工作放在优先地位,从我国经济社会发展的长远大计出发,开拓前进,学习 和借鉴国内外先进经验,建设节能性社会,化解能源对经济发展的制约,这是一项重大而紧廹的任务。我钔要肩负起企业和员工的责任,立足本职工作,搞好生产,节约每一部分能源,为建设祖国美好的未来贡献一份力量。
       

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