滕 震 肖 馳

（南京凱盛國(guó)際工程有限公司，江蘇 南京 210036）

水泥生產(chǎn)的高能耗主要是消耗了大量以電能為主的能源。在全面推動(dòng)節(jié)能減排的環(huán)境下，水泥設(shè)計(jì)院所和生產(chǎn)企業(yè)必須對(duì)生產(chǎn)的高耗能問題進(jìn)行分析研究，尤其從降低生產(chǎn)過程的電能消耗著手。為此，本文提出了相關(guān)的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)方案以供參考。

1 水泥工廠電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的設(shè)想

水泥工廠主工藝節(jié)能設(shè)計(jì)方案宜選用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和節(jié)能裝備。燒成系統(tǒng)計(jì)宜采用工業(yè)廢物、生活垃圾或污泥替代部分原料或燃料，并做好保溫。新建、擴(kuò)建水泥工廠配套增加余熱發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。

電氣節(jié)能設(shè)計(jì)主要是在工藝方案確定的情況下對(duì)電網(wǎng)供配電系統(tǒng)進(jìn)行合理的節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì)。主要包括合理設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)，提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少線路損耗；選用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)；選用節(jié)能型的變壓器；設(shè)計(jì)更加節(jié)能的照明系統(tǒng)；對(duì)工廠的電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，智能監(jiān)控大功率設(shè)備的用電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常耗電的設(shè)備，分析主要耗電對(duì)象的特性以期節(jié)能方案；采用先進(jìn)的人工智能控制技術(shù)，科學(xué)的智能優(yōu)化控制，從而有效節(jié)能。

2 水泥工廠電氣節(jié)能的具體設(shè)計(jì)

2.1 合理設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)

水泥工廠供配電系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行合理的負(fù)荷計(jì)算，按電源條件、負(fù)荷特點(diǎn)合理確定變電所（站、室）的位置、電壓等級(jí)，以及系統(tǒng)的結(jié)線方式，按需要配置無功功率補(bǔ)償及諧波抑制裝置，合理選擇節(jié)能型電氣設(shè)備。

電源電壓等級(jí)需根據(jù)總裝機(jī)功率、上級(jí)電源點(diǎn)至廠區(qū)的距離和上級(jí)電源點(diǎn)的最高供電電壓確定。根據(jù)負(fù)荷大小和電源的輸送距離配置廠區(qū)各配變電站的電源電壓等級(jí)。同時(shí)需要考慮變配電站的位置應(yīng)接近負(fù)荷中心，減小變壓級(jí)數(shù)。一般水泥工廠的主要電壓等級(jí)有110kV，35kV，10kV，0.69kV，0.4kV。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》負(fù)荷計(jì)算和節(jié)能章節(jié)內(nèi)容介紹：

1）電網(wǎng)升壓后的功率損耗降低百分率如下表：

2）電力系統(tǒng)三相線路的有功功率損耗和無功功率損耗為：

?

其中R=rl，X=xl

上式中△PL——三相線路中有功功率損耗，kW；

△QL——三相線路中無功功率損耗，kvar；

R——每相線路電阻，Ω；

X——每相線路電抗，Ω；

l——線路計(jì)算長(zhǎng)度，km；

IC——計(jì)算相電流，A；

R、x——線路單位長(zhǎng)度的交流電阻和電抗，Ω/km；

由此可得，當(dāng)線路中通過的電流和電纜截面積一定時(shí)，線路越長(zhǎng)電阻越大，線路損耗越大；當(dāng)線路中通過的電流和線路長(zhǎng)度一定時(shí)，電纜截面積越大，線路損耗越小；當(dāng)負(fù)載一定，電網(wǎng)電壓等級(jí)越大，電流越小，線路損耗越小。

綜上，通過選擇合適的電壓等級(jí)、減少配電半徑、選擇適當(dāng)?shù)碾娎|的截面積可有效降低線路中的電能損耗，實(shí)現(xiàn)供電線路的節(jié)能。另外，因電纜敷設(shè)環(huán)境和敷設(shè)方式不同，還應(yīng)考慮電纜的溫升對(duì)于電力系統(tǒng)損耗的影響，對(duì)電纜的載流量進(jìn)行相應(yīng)的溫度校正。

電氣設(shè)計(jì)需根據(jù)廠區(qū)的布置情況，確定各工藝段的裝機(jī)和負(fù)荷情況合理選擇總降壓站的電壓等級(jí)，合理設(shè)置配電站數(shù)量和電氣室變壓器數(shù)量及容量，選用合理的配電方案，使配電系統(tǒng)可以更加靈活的應(yīng)對(duì)因生產(chǎn)任務(wù)變化而導(dǎo)致的負(fù)荷變化，有效避免輕載運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的電能損耗。

2.2 提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)

水泥工廠的負(fù)載類型復(fù)雜，功率因數(shù)普遍偏低。低功率因數(shù)的電力系統(tǒng)不僅系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定還會(huì)產(chǎn)生更多的無功電能消耗。

配電系統(tǒng)消耗的無功功率中，一般異步電動(dòng)機(jī)約占70%，變壓器約占20%，線路約占10%，因此首先需從提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)著手，不足部分再裝設(shè)人工補(bǔ)償。提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)可以通過合理選擇功率因數(shù)較高的電動(dòng)機(jī)、選用高功率因數(shù)的節(jié)能型變壓器來實(shí)現(xiàn)。

目前水泥行業(yè)的人工補(bǔ)償普遍采用總降壓站補(bǔ)償、配電站、低壓變壓器和設(shè)備補(bǔ)償相結(jié)合，以就地平衡為主，共同做好無功補(bǔ)償?shù)呐渲谩９こ淘O(shè)計(jì)選用并聯(lián)多組投切的電容器組，根據(jù)負(fù)載的電壓、電流和所需無功功率情況，自由組合容量，自動(dòng)計(jì)算，自動(dòng)循環(huán)投切電容器組，使無功補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)不低于設(shè)計(jì)值。

通過提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，可以減少線路損耗及變壓器的銅耗，減少電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

2.3 優(yōu)化提高電動(dòng)機(jī)節(jié)能

電動(dòng)機(jī)是為水泥生產(chǎn)提供動(dòng)力的重要耗電設(shè)備，水泥工廠的大功率設(shè)備的電機(jī)普遍功率因數(shù)和機(jī)械傳動(dòng)效率較低，是水泥工廠節(jié)能設(shè)計(jì)的主要切入對(duì)象。

工程設(shè)計(jì)需先從電動(dòng)機(jī)的選型入手，盡量選擇傳動(dòng)效率和功率因數(shù)優(yōu)質(zhì)的電機(jī)產(chǎn)品，同時(shí)電機(jī)額定功率需和拖動(dòng)設(shè)備匹配，避免“大馬拉小車”，平均負(fù)荷率低于40%的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)予以更換。功率較大、經(jīng)常恒速運(yùn)行的設(shè)備，應(yīng)盡量采用同步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于有調(diào)速需求的設(shè)備或者大功率的風(fēng)機(jī)類負(fù)載，盡量采用變頻調(diào)速的方式，避免全速運(yùn)行所造成的電能損失。繞線電機(jī)負(fù)載設(shè)備如水泥磨主電機(jī)、輥壓機(jī)、破碎機(jī)等，宜采用水電阻起動(dòng)、進(jìn)相機(jī)就地補(bǔ)償?shù)姆绞?，提高電?dòng)機(jī)自身的功率因數(shù)、降低電動(dòng)機(jī)定子電流，以達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

近些年永磁調(diào)速、永磁耦合器等產(chǎn)品不斷地推廣應(yīng)用于水泥行業(yè)，提高了電機(jī)效率，增加了傳動(dòng)效率，為行業(yè)的綠色節(jié)能提供了新方案。

2.4 選用節(jié)能型的變壓器

變壓器的損耗包含：有功功率損耗和無功功率的損耗。有功功率的損耗有鐵損和銅損，鐵損成為空載損耗，銅損與變壓器的負(fù)載電流成正比。無功損耗一部分為勵(lì)磁電流損耗，與變壓器鐵芯有關(guān)；另一部分為一、二次繞組的漏磁電抗損耗，與負(fù)載電流的平方成正比。

因此設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)和地方綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求選擇高效節(jié)能型的變壓器，減少變壓器的有功及無功損耗。另外，要合理選擇變壓器的容量，使變壓器的負(fù)載率控制在75% -85%之間，當(dāng)負(fù)載率低于45%，應(yīng)按照實(shí)際情況考慮將變壓器容量降一檔；當(dāng)負(fù)載率超過85%時(shí)，應(yīng)考慮將變壓器容量升一檔，這樣既保證變壓器有較小的空載負(fù)荷又有一定的容量富余。

2.5 照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)要在保證照明質(zhì)量和照度的前提下，盡可能地合理布置照明燈具；同時(shí)選擇照明光源時(shí)，在符合光照度和顯色等標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)的同時(shí)，盡量選擇高效節(jié)能LED燈。在室內(nèi)區(qū)域允許的情況下，盡可能的利用自熱光，建筑專業(yè)可以通過設(shè)計(jì)提高室內(nèi)表面的反射比、增加采光窗等方式引自然光入車間內(nèi)部。

在光照充足的區(qū)域，可以通過太陽能發(fā)電的方式為非保證生產(chǎn)的場(chǎng)合提供備用能源使用。近年來光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，可在景觀區(qū)、生活區(qū)、辦公區(qū)等場(chǎng)所引入太陽能蓄電池組或者其它太陽能設(shè)施，從而節(jié)省電網(wǎng)電能的投入。

工程設(shè)計(jì)可引入廠區(qū)智能照明系統(tǒng)和廠區(qū)景觀亮化系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)，智能亮度調(diào)節(jié)，智能分區(qū)分時(shí)分組控制，在方便廠區(qū)生產(chǎn)生活照明管理的前提下，優(yōu)化照明方案，減少照明系統(tǒng)耗電。

2.6 人工智能控制節(jié)能

近年來，水泥行業(yè)在不斷的引入和完善先進(jìn)智能制造技術(shù)，通過專家系統(tǒng)的采用使水泥工廠在提高了自動(dòng)化水平的同時(shí)，也使得水泥工廠的定員人數(shù)降到了百人以下，從傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)參數(shù)控制到科學(xué)的智能優(yōu)化控制，增加關(guān)鍵工藝智能測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷及各種關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在水泥產(chǎn)能及品質(zhì)穩(wěn)定的同時(shí)，使調(diào)速設(shè)備長(zhǎng)期處于最優(yōu)運(yùn)行頻率，同時(shí)優(yōu)化燃料的投入，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常耗電設(shè)備。

2.7 引入能效管理系統(tǒng)

能效管理系統(tǒng)可為工廠節(jié)能提供相關(guān)數(shù)據(jù)的支持，能夠存儲(chǔ)海量的歷史數(shù)據(jù)，讓客戶動(dòng)態(tài)掌握全廠的用電情況，根據(jù)自身企業(yè)狀況，設(shè)定能源管理目標(biāo)，將實(shí)際能耗與目標(biāo)管理進(jìn)行分析，查找和發(fā)現(xiàn)問題，助力改進(jìn)提高管理水平，以達(dá)到降低能耗的目的。另外通過分析用電峰值，可探索優(yōu)化錯(cuò)峰生產(chǎn)的方案等。

近年來，一些水泥企業(yè)自行改造新增定制電力需求管理系統(tǒng)，通過第三方企業(yè)提供的電力云平臺(tái)管理方案，資金投入低，運(yùn)維簡(jiǎn)單，可通過移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和用電異常情況，為企業(yè)尋求科學(xué)管理和節(jié)能提供了一種解決方案。

3 結(jié)語

通過對(duì)水泥工廠電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，可以節(jié)約工廠電能損耗，進(jìn)一步提升水泥生產(chǎn)效率，在節(jié)省電能的同時(shí)也減少了水泥工廠運(yùn)營(yíng)資金投入。提高工廠生產(chǎn)過程中的電能利用率，采用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備和合理設(shè)計(jì)方案，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況綜合控制節(jié)能產(chǎn)品的投入，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)避免不必要的資金投入，以產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。