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以节能减排眼光看电气工程设计中的一些问题

  在日新月异的现代工业发展中,有很多既定的规章制度、规范和约定有时会不适应变化了的现实,特别在全球强调环境保护,绿色工程,节能减排的今天,我们的思维方法也要有一定的转变,视线也要相应的适应。本文作者在从事电气工程设计工作中,有一些体会和想法,供有兴趣者共同讨论。
  
  一、导线(电缆)、母线的载流量选择
  
  这个问题既是技术问题,也是经济政治问题,是与国计民生和工业水平有关的政策性规定。建国初期,用电水平低下,设备材料缺乏,在此情况下,农村曾推广过两线一地供电,降大地作为供电的电线,即把安全问题放在第二位,供电放在第一位,也曾使用过钢导线、铁导线。随着国计民生的提高,两线一地弃用了,铁线也弃用了,使用铝导线,基本上是TN-C系统四线制(或是其他接地系统)。改革开放以来,国际资本的投入,技术和安全的要求提高了,铝线改铜线,四线改五线,TN-C改TN-S接地系统。虽然有色金属使用量增加了,但运行的可靠性和安全性大大提高了,这是材料和数量的改变。但在另一方面,我们也可看到在载流量的规定上,推荐值上也有显著的变化,载流量的决定不单是设备的安全,更重要的是发热,载流量增大不是导线断了,而是发热增加了,对绝缘老化增快了,导线容易漏电、放电……甚至引发火灾。我国火灾的火源大部分来自导线短路产生火花而引发火灾,这当然与安装方式,缺乏维修保养等有关,但载流量过大,发热增加不能不是一个重要的因素,因此载流量大小也标志反应着工业化水平的进步程度,如表一:
  
  表一中国不同时期、美国NEC(美国电气国家规范)推荐的载流量(三芯铜导体电缆)
  
  

  近年来环境保护的要求越来越高,“节能减排”不但是个口号,在全世界就是一个要求,一个标准。在这个要求下,在设备上多投资而在节能减排中发挥作用,是一定的范围内最优先采用的方案。风力发电、太阳能发电,在设备投资上和火力发电是相差很大的,是大大高于火力发电的,但要大大提倡。因为它能“节能减排”,这是个硬指标,当然这个硬指标也是有标准的,不是无条件的。这样我们在导线(电缆)和母线的选择上有如下的计算结果,见表二、表三,其计算根据是按载流量选择的,将导体加大一级,在节能投资上加以比较。由以上二表可见从投资和节能的角度看,即在设计中考虑导线、母线载流量时可适当增大一些,或增大一级是合适的。从经济技术比较看,五年内收回增加投资为可行,三年内收回是好方案。这不但节能,也可减少电压降,又有备用的容量,是一举多得的方案,在提倡节能减排的今天,更有其特殊的意义。
  
  表二三芯电缆
  
  

表三 母线铜(三相)

  二、配电变压器容量的选择
  
  配电变压器容量的选择一般有两种观点。一种观点是用电负荷愈接近产品额定值愈好,这样可节省投资。另一种观点是计算容量后往上一级产品额定值选用。当然这些观点都是有一定的数量考虑的。难有非常准确的判定,这就需要作一定的计算。参见当地供电部门的情况如:容量是否有限定,每月的装机容量费用大小等等有关。以下我们作一个具体分析的例子。
  
  如一个计算容量为1250KVA的用户,当然选用1250KVA变压器为最接近,但如选用1600KVA变压器有何不同的地方。
  
  1、 年损耗
  
  

  2、 差价
  
  1250KVA与1600KVA设备差价为6000元左右。
  
  3、 运行点与寿命
  
  变压器的效率都很高,在98%以上,但在满载时的效率并不是最佳处。变压器的寿命直接关系是温升,温度直接影响变压器的绝缘,绝缘老化,缩短变压器的寿命,在超过额定温度6℃后开始减寿,每升高6℃则在原基础上减寿一倍,称为6℃定则。
  
  这样1250KVA变压器的运行很局限,而1600KVA变压器则很从容,且运行在效率较高的运行点上。
  
  变压器的运行效率计算:
  
  

  其中:K为负荷率
  
  为最高效率时负荷率
  
  为负载功率因数
  
  S为变压器容量
  
  为铁损
  
  为铜损
  
  4、 运行的灵活性
  
  1600KVA变压器的方案则很灵活,有利后期扩建,运行点效率高,提升变压器寿命。
  
  5、 设备装机月费:
  
  不同地区的电力部门有不同的规定,综上所述,1250KVA和1600KVA变压器的选用是经过比较而定的,也应用户的实际情况考虑,并不一定立刻就可以确定1250KVA合适,尤其在环保上,1600kVA年损耗13000KWh,相当于减少排量12吨,这也是考虑的方面之一。
  
  三、测功节能
  
  柴油发动机的测功工序是柴油机制造厂、拖拉机厂及一切与柴油机制造、装配、维修有关的企业基本必备的工艺,柴油机出厂前无论是每个产品的检测还是产品中的抽查,需要将柴油机的基本参数、油耗及出力功率等数据测出结果,这是柴油机制造装配企业产品出厂前的一道关键工序,也是必需的。
  
  根据相关资料介绍,柴油发电机组按柴油可发热量计算,其中的35%为发电机提供电力,而其余65%能耗则通过发电机的散热器。排烟管和机房通风设备等排放到自然环境中而白白浪费电。因此有些企业利用对这些65%的热能消耗进行热能回收,为制热、空调、制冷等设备提供能源。而发电机所发出的电能则可用于照明、电力等负荷。这样一来有些柴油发电机组的综合利用效率可达到80%。
  
  本文不对热能回收的过程进行讨论,仅集中讨论柴油发动机或柴油发电机组测功时所发的电力如何有效利用的问题。
  
  由于柴油机测功时间较短,且有间隔性,没有稳定的测功发电试验的时间,那么其测功时所发出的电能如何利用呢?
  
  (一) 回馈电网式
  
  传统的办法是将柴油机测功时发出的电能送入电网。如图1:

  (二) 能耗式
  
  还有一种工艺是将发电机发出的电能通过负载电阻将其变成热能,再吹风冷却。如图2:

  这种方案原理按照现在环保节能的观点是不可取的,除了能耗外,该方案也加大了测试工艺所需的建筑面积,并对环境增加了热污染,因此这是一个不可取的方案。根据某柴油发电机组生产厂的产品产量计算,其每年消耗在测功发电热耗的能量达80万KWh,折合人民币60多万元,这相当于一个200kW用电量的车间两班制生产时全年的用电量被白白消耗掉了。
  
  (三)电能存储利用式
  
  随着工业的日益发展,特别是电子技术的飞速发展,电池充电使用再充电再使用的循环使用方式无处不在,广泛应用在航天、航海、通讯等行业,因此利用这种技术来存储和利用柴油机测功时发生的电能是可能的。如图3:
  
  

  1、~是若干台柴油测功机,~是整流器(单相、三相同理),~是电池组,为逆变器,、输出交流额定电压。~是直流隔绝二级管。
  
  2、原理:不同容量(或相同容量)多台柴油机测功时,其直流输出电压一般用~来相隔互不干扰的电池组~,并为其充电,其容量可按最大发电机充电电流考虑。电池充电后经逆变器逆变成50Hz、380/220V电压以供负荷使用。逆变器容量可以小一些,即逆变器以后所负载的设备容量较小(可按需求设置)。这样就可大大降低设备造价。这就好比一个容量很大的水库,对上游来的大小不一的水流一概接纳,而水库向下游输出的水流可大可小,不受水库容量限制。
  
  3、、输出是额定交流电压输出,可随时输出也可停止输出其所储存的能量,这实际是一个不对称的大安时的EPS,其存电容量可大大高于其输出容量,、为正常电源输入端子与~输出的电流相互切换。
  
  用前述某柴油发电机组生产厂为例,其每年柴油机测功时所产生的电力储能可直接满足本厂212kW负荷两班制生产时全年用电。
  
  4、上述只是原理叙述,设备中还需要增设很多自动测试、自动控制。自动恢复、保护环节等装置。
  
  这种电能储存利用的方式是符合节能环保的大原则的,在设备投资上该方案也是合理的。因此笔者认为应该改通过具体试验研究发展成定型产品,以便推广使用。
  
  四、无功补偿装置:
  
  1、目前一般低压补偿方案为母线补偿方式,如图4:
  
  优点为:
  
  (1)集中补偿、容易控制,维护方便。
  
  (2)容量为全厂的综合计算负荷稍小。
  
  缺点为:
  
  低压线路无功引起的能耗未能减小。
  
  

  2、母线补偿的一些问题,如图5:
  
  对于35kV降压变电所,电力部门一般要求在10KV母线上进行无功补偿,补偿容量为30%S,其值是认为S满载由0.8提高到0.95所决定的。这种方案忽略了各个10KV配电变压器的低压侧已经进行了补偿。在这种情况下,10kV补偿应该是只需补偿主变S的无功,只补偿5%S即可。按图5的配置,10KV的无功很难投入,且一般无法进行分段投入,有的变电所数年都没有投入,造成了极大的浪费。
  
  3、理想的补偿方案,如图6:


  
  (1)在主干线的低压配电柜DB上做补偿,该在线路工作时投入,不工作时断开。不调整控制,其特点:
  
  ① 节能:在线路约200A的情况下,导线(电缆)截面为95,0.193Ω/km,长约60m。则电路在电容补偿后由0.8提升到0.9,其节能计算为:
  
  电路损耗:
  
  
  
  当然这在技术上比较复杂,但其损耗大电量小,而且这是一种由不可再生能源(柴油)所产生的电能,电网不欢迎入网,只有水力发电、风力发电、光伏发电等这种由可再生能源产生的电能电网才欢迎入网,因此柴油机测功馈电入网这种办法是行不通的。

  其中R:线路电阻值Ω
  
  若补偿前电流为200A,起始=0.8,补偿后=0.9,则=265W,
  
  全年按4000小时计算,节能=1062KWh。
  
  若全线10条计算,节能=10000KWh,节能生产费用近万元,减排10吨。
  
  ②电容量较大:母线上补偿时考虑有同时率0.8,则分散补偿容量为母线补偿的1.25倍。
  
  五.推广使用变频器
  
  随着微电子技术的发展,电子设备的广泛使用,其性能价格比日益提高。在电机控制上推广使用变频器,不但在控制技术上有跟本的改善,而且在节能减排上更显其特别的作用。
  
  1、节能原理
  
  在平常的水流量、空气流量控制上大量使用闸、阀,其作用是增减管道阻力,使流量产生变化,如以电动机作为动力,电动机的输出功率变化不大,在减少流量的时间内,多余能量随消耗而去,采用变频器则可随流量变小,其输出功率也变小,达到节能的目的。如水泵从流量变化到,则有如下两种调节方法。
  
  (1)传统办法:调节阀门增加阻力使运行点从A到B,见图7:


  
  时消耗能量为的面积,即。
  
  时消耗能量为的面积,即。
  
  这两个面积相差不多,即能耗相差不多。
  
  (2)变频调速办法,见图8:


  
  从达到过程。从上述的面积看,显然后者小很多,即电机输出能量小得多,达到节能目的。
  
  2、调节原理
  
  大部分变频器自带有PID调节器,使用它加上传感器和变送器可以达到自动调节的目的,这在恒压、恒流量和各种定值控制上发挥其重要的作用,在微电子技术的日益进步的今天,大力推广使用变频器是个正确的选择。
  
  
  
  

作者:【李良芬】【娄俊旺】 来源:本站原创 点击数: 发布时间:2013年12月13日
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