技术丨水泥厂的电气节电措施及应用

过去十年，我国水泥工业在新型干法水泥预热预分解窑节能煅烧工艺、大型原料预均化、节能粉磨、自动控制和环境保护等方面从设计、装备制造到工程总承包都接近或达到了世界先进水平，成套装备和技术出口到包括欧美等50多个国家和地区，并已经得到业主的广泛认同。但从目前水泥企业实际的熟料综合电耗和水泥综合电耗来看，企业仍有较大的节电空间。

   水泥企业的节电，主要受益于工艺和装备技术以及电气技术上的进步。本文仅就电气技术措施及其运用进行介绍，仅供参考。

1 三相负荷平衡的重要性

  在输配电线路中，因三相负荷分配的不平衡，因而会造成三相电流或电压不平衡，并将给系统带来诸多危害，影响变压器、电动机的安全经济运行；对供配电系统的相线及低压供电系统的中性线电能损耗加大； 影响计算机正常工作，电压过高会引起照明灯具、家用电器、寿命缩短乃至损坏，电压过低则影响家用电器使用效果，造成照度偏低； 对通讯系统干扰增大，影响通讯质量。

  为了减少三相负荷不平衡造成的能耗，在系统设计时应尽量使三相负荷平衡，并且在系统运行时，需根据负荷的变化，及时投切、合理地调整三相负荷，使三相负荷不平衡度符合以下规程规定：“ 要求配电变压器出口处的电流不平衡度小于10%，干线及支线首端的不平衡度小于20%，中性线的电流不超过额定电流的25%”，以及“三相配电干线的各项负荷宜分配平衡，最大相负荷不宜超过三相负荷平均值的115%，最小相负荷大于三相负荷平均值的85%”（见《GB50034-2004建筑照明设计标准》。

2 合理选择变压器

  科学、合理地选择配电变压器，是企业节能的重要环节。

  2.1 合理选择容量和台数

  在选择配电变压器容量和台数时，应根据负荷性质、运行情况综合考虑一次。

  根据投资和年运行费用，对负荷进行合理分配，选用容量与实际负荷最接近的变压器，使变压器工作在最佳高效区：当负荷低于30%时，应调整或更换；当负荷超过80%，并经过计算不利于经济运行时，可放大一级容量选择变压器。

  2.2 选用节能型变压器

  当前应选择S10-M以上系列的新型低损耗节能型变压器，并可选用干式节能型变压器，老企业在进行技改时，应采用新型低损耗节能型变压器，替换老式高能耗变压器，改造后能达到国家相应的能耗标准值：空载损耗为4.5%～6.5%；空载电流在7%以下； 短路损耗达到国家标准；阻抗电压为4%～4.9%。而空载损耗与变压器容量有关。

  2.3 推广应用干式变压器

  目前，工业企业使用变压器的发展趋势为干式变压器，干式变压器具有高效节电、安全可靠、绿色环保等优点。

  我国的配电变压器由20世纪50年代的SJ1系列开始，平均每1 kVA空载损耗5.2 W，负载损耗17.8 W。上世纪90年代，S9系列，平均每1 kVA空载损耗1.82 W，负载损耗10.4 W。两卷铁芯式的S11系列变压器平均每1 kVA空载损耗1.08 W，负载损耗9.6 W。如果全部使用S11系列变压器，以目前发电装机容量计算，每年将节约空载损耗40.71亿千瓦时。若占全部配电变压器15%的数量采用S11系列干式变压器，每年将节约6亿千瓦时的电能，社会效益、经济效益十分显著。

3 合理设计，减少线路损耗

  3.1 优化线路敷设

  在工程设计中合理布局配电点，尽量靠近负荷中心。在生料磨、窑尾、窑头、水泥磨等负荷集中的区域设电气室。合理调配变压器的负荷率，使其运行在经济的区间段。低压线路的供电半径不宜超过200 m，负荷密集地区不宜超过100 m，负荷中等密集地区不宜超过150 m，少负荷地区不宜超过250 m。根据这个常规，在设计及施工中应优化线路敷设，尽量少走弯路，禁止迂回敷设管线，以缩短电缆路径，降低线路损耗。

  3.2 加大导线截面积

  对于较长的线路，在满足载流量、热稳定、保护配合及电压降要求的前提下，在加大导线截面积时，应结合计算负载电流及电压降两个因素而定，这种措施，虽然增加了线路投资，但却节约了电能。据测算，在2～3年内即可收回因加大导线截面所增加的费用。

4 设无功补偿，提高功率因数

  对于企业的供配电系统进行必要的无功补偿，可改善电能质量，节能降耗，提高供电能力。数据表明：当功率因数由0.7提高到0.9时，线路损耗可减少约40%，功率因数值的大小既要满足当地供电部门的要求，同时要为本企业节约线损考虑。目前，无功补偿有以下三种方法：

  （1） 总降中压侧，采用固定电容补偿装置，主要是补偿高压线路及主变压器所需要的无功。

  （2） 在中压电机集中的电气室（如：窑尾及生料磨电气室、水泥磨电气室），采用中压分组投切电容自动补偿装置；对分散的中压电机，可根据电机功率采用单机就地电容补偿方式；车间变压器低压侧，采用低压分组投切自动补偿装置。

  （3）设计中尽可能采用功率因数较高的用电设备，如拖动用同步电机，照明用配有内设补偿电容器的电子式荧光灯、节能电感整流器荧光灯，厂区道路照明采用LED新型节能灯具等。

5 中压变频器的应用

  变频器的推广应用，不仅为水泥生产控制带来了方便，也为水泥企业带来了更大的节电空间。

  某院在广英水泥公司4 000 t/d熟料生产线技改项目，共有四台中压电机采用中压变频器调速装置，分别为：窑尾高温风机：YPTQ800-6，2 800 kW；窑头煤磨排风机：YPTZ450-4，400 kW；水泥磨循环风机：YPT560-8，630 kW两台，按业主建设计划进度实施，原料及烧成系统已成投运一年多，即窑尾、窑头两台变频器同时投运（水泥磨系统一台磨已在试生产，另一台磨电气设备正在调式阶段），熟料线投运的中压变频器总功率为：2 800 kW+400 kW=3 200 kW，窑系统工作制度:每天3班制，每班24小时，每周7天，电机平均每天按照运行24小时计算：功率按3 200 kW计算。两台电机一天总功率为：24小时/天×3 200 kW=76 800 kW。 采用中压变频器，投运一年多来设备运转正常，节电效果明显，随风机负荷变化，节电率在10%～13%之间，在此取平均值按11.5%计算，每天节约用电：76 800 kW×11.5%=8 832 kW。

  按照当地工业用电每度电价0.6元计算：每天直接为工厂节约电费：8 832 kW×0.6元/kW=5 299.2元/天；每月按照25天计算，节省电费25天/月×5 299.2元/天=132 480元/月；每年按照10个月计算，节省电费132 480元/月×10月/年=1 324 800元/年。

  以上数据表明，在现代水泥生产线的窑尾、窑头、水泥磨系统的中压风机，推广使用中压变频器调速，具有保障生产线可靠运行、提高设备运转率、节省电耗、降低企业生产成本、提高企业经济效益等诸多优势。

6 采用新型高效节电装置

  工程中采用高效节电装置，能有效地抑制电网谐波，改善电能质量，减少电能损耗。

  6.1 抑制谐波危害

  谐波电流的存在不仅增加了供配电系统的电能损耗，而且对供配电线路及用电设备产生危害。

  为了抑制谐波，提高供电质量，降低电能损耗，需在变压器低压侧或用电设备处设置有源滤波器、无源滤波器，或采用高效节电装置。

  6.2 高效节电装置

  在供配电系统中，电压不稳定、三相电压不平衡、电动机冲击电流过大和高次谐波干扰等原因，造成了较大的电能损耗，缩短了电气设备使用寿命。为解决这些问题，近年来，人们研制出了一种新型高效节电装置。 该装置具有以下功能和特点：

  （1）调节谐波电压幅值及稳压。该装置采用了最新的电磁平衡原理来调整用电设备电压的平衡度和稳定性，在装置内部并联了一个自藕固定式调压器，调压器具有调节电压幅值的功能，将较高的电压值调整到合理的范围内，使其三相电压保持平衡。给企业的生产动力设备和照明系统用电提供了优质、可靠的电源，并具有明显的节电效果。

  （2）平衡三相电压。通过装置调节其内部的电感量，利用磁电交换、磁势再分配有效减少三相电压的不平衡度，使线电压、线电流的不平衡度减少至2% 以下，从而使三相电压基本平衡。

  （3）降低电动机的启动电流。通过磁力作用及节电装置内部串联电抗器，可对电动机的启动电流起到一定的抑制作用，可将启动电流减少到2~3倍的额定电流。如果群控多台小型电动机，其节电效果更为明显。

  （4）抑制高次谐波。电源中的高次谐波一部分由市电产生，近年来水泥企业在窑系统采用了不少数量的中压变频器和低压变频器, 是高次谐波的引发源。这些谐波的存在不仅破坏电能质量，引起电能浪费，而且造成变压器因涡流及损耗的加大而过热、电动机过热及转矩下降，并会造成低压电容器过热、中性线电流增大等严重后果。为抑制高次谐波，该装置内部并联了一个消除线圈，它可以阻止谐波源的高次谐波，同时能抑制低压电气设备及电子设备发出的谐波电流，以获得较好的节电效果。

  （5）降低电气设备铜损。谐波频率上升，电流逐步加大，导致交流电阻增大，线损增加，由于该装置平衡三相电压，抑制了高次谐波，可以降低线路、变压器、电动机绕组的铜耗。按公式P=I2R来计算，减少电流值及电阻值对铜耗有明显的降低。

  （6）改善功率因数。节电装置依靠线圈移相，调整组别结线方式，调整各相输出电流与电压相位，从而提高了功率因数，降低了用户的电气损耗。

   水泥企业节电，最直接的是以指标来认定，熟料综合电耗是否≤52 kW?h/t熟料、水泥综合电耗是否≤80 kW?h/t 水泥。有的企业早已达到这一水平，这主要受益于其先进的工艺和装备，受益于科学的电气设计和电气节能设备的运用，受益于其科学的企业管理水平。本文所论述的，仅是电气设计和电气节能设备方面的实践经验，生产企业可从多方面入手，选择、使用先进的行之有效的绿色环保的节能技术和产品，以确保实现增收节支、节能减排的目标。

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