水電廠廠房頂照明優(yōu)化分析

張 豫

(中國三峽集團(tuán)有限公司中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

某水利樞紐是長江干流上修建的大型水利水電工程，電站內(nèi)的照明燈有鈉燈、金鹵燈、無極燈和節(jié)能燈，其中廠房內(nèi)發(fā)電機(jī)層照明多為無極燈，風(fēng)洞層照明多為鈉燈，廊道內(nèi)照明有節(jié)能燈和鈉燈，廠房頂為金屬鈉燈。廠房外景觀燈為節(jié)能燈和無極燈。

目前廠房頂燈的功率較大，使廠用電率較高，如果為了降低廠用電率而少開燈，則廠房照明亮度不夠，另外，燈具數(shù)量多、位置高，燈具出現(xiàn)故障需要更換時(shí)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。因此為了節(jié)能降耗，對廠房頂燈進(jìn)行照明優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 LED工礦燈與鈉燈、金鹵燈綜合比較

1.1 高壓鈉燈、金鹵燈

根據(jù)統(tǒng)計(jì)工廠照明在我國工廠照明耗電中占30%的比例。傳統(tǒng)高壓鈉燈光源的燈具可以提供90-102 lm/W以上的發(fā)光效率，但是其本身的缺憾也較為明顯：

1)光源的光譜成分偏黃，顯色指數(shù)極低，影響正常的工廠生產(chǎn)；

2)燈具的壽命較短，更換工作量大；

3)不便于對燈的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；

4)高壓鈉燈、金鹵燈在工作狀態(tài)下，燈具溫度高，在溫度急劇變化時(shí)，容易導(dǎo)致燈具玻璃爆裂的情況發(fā)生，容易引起爆炸性環(huán)境的爆炸燃燒等事故。

5)由于高壓鈉燈、金鹵燈的功率較大，所使用的電纜橫截面積大，投入成本高。

1.2 LED工礦燈

LED 燈以其特有的低電壓驅(qū)動(dòng)、體積小、重量輕、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長、耐振動(dòng)、不易損壞、符合環(huán)保要求等優(yōu)勢，使LED光源成為防爆照明理想的綠色節(jié)能光源。LED顯著的優(yōu)點(diǎn)為：

1)光效高。目前LED防爆燈光效已達(dá)到100 lm/W左右，預(yù)計(jì)2年內(nèi)能達(dá)到200 lm/W以上。

2)壽命長。目前LED防爆燈壽命大于50 000 h，比傳統(tǒng)光源壽命要長10～20倍。

3)同等照度下，由于LED燈具的功率小，所使用的電纜橫截面積與高壓鈉燈相比要小，電纜投入相對低。由于功率小控制箱和變壓器設(shè)置相對少，從而減少燈具配套設(shè)備的使用量。

4)LED燈具由于其發(fā)光特性而言，在溫度急劇變化時(shí)，不存在突然爆裂的情況，LED光源也不會(huì)發(fā)生瞬間熔斷的情況。

5)維護(hù)費(fèi)用大大降低。LED做成防爆照明光源，可以工作30 000～50 000 h(10年)無需更換光源，大大節(jié)省了日常的維護(hù)更換費(fèi)用。

6)模塊化升級(jí)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使LED光效不斷提高，LED燈可實(shí)現(xiàn)模塊化升級(jí)，在同等照明亮度情況下升級(jí)為功率更小的光源。

7)LED光源光譜集中在可見光光譜內(nèi)，不含紫外線和紅外線，能有效保護(hù)被照射物體不發(fā)生質(zhì)變。

8)LED燈具發(fā)光時(shí)不會(huì)發(fā)生頻閃現(xiàn)象，工廠工作人員不會(huì)因?yàn)轭l閃出現(xiàn)眼睛暫時(shí)的不適應(yīng)，而發(fā)生生產(chǎn)事故。

9)LED光源的反應(yīng)時(shí)間為鈉秒級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光源的反應(yīng)時(shí)間，且頻繁啟動(dòng)不受影響。

10)配光?？梢愿郊佣喂鈱W(xué)配光，最大限度地利用LED的光能，滿足各種應(yīng)用場合特定的照度與光強(qiáng)分布。

1.3 二次光學(xué)系統(tǒng)介紹

工廠照明系統(tǒng)不同于一般的照明燈具，其被照明的區(qū)域較不規(guī)則。根據(jù)不同工廠照明標(biāo)準(zhǔn)，和實(shí)際廠房安裝燈具高度以及安裝間距，LED燈具可選擇不同類型的配光以滿足照明需要。

由于高壓鈉燈、金鹵燈為全角360度發(fā)光，通常在光源背面加上一個(gè)反光裝置使發(fā)出的光照射到地面上以提高能量利用。但是由于高壓鈉燈、金鹵燈光源龐大，缺乏有效的光學(xué)裝置，在地面上形成的光斑通常是一個(gè)不均勻的圓斑：中心處很亮，而在徑向衰減很快。為了達(dá)到工廠照明標(biāo)準(zhǔn)的均勻性要求，通常不得不提高輸出功率使得周圍暗斑的照度達(dá)到最低的照明需求，然而大量的能量則浪費(fèi)在燈具的正下方中心處，從而降低了總的能量利用率。

LED發(fā)光源是光強(qiáng)分布近似朗伯源的點(diǎn)光源，通過光學(xué)級(jí)透鏡進(jìn)行二次配光，根據(jù)工廠照明實(shí)際布燈情況和照明要求選擇不同的透鏡，將LED芯片發(fā)出的光合理的分配所需照明地面，在地面上面形成一個(gè)均勻照度的圓形區(qū)域，則可以在低的發(fā)光效率下實(shí)現(xiàn)高于高壓鈉燈、金鹵燈的能量利用率。

1.4 高壓鈉燈或金鹵燈與LED工礦燈參數(shù)對比

以400 W的鈉燈、金鹵燈和180 W的LED燈為例，其相關(guān)性能參數(shù)比較如表1。

2 水電廠廠房照明節(jié)能分析

2.1 廠房區(qū)域照明現(xiàn)狀

一分廠房頂燈布置為6路，第一行4盞，第二行6盞，依此類推。左安裝場有8行，第一行4盞，合計(jì)40盞。右安裝場4行，第一行6盞，合計(jì)20盞。每臺(tái)機(jī)組是5行，每臺(tái)機(jī)組24盞燈具，14臺(tái)機(jī)組共336盞?？傆?jì)燈數(shù)396盞。

二分廠房頂燈布置為5路，安裝場有7行，合計(jì)35盞燈具。每臺(tái)機(jī)組是4行，每臺(tái)機(jī)組20盞燈具，7臺(tái)機(jī)組共140盞?？傆?jì)燈數(shù)175盞。

原先燈具都是采用400 W的金鹵燈，存在功耗高，功率因數(shù)低，光衰大等問題，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場照明需求。

2.2 節(jié)能改造方案

針對原廠房，照明光源能耗高、維護(hù)費(fèi)用高等原因所有燈具進(jìn)行節(jié)能替換改造。具體替換方案如下：

選擇用180 W功率的LED工礦燈替換原400 W功率的金鹵燈。

2.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析

2.3.1 亮度指標(biāo)分析(僅針對廠房區(qū)燈具光源)

LED燈單瓦發(fā)光效率≥120 lm/W，整燈光效≥110 lm/W，顯色指數(shù)Ra>80，燈具效益95%，光通量180 W×120 lm/W×95%=20 520 lm，金鹵燈單瓦發(fā)光效率=90 lm/W，顯色指數(shù)45～55，燈具效益56%，光通量400 W×90 lm/W×56%=20 160 lm，因此更換LED燈后廠房內(nèi)照明的照度不會(huì)降低。

通過DIALux照明模擬軟件模擬結(jié)果，替換后地面實(shí)際照度較現(xiàn)有光源可以提高20%～30%，因LED燈具的高顯色指數(shù)所以廠房區(qū)域空間以及設(shè)備等事物得以更加清晰的顯現(xiàn)，可以充分達(dá)到國家對廠房照明規(guī)范要求，生產(chǎn)安全保障可以大幅提高。同時(shí)燈具防護(hù)等級(jí)均達(dá)到IP67外界環(huán)境對燈具工作不產(chǎn)生任何影響。

2.3.2 節(jié)能分析

以選擇LED光源替換上述現(xiàn)用傳統(tǒng)光源的實(shí)際數(shù)據(jù)分析：

使用400 W汞燈(或金鹵燈)的系統(tǒng)功率為480 W，用180 W的LED工礦燈替代后系統(tǒng)功率為198 W，可以節(jié)省用電功率282 W(59%)。

表1 鈉燈、金鹵燈和LED燈的相關(guān)性能參數(shù)比較

2.3.3 安全運(yùn)行分析

LED燈具光源使用壽命一般可以達(dá)到50 000 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汞燈(金鹵燈)的使用壽命，配合燈具在二次配光、光學(xué)透鏡的選擇、散熱、燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)保障與提升，大功率LED燈具目前已經(jīng)可以做到長時(shí)間連續(xù)安全穩(wěn)定工作運(yùn)行，不需要安排人員日常維護(hù)檢修，其超高的安全性尤其體現(xiàn)在連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)、重點(diǎn)作業(yè)廠房、倉庫照明區(qū)域、隧道、高速公路、跨江大橋等特殊場所的使用上。

3 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效益分析

廠房照明(金鹵燈)571盞(400 W)，新廠區(qū)替換功率計(jì)算如表2。

表2 新廠區(qū)廠用照明替換功率計(jì)算

廠區(qū)全部替換LED照明燈具后總功率為113.058 kW，較原燈具降低161.022 kW。

總體可以節(jié)省60%的用電量，若考慮光衰、使用年限及整體系統(tǒng)運(yùn)行功耗等因素，采用上述LED照明燈具可以達(dá)到系統(tǒng)整體節(jié)約用電量60%以上。

廠區(qū)照明綜合維護(hù)費(fèi)用僅以較低財(cái)務(wù)成本考慮，上述傳統(tǒng)光源年平均維護(hù)費(fèi)用(包括維修更換光源、配件以及人工成本)20元/單燈計(jì)算。

廠區(qū)照明用電計(jì)量時(shí)間以冬修期間每天24 h計(jì)算，非冬休期間每天12 h計(jì)算；全年燈具工作時(shí)間以360 d計(jì)算；電價(jià)成本以0.195元/度計(jì)算；具體節(jié)能數(shù)據(jù)分析如表3。

表3 廠用照明節(jié)能數(shù)據(jù)分析

4 結(jié) 語

1)廠房全部更換LED燈具后，每年可以節(jié)約費(fèi)用在21.489萬元左右。

2)LED燈具理論壽命50 000 h以上，選擇質(zhì)量可靠、配光、散熱、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的LED產(chǎn)品實(shí)際壽命可以達(dá)到80 000 h以上，相當(dāng)于更換LED工礦燈可以安全使用超過10年時(shí)間，僅照明系統(tǒng)的節(jié)能收益就相當(dāng)可觀。

3)使用LED光源產(chǎn)品，能夠確保廠房區(qū)域照明高效、長壽命、綠色環(huán)保、低碳運(yùn)行，企業(yè)生產(chǎn)安全性將得到大幅提升。燈具及電源的防護(hù)等級(jí)均可升級(jí)達(dá)到IP67標(biāo)準(zhǔn)要求，防觸電保護(hù)達(dá)到I類，且燈具具有更好的防眩性能。

通過對水電廠廠房頂照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在降低廠用電率、節(jié)能減排的同時(shí)，提高廠房照明亮度，優(yōu)化檢修環(huán)境，并且節(jié)省維護(hù)成本。