35kV變配電及電機(jī)系統(tǒng)能量優(yōu)化方案的節(jié)能效果研究

徐松

【摘要】企業(yè)通過原有S7變壓器升級為S13變壓器、風(fēng)機(jī)和泵的閥門控制改造為變頻控制來實(shí)現(xiàn)能量系統(tǒng)的優(yōu)化。通過對該方案的優(yōu)化效果做進(jìn)一步測算和研究，驗(yàn)證其可行性和節(jié)能性。

【關(guān)鍵詞】能量系統(tǒng)優(yōu)化;變壓器;電機(jī);節(jié)能

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

10.147

某玉米淀粉加工企業(yè)原有S7變壓器電損量大，可靠性低，達(dá)不到《三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價值》（GB20052-2013）中能效限定值要求，已列入《高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第一批）》。另外，廠區(qū)風(fēng)機(jī)和泵未采用變頻控制，存在不易調(diào)節(jié)、耗能嚴(yán)重等問題。根據(jù)國家節(jié)能降耗的原則，對原有35kV變配電與電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

1、35kV變配電及電機(jī)系統(tǒng)能量優(yōu)化方案

（1）能量系統(tǒng)優(yōu)化：選用5臺S13-2500/35與2臺SCB12-2500/35變壓器替代原有3臺S7-2000/35、3臺S7-2500/35與1臺S9-2500/35變壓器。

（2）電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造：新增變頻器79臺等。

2、能量優(yōu)化方案的節(jié)能效果研究

2.1變壓器損耗技術(shù)水平研究

2.1.1變壓器的選型

企業(yè)現(xiàn)有S7型電力變壓器屬于高耗能變壓器，新選用的S13型開口式立體卷鐵心變壓器鐵心呈三角形排列，鐵心無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少70～85%，提高功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)損耗，空載損耗降低20～45%。

2.1.2變壓器容量計(jì)算

企業(yè)統(tǒng)計(jì)全廠合計(jì)用電設(shè)備總功率24538.49kW，同時用電系數(shù)取0.4，則用電設(shè)備功率約為9815.4kW。根據(jù)計(jì)算公式：S=P/cosφ（取用電設(shè)備平均功率因數(shù)cosφ為0.85）計(jì)算可得，用電設(shè)備視在功率S=9815.4/0.85=11547.52kVA。

改造后共有2500kVA新變壓器為7臺，總額定容量Se=17500kVA。

變壓器的負(fù)載率η=S/Se*100%=65.99%，能夠達(dá)到變壓器的最佳負(fù)載率60%～80%之間，不僅能夠滿足現(xiàn)在容量的需求，且能為將來負(fù)荷的增長預(yù)留了發(fā)展空間。

2.1.3變壓器損耗技術(shù)水平

（1）變壓器年消耗電量計(jì)算式

W=（8600×P0+2200×Pk）+0.05（8600×i%×Se+2200×Uk%×Se）

式中：P0——空載損耗，kW;Pk——負(fù)載損耗，kW;i%——空載電流百分?jǐn)?shù);Uk%——阻抗電壓百分?jǐn)?shù);Se——變壓器容量，kVA;8600、2200——變壓器全年平均空載、負(fù)載小時數(shù)（h）;0.05——無功當(dāng)量。

（2）新舊變壓器技術(shù)參數(shù)與節(jié)電量計(jì)算

新舊變壓器技術(shù)參數(shù)與節(jié)約電量計(jì)算表

據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知改造后變壓器年節(jié)約電量9.18萬kWh，節(jié)電率=9.18萬kWh/72.66萬kWh=12.63%。

2.2變頻器節(jié)能技術(shù)水平

2.2.1風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能原理及計(jì)算式

生產(chǎn)中對風(fēng)機(jī)﹑水泵常用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了管路的阻尼，電機(jī)仍舊以額定速度運(yùn)行，這時能量消耗較大。如果用變頻器對風(fēng)機(jī)﹑泵類設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，不需要再用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗將大為減少，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，采用電動機(jī)變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，比用擋板﹑閥門之類來調(diào)節(jié)可節(jié)電20%～50%。本方案擬新增變頻器79臺，所對應(yīng)的電機(jī)功率為9074kW，變頻調(diào)速節(jié)約電量的計(jì)算如下：

風(fēng)機(jī)水泵特性：H=H0-（H0-1）×Q2

式中：H——揚(yáng)程;Q——流量;H0——流量為0時的揚(yáng)程。

管網(wǎng)阻力：R=KQ2

式中：R——管網(wǎng)阻力;K——管網(wǎng)阻尼系數(shù);Q——流量。

風(fēng)機(jī)水泵軸功率：P=KpQH/ηb

式中：P——軸功率;Q——流量;H——壓力;ηb——風(fēng)機(jī)水泵效率;Kp——計(jì)算常數(shù)。

流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

Q1/Q2= n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2 =（n1/n2）3

注：上述變量均采用標(biāo)準(zhǔn)值，以額定值為基準(zhǔn)，數(shù)值為1表示實(shí)際值等于額定值

2.2.2改造前后風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能計(jì)算

35kV變電站升級改造項(xiàng)目擬新增變頻器79臺，所對應(yīng)的電機(jī)功率為9074kW。假設(shè)風(fēng)機(jī)水泵的效率=98%、變頻器的效率=97%。額定流量時的風(fēng)機(jī)水泵軸功力為9074kW。

風(fēng)機(jī)水泵特性：風(fēng)量Q為0時，揚(yáng)程H為1.4p.u（標(biāo)準(zhǔn)值，以額定值為基準(zhǔn)）;設(shè)曲線特性為H=1.4-0.4Q2。年運(yùn)行時間為：8600小時。

風(fēng)機(jī)水泵的運(yùn)行模式為：流量100%，年運(yùn)行時間的30%;流量70%，年運(yùn)行時間的50%;流量50%，年運(yùn)行時間的20%。

（1）變閥調(diào)節(jié)控制流量時

假設(shè)P100為100%流量的功耗，P70為70%流量的功耗，P50為50%流量的功耗：

P100=9074/0.98 =9259.18kW

P70=9074×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.98=7803.64kW

P50=9074×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.98=6018.47kW

年耗電量為：

8600×（9259.18×0.3+7803.64×0.5+6018.47×0.2）/10000=6779.61萬kWh

（2）變頻調(diào)節(jié)控制流量時

假設(shè)P100為100%流量的功耗，P70為70%流量的功耗，P50為50%流量的功耗：

P100=9074/0.98/0.97=9548.55kW

P70=9074×0.73/0.98/0.97=3274.12kW

P50=9074×0.53/0.98/0.97=1193.19kW

年耗電量為：

8600×（9548.55×0.3+3274.12×0.5+1193.19×0.2）/10000=4076.63萬kWh

每年節(jié)約電量6779.61萬kWh-4076.63萬kWh=2702.98萬kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤3321.98tce。

節(jié)電率=2702.98萬kWh/6779.61萬kWh=39.87%

3、方案綜合節(jié)能效果

本方案通過更換節(jié)能變壓器，對大功率設(shè)備增加變頻器以及變壓器升級改造后年節(jié)約電量為2712.16萬kWh，其中，更換變壓器節(jié)電9.18萬kWh，節(jié)電率為12.63%;新增變頻器節(jié)電2702.98萬kWh，節(jié)電率39.87%;綜合節(jié)能效果達(dá)到36%以上。

結(jié)語：

本方案為變配電及電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能升級改造，通過研究分析，方案節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的，符合國家節(jié)能減排的政策和有關(guān)規(guī)定，符合中國節(jié)能技術(shù)政策大綱和行業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉屏周，卞鎧生，任元會等.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016