淺談TBM施工現(xiàn)場(chǎng)節(jié)約用電方案

劉建成

（中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110179）

0.概述

引綽濟(jì)遼輸水工程隧洞段施工二標(biāo)項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟，隧洞采用鉆爆法+開(kāi)敞式TBM施工方法。兩臺(tái)TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度分別為19km。根據(jù)工程施工特點(diǎn)，鉆爆與TBM掘進(jìn)的連續(xù)性較差，周期變化較大，用電有高峰有低谷，供電系統(tǒng)中各級(jí)變壓器的負(fù)荷變化大，且日平均負(fù)荷率較低，變壓器在較低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，輸出的有功功率少，但使用的無(wú)功功率并未減少，功率因數(shù)低，電能損耗大。針對(duì)本工程施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、生活用電各環(huán)節(jié)中電能的損耗和浪費(fèi)現(xiàn)象，采取的節(jié)約用電方案如下。

1.正確選擇變電所位置

據(jù)負(fù)荷的容量和分布，配變電所宜靠近負(fù)荷中心[1]。變電所0.4kV有效供電半徑一般不超過(guò)500m，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備容量大和數(shù)量多的情況，可分別設(shè)置多個(gè)變電所為其供電，使其盡可能的縮短線路供電距離，以減少線路電壓降的影響和降低線路的損耗。據(jù)資料介紹當(dāng)10kV供電線路負(fù)荷500kVA，一年內(nèi)用電時(shí)間2000h，變電所向負(fù)荷中心移動(dòng)180m，一年內(nèi)節(jié)約用電5320kW·h，而180m高壓架空線路與多回路長(zhǎng)距離低壓電纜相比，投資是微乎其微的。由此可見(jiàn)，確定好變電所位置是節(jié)約電能的主要途徑之一。

2.提升線路功率因數(shù)

提高功率因數(shù)的辦法是在于如何減少系統(tǒng)中所需的無(wú)功功率，主要是減少負(fù)載需要的無(wú)功功率。施工現(xiàn)場(chǎng)線路的功率因數(shù)一般普遍較低，約為0.75左右，從這個(gè)關(guān)系式P=√3UIcosφη中可以看出：當(dāng)P輸出功率一定時(shí)，cosφ變小，則I變大，可見(jiàn)線路損耗增大；若線路電壓降不變，當(dāng)cosφ變小時(shí)，則P變小，顯然同樣設(shè)備的有效輸出容量減小，造成了設(shè)備浪費(fèi)及增加了投資。根據(jù)以上分析：（1）從提高電動(dòng)機(jī)、變壓器的負(fù)載率，盡可能的使供電線路布置趨于合理來(lái)提高功率因素。（2）可以在線路中并聯(lián)接入電容器的方法，利用電容電流補(bǔ)償電感電流，達(dá)到補(bǔ)償感性負(fù)載消耗的無(wú)功功率，以提高功率因數(shù)及降低電能損耗。例如，工地使用315kVA箱式變一臺(tái)，高壓側(cè)設(shè)置有功、無(wú)功電能表，低壓側(cè)設(shè)置電流表、電壓表，抄錄一天消耗的P有功電能、Q無(wú)功電能，按照tgφ=Q/P，得到φ角為52.42度，cosφ=0.61。電流表顯示在390A范圍內(nèi)波動(dòng)，315kVA變壓器的額定電流455A，可見(jiàn)負(fù)載電流達(dá)到了額定電流的86%，但是按照P=√3UIcosφη得到此變壓器輸出實(shí)際功率為165kW，說(shuō)明此供電系統(tǒng)的損耗較大，而設(shè)備的利用率卻很低。針對(duì)這種情況采取電容補(bǔ)償來(lái)提高功率因數(shù)，將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)絚osφ=0.95,電流I=P/√3Ucosφη＝251A，因線損與電流平方成正比，與補(bǔ)償前電流390A相比，線路損耗降到原來(lái)的41%。因電流僅有251A，輸出功率計(jì)算僅有165kW，因此可選用250kVA變壓器替代，其額定電流為360A，而負(fù)荷電流251A只占額定的70%，還有30%的裕量。由此可見(jiàn)，采取并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方法，不僅提升了功率因數(shù)、還改善了用電的質(zhì)量，節(jié)約了電能、減少了投資。

3.改善用電設(shè)備效率

電動(dòng)機(jī)是工地現(xiàn)場(chǎng)消耗無(wú)功功率主要設(shè)備，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要的無(wú)功功率一般超過(guò)總用電功率的65%，Y、Y2、Y3系列的老式電動(dòng)機(jī)仍在現(xiàn)場(chǎng)使用，應(yīng)選用新型YE3等系列超高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)，其損耗較Y系列下降35%左右?，F(xiàn)場(chǎng)使用的電動(dòng)機(jī)一般處于輕、重載交替或輕載下運(yùn)行，功率因數(shù)、效率較低，電能損耗較大。因此除電動(dòng)機(jī)容量要按照負(fù)載特性和運(yùn)行狀況適當(dāng)選擇以外，還需安裝自動(dòng)轉(zhuǎn)換節(jié)電裝置（如變頻器等），以提高電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)功率因數(shù)及效率，節(jié)約有功電能和降低無(wú)功損耗。電焊機(jī)是施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常用的設(shè)備，因間斷工作，大部分的時(shí)間處在空載下運(yùn)行，消耗電能較大；在其供電回路中加裝空載自動(dòng)延時(shí)斷電器，可限制其空載損耗，是一項(xiàng)行之有效的節(jié)電措施。經(jīng)對(duì)一臺(tái)40kVA交流電焊機(jī)，每天按8h計(jì)算，加裝斷電器后，可節(jié)約有功電能8kW·h、無(wú)功電能25kvar·h，節(jié)電效益一年內(nèi)可收回設(shè)備成本。另外，施工現(xiàn)場(chǎng)照明應(yīng)選用LED燈具或燈帶等高效節(jié)能型產(chǎn)品。

4.保持三相負(fù)載平衡

低壓配電系統(tǒng)三相負(fù)荷宜保持平衡，最大相負(fù)荷不宜超過(guò)三相負(fù)荷平均值的115%，最小相負(fù)荷不宜小于三相負(fù)荷平均值的85%[2]。為達(dá)到施工用電三相負(fù)載平衡，在變配電工程設(shè)計(jì)期間就應(yīng)該充分考慮，按照不同用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)分類，盡可能做到三相負(fù)載趨于平衡。例如工地電纜每相電阻R=0.3Ω,中性線電阻R0=0.3Ω，經(jīng)測(cè)試三相電流不平衡，Ia=60A、Ib=40A、Ic=20A，用對(duì)稱分量法計(jì)算中性線電流：I0＝√Ia2＋I(xiàn)b2＋I(xiàn)c2-(Ia×Ib)- (Ia×Ic)-(Ib×Ic)≈32(A)；按照公式P=UI=I2R三相電流不平衡時(shí)的電能損失：P1＝[(Ia2+Ib2+Ic2)R+I02×R0]/103≈1.9(kW)；三相電流平衡時(shí)(Iabc=40A，I0=0)電能損失：P2＝3×Iabc2R/l03≈1.4(kW)；年電能損耗：P3＝(Pl-P2)×365×24≈4380(kW?h)；可知平衡三相負(fù)載的接線，可以節(jié)約大量電能。

5.加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)用電管理

加強(qiáng)用電管理，減少不必要的電能損耗[3]。

（1）克服臨時(shí)用電湊合的觀點(diǎn)，應(yīng)選用合格的電線電纜，嚴(yán)禁使用斷股、斷芯破舊的線纜，以防止線徑不足或接觸不良發(fā)熱等，造成電能消耗，引起火災(zāi)發(fā)生。

（2）臨時(shí)用電應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工，接線時(shí)應(yīng)選用合格接線端子，不得直接纏繞在端子上接線，銅鋁連接必須裝設(shè)銅鋁過(guò)渡接線端子，克服電化學(xué)腐蝕而引起的接觸不良發(fā)熱現(xiàn)象。

（3）在施工現(xiàn)場(chǎng)電源搭接作業(yè)前，應(yīng)向現(xiàn)場(chǎng)主管部門(mén)提出申請(qǐng)，并注明負(fù)載性質(zhì)和用電容量，經(jīng)主管部門(mén)批準(zhǔn)后，按照指定的線路及接線部位搭接電源，未經(jīng)主管部門(mén)允許，不得擅自在線路上亂接電源。

6.TBM及其附屬設(shè)備節(jié)電措施

針對(duì)TBM及其附屬設(shè)備運(yùn)行中存在電能損耗和浪費(fèi)現(xiàn)象，現(xiàn)主要從以下幾個(gè)方面采取節(jié)約電能措施：

（1）合理調(diào)整變頻器使用頻率。因本項(xiàng)目TBM現(xiàn)階段掘進(jìn)、通風(fēng)距離較短及洞內(nèi)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)，在滿足工作面所需供風(fēng)量前提下，可適當(dāng)調(diào)整降低變頻器的輸出頻率，減少通風(fēng)機(jī)組的功率輸出，使其處在輕載下運(yùn)行，又因通風(fēng)機(jī)組需連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，因此不僅節(jié)約了電能，還延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

（2）杜絕設(shè)備非工作需要空載運(yùn)行。在TBM掘進(jìn)與皮帶機(jī)運(yùn)行配合方面，在TBM停機(jī)時(shí)皮帶、油泵等啟停配合方面，存在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)行及功率損耗大的現(xiàn)象，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，及時(shí)做好各設(shè)備之間的啟停調(diào)整，以提高設(shè)備有效利用率，節(jié)能降費(fèi)。

（3）注重現(xiàn)場(chǎng)巡查及時(shí)做好檢修處理。對(duì)TBM上的油系統(tǒng)、水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等做到經(jīng)常巡查，對(duì)長(zhǎng)距離供排水系統(tǒng)等做到每班巡查，如發(fā)現(xiàn)有泄漏、滲漏現(xiàn)象及時(shí)處理或檢修，以提高油泵站、水泵及空壓機(jī)等設(shè)備有效利用率，減少設(shè)備頻繁啟動(dòng)，降低功率損耗。

（4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定關(guān)停無(wú)用設(shè)備。因洞內(nèi)環(huán)境溫度低和TBM外循環(huán)水溫度可控，水冷機(jī)組制冷效果起不到應(yīng)有作用，經(jīng)研究確認(rèn)后現(xiàn)已關(guān)停該設(shè)備，節(jié)約了電能。

7.結(jié)語(yǔ)

因施工現(xiàn)場(chǎng)的電能損耗和浪費(fèi)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，多數(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)缺乏完善的節(jié)約用電方案。因此項(xiàng)目應(yīng)從變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始，正確計(jì)算用電負(fù)荷及用電量，合理選配節(jié)能用電設(shè)備，科學(xué)考慮變配電設(shè)備及線路的布置，注重安裝質(zhì)量，加強(qiáng)用電管理，制定節(jié)約用電措施及獎(jiǎng)懲辦法，使得施工現(xiàn)場(chǎng)電能損耗和浪費(fèi)降到最低限度，以減少項(xiàng)目施工成本和提高經(jīng)濟(jì)效益。希望本文粗淺總結(jié)能為今后TBM施工現(xiàn)場(chǎng)節(jié)約用電積累經(jīng)驗(yàn)，并提供參考與借鑒。