大型化工企业电气节能诊断研究——以某大型化工企业为例

陈贤佳

渊福州市节能监测中心

摘要福建福州350003冤

在能源审计的基础上袁通过对某特定化工企业用能情况和用电特点进行分析袁从企业配电网尧用电设备及节能管理和

协调方面入手袁结合国内外先进技术寻找节能潜力袁提出节能改造方案袁并评估节能诊断的节能效果袁完成节能诊断遥本研究为化工行业特别是化学工业园区的建设与节能改造提供借鉴经验和依据遥

关键词节能诊断电气节能化工企业中图分类号院TK018文献标识码院A文章编号院1672-90(2020)01原038原041研究背景与意义

随着工业化进程的加快和设备智能化袁企业中电气设备

的使用度越来越高袁同时袁在节能减排的前提下袁电气化程度也会不断加快袁用电量将会不断上升袁电力在能耗中的占比将加大袁在企业用电增长的同时也带来了电能损耗增长袁对企业开展电气节能诊断袁通过能源审计发掘耗能点袁提出节能技改方案袁提高电能利用率袁势在必行遥

在众多工业中袁化工行业为高耗能产业袁据统计袁我国冶金尧有色尧化工尧石化和建材5大行业的能耗占能源消费总量的50%左右袁且化工产品单位能耗普遍比国外高20%以上遥因此对化工企业的电气节能研究有重大意义遥

图1企业110kV变电站主接线示意图

2企业能源审计

存查帐等手段袁开展企业的能源审计院摸清企业能源消耗情况袁检查用能系统的运行状况袁特别是对用电情况的调研收集尧数据实测袁总结大型化工企业的用电特征袁挖掘节能节电潜力遥本文着重于电气节能诊断袁仅对选定企业能源审计结论中的电气部分进行简要概述遥

某大型化工企业位于化工产业集中区内遥企业的主要用能品种有电力尧煤和蒸汽袁外购的能源品种为电力和煤袁煤在厂内的热电分厂产生蒸汽用于发电和供应热力袁发电方式是热电联产袁以热定电遥

渊2冤电气主接线遥企业的电力来源院淤外购电力袁由园区变

渊1冤能源审计遥运用现场调查尧现场测试尧数据审核以及盘

锅炉尧化工反应装置及大量的机电设备袁其中机电设备是量大面广的终端耗能大户遥除低压电机设备渊400V冤外袁还有高压渊10kV冤风机15台尧高压水泵57台尧还有空压机遥其装机容量大袁占全厂载荷的70%袁运行时间长袁电能消耗占比高袁这些机电设备的节能是企业节能的重要环节遥

企业采用集中操作控制系统渊DCS系统冤来采集能源数据袁基本实现了能源数据的远程采集遥但只做到了日数据的采集袁未能采集到实时数据袁对于用能变化或异常的响应无法及时袁用能滞后遥此外袁远程采集覆盖不完全袁部分重要能源数据缺失袁造成能源审计分析无法精确尧细致遥同时袁DCS系统没有将用能数据与管理结合袁各分厂设备间缺少能源管理的串联袁信息分散袁能源管理仍较为粗放遥

渊3冤主要用电设备及计量情况遥该企业主要用电设备包括

电站经2路输电线路渊110kV冤输送至厂内曰于厂内热电分厂的2台汽轮发电机渊型号院QF-30-2袁单机装机容量院30MW冤发电遥

厂区内设立有110kV变电站1座尧10kV变电所渊配电室冤

6座遥其中袁110kV变电站作为该厂的电力中枢袁拥有4台主

3.1

3企业的节能诊断

配电网节能诊断

影响企业配电网能效主要因素有变压器损耗尧功率因数尧根据能源审计结论袁企业配电网主要由1座110kV变电

变袁其中2台作为降压变渊总容量100000kVA冤袁2台作为升压变渊总容量80000kVA冤遥高低压侧接线方式均为单母分段并设

谐波尧三相不平衡尧线路损耗等遥

站和6座10kV变电所构成袁其中变压器数量多达29台遥故对于该企业降低变压器损耗是配电网节能分析的主要方向遥以变压器节能为着手点分别对110kV变电站和10kV变电所进行节能潜力分析院

110kV变电站共4台变压器袁经测算袁变压器平均损耗约

置联络开关袁低压侧暨10kV母线的馈线引至下级变电所及宿舍办公区等遥110kV变电站主接线示意图如图1所示遥

10kV变电所渊配电室冤的分布按照靠近主要电力负荷的原

则设立袁各变电所负荷包括高压渊10kV冤设备也包括低压渊380/220V冤设备袁经统计6座10kV变电所渊配电室冤共有25台S11系列配电变压器遥

为1.07%袁设备运行状况较为良好曰10kV变电所共6座袁变电

作者简介院陈贤佳袁福州市节能监测中心硕士袁国家注册一级建造师袁长期从事工业电气节能工作遥

38节能技术ISSN1672-90CN35-1272/TK所的10kV母线侧接入了若干高压用电设备及变压器袁变压器型号主要为S11系列袁其能耗水平良好袁不属于高耗能淘汰变压器遥

对变电站和变电所重要馈线的电能质量进行抽样检测袁叶电能质量公用电网谐波曳尧GB/T153叶电能质量三相电压允许不平衡度曳袁监测结果如表1所示遥

重点检测功率因数尧谐波尧三相不平衡度袁对照国标GB/T149

0.95遥在输送相同有功功率的情况下袁配电网电流下降袁损耗减少遥节省的线损为院

2

琢=

蓸cos1渍2损耗下降率院

1

P驻P=IR=

姨3U-

功率因数遥

式中袁cos渍1为无功补偿前功率因数曰cos渍2为无功补偿后计算得无功补偿后410配电室1#变压器损耗下降率

111衣=14-22cos渍2cos2渍1cos渍1cos2渍窑2cos渍1

蓸蔀蓸蔀窑R窑蓸cos1渍2

21

-

1cos2渍2

蔀渊2冤渊3冤

蔀108%曰2#变压器损耗下降率88%遥治理3种方法遥

渊2冤谐波治理方案遥谐波治理有受端治理尧主动治理尧被动目前工业企业治理谐波主要采用被动治理的无源滤波器

方案遥被动治理袁是指通过外加滤波器来阻碍谐波源产生的谐波注入电网袁或者阻碍电力系统的谐波流入负载端遥无源滤波器渊PPF冤常用的有单调滤波器和高通滤波器袁因其不需要电源

根据监测结果袁110kV和10kV配网的电能质量暨1#主变和2#主变低压侧的电能质量较好袁但变电所低压侧渊380V冤的渊380V冤的功率因数偏低曰LS分厂低压侧母线渊380V冤存在谐波畸变率超国标限值的情况遥

410配电室的1#变压器和2#变压器低压侧母线下所接用电能质量存在部分问题袁例如袁公用工程分厂低压侧母线

配合袁故称为无源遥它们由电力电容器尧电抗器和电阻器组成袁原理是利用电感尧电容元件的谐振特性袁在阻抗分流回路中形成低阻抗支路袁从而减小流向电网的谐波电流袁即将谐波电流吸收消纳遥同时袁无源滤波器有无功补偿功能遥

工程上实用的无源滤波装置一般由1组或数组单调谐滤波器组成袁每组单调谐滤波器调谐于需要滤除的谐波频率上或者谐波频率附近袁对外呈现低阻特性袁从而吸收谐波电流袁使流入交流系统的谐波电流减小袁达到抑制谐波的目的遥

结合成本因素考虑袁305变电所的1#变压器低压侧母线的5次尧7次谐波电流较大袁采用安装2组单调谐滤波器并联的方式进行谐波治理遥

滤波器的无功补偿目标为0.95袁则根据公式QC=茁avP渊tan渍1-tan渍2冤求得无源滤波器的补偿总容量为院QC=208kvar遥

根据5次谐波电流渊I5=101A冤和7次谐波电流渊I7=70A冤的为降低滤波器成本袁应使电容器的容量尽量小遥设定无源

电设备主要为低压热水泵尧低压交流油泵等袁母线上没有装设无功补偿装置遥由于公司目前的热水泵尧油泵等负载率不高袁大量消耗感性无功袁导致变压器低压母线整体功率因数不高袁造成低压侧馈线损耗增大遥拟考虑在1#变压器和2#变压器低压侧母线上加装无功补偿装置进行无功补偿袁提高功率因数遥

LS分厂的变压器低压侧存在谐波电压超国标限值渊5%冤

的情况遥其中305变电所的1#变压器低压侧母线电压畸变率虑对LS分厂的谐波进行治理袁以减少谐波干扰带来的损耗遥

为6.7%袁其5次尧7次谐波电流较大袁分别为101A尧70A遥拟考

据节能分析袁结合国内外先进节能技术袁针对配电网提出如下节能改造方案遥

渊1冤无功补偿节能方案遥针对410配电室的1#变压器低压无功补偿前袁功率因数为0.76袁补偿目标功率因数取

QC=茁avP渊tan渍1-tan渍2冤

比值袁约为3颐2袁确定5次滤波器的补偿容量为125kVar袁7次滤波器的补偿容量为83kvar遥

5次滤波器参数计算院

XC=U=1.28赘

Qn

2

侧无功补偿装置进行选型院

0.95遥根据补偿电容器容量的计算公式院

C=1=2.49mF棕SXC

CXL=X2=0.051赘

n1600kW曰茁av为月平均负载率袁取茁av=0.7袁则院QC=5kvar袁取电抗率k=0.06袁则有院Q=QC伊渊1-k冤=5kvar遥

式中袁P表示变压器装机容量渊有功功率冤袁1变压器P=

#

L=XL=0.16mH棕S

R=姨XCXL=8.5m赘袁Q为品质因数袁取值30遥

QIN=

Qn=180A姨3U电容器组选择相应的标准电容器200kvar电容器3台袁最同理对2#变压器低压侧无功补偿装置进行选型袁确定选

终补偿容量为600kvar袁实际补偿量为院QC=Q衣渊1-k冤=638kvar遥择相应的标准电容器250kvar电容器2台袁最终补偿容量为500kvar遥

对公用工程分厂410配电室的1#变压器和2#变压器低

同理袁计算出7次滤波器参数袁得出305变电所的1#变压器低压侧母线2组单调滤波器的设计参数表2遥

谐波治理可以抑制305变电所的1#变压器低压侧母线的谐波袁从而提高变压器的使用容量和使用效率遥谐波畸变率的

压侧母线无功补偿后袁功率因数分别由0.76尧0.78提升至

39ISSN1672-90CN35-1272/TK节能技术降低还有潜在的经济效益袁可增加用电设备运行的稳定性和安全性遥同时袁滤波装置的投运可提升配电网的功率因数渊由0.87提升至了0.95冤仅此1项袁就可使损耗下降28%遥

回路袁保证风机不停机袁提升可靠性遥一次接线如图2所示遥

旁路开关QF3与变频回路的开关QF1和QF2设置闭锁逻辑袁即只有当QF1和QF2断开时袁QF3才允许合闸遥

节能效果测算院忽略电动机内

部损耗及风机机械损耗袁改造前袁液力耦合器的输出功率为院

式中院P2为液力耦合器的输出

P2=着P1

3.2

机电设备的节能潜力分析主要考虑电机本体效率尧负载渊1冤风机系统节能遥根据现场检查袁该企业内风机配套的

机电设备的节能诊断

功率曰着为液力耦合器的转速比曰P1为电动机输入功率遥

图2

野变频加工频旁路冶一次接线图

率尧系统匹配性尧安装和维护质量等因素遥

改造后袁变频器的调速效率提升袁调速效率达到90%以上遥换算至电动机输入侧的电功率为

P1=P2=着P10.90.9电动机均不属于淘汰电机渊不在国家淘汰电机目录内冤袁部分大型风机采用加装液力耦合器进行调节袁但仍有部分风机采用阀门挡板的方式进行风力的控制和调节遥

由于在风机的设计选型时袁留有裕度袁保留了近15%的风机余量遥采用风门挡板的方式进行风力的控制和调节袁会使得大量的能量消耗在风力挡板阻力上袁造成电能浪费袁设备的磨损也增大遥当负荷较低时袁风门挡板开度较小袁仅在40%左右曰满负荷时袁也不超过85%遥风门挡板调节风量虽然操作简单袁但电动机转速不变袁能耗较大袁应对其进行变速改造遥

采用加装液力耦合器的方式袁可以对风机转速进行调节袁综合效率比风门挡板高袁但其存在调速损耗遥在调速过程中袁液力耦合器的调速效率近似等于转速比咱4暂袁转速比越小调速效率越低袁损耗就越大遥同时袁液力耦合器存在着固定的转差率损耗渊约3%冤袁负载的转速无法达到电机的转速袁最高只能达到电机转速的97%遥转差率以热能的形式损耗在油中遥

以热电厂高压风机为例进行节能潜力分析院

热电厂内安装6台高压风机渊10kV冤袁均为锅炉配套辅助设备遥控制系统采用加装液力耦合器的方式进行风力的控制和调节遥对风机运行情况进行检测袁各风机运行情况见表3遥

节能率或节电率为院

据此式袁推算出热电厂6台高压风机节电量遥结果见表4遥

浊=P1-P1忆=P1-着P1/0.9=1-着P1P10.91139kWh遥按年运行7200h袁则年节电约800万kWh袁节能2400t标煤遥以0.5元/kWh电价计算袁年可节约成本400万元遥的机电设备遥而化工企业中袁循环水泵占比大袁一般达到2/3以上袁其特点是装机容量大尧负载较为稳定尧运行时间长遥

在设计阶段袁循环水泵的选型主要根据工作介质尧流量尧扬程尧环境温度等数据袁选择工作平稳尧寿命长的水泵遥但在实际选型时往往难以做到水泵型号与电动机本体系统的完美结合曰另外袁运行中管网阻力特性的不确定性也对循环水泵的运行产生影响袁造成实际运行工况偏离设计特性曲线袁使得循环水泵运

渊2冤循环水泵节能遥与风机类似袁水泵也是由电动机拖动

由表4可知袁改造后袁平均节电率达23.8%袁每小时节电

表3可得袁检测时袁1#机组的风机转速比偏低袁调速效率低袁可考虑通过变频的方式进行调速袁以提高调速效率遥与液力耦合器相比袁变频器因采用的是电力电子器件袁控制电路功耗低袁调速效率高袁且受转速比影响袁可以实现风机的高效调速节能遥变频器的选型根据配套电动机的运行功率袁控制方案采用野变频加工频旁路冶方式袁即变频器控制回路并列1个开关控制旁路袁目的是在变频器故障或检修时袁可以切换至工频

行效率低袁耗电量增加遥

如图3所示袁选定的循环泵的流量扬程特性曲线是不变的袁其与管性曲线的交点即为水泵工作点遥设计时考虑的工作点Q1应位

图3

循环水泵设计与实际运行

偏差示意图

40节能技术ISSN1672-90CN35-1272/TK于水泵的高效运转区袁但由于在设计阶段袁对管性曲线估计不准确渊往往推算的管网阻力会偏高冤袁实际的管性会浊1下降到浊2袁造成能耗增加遥

造成工作点发生偏移袁而水泵在实际工作点Q2运转时袁效率由

企业内循环水泵较多袁选择公用工程分厂的冷却循环水

对公用工程分厂冷却循环水泵叶轮改造的效果进行评估分析遥改造后袁流量依然保持在4000耀4400t/h袁总管压力基本维持不变袁验证改造前后循环水泵满足生产需求袁同时电机运行的定子温度下降明显遥水泵运行工况见表8遥

泵进行节能潜力分析袁研究循环水泵的效率问题遥

公用工程分厂内的冷却循环水泵共3台袁2用1备遥总设计处理能力为5000t/h袁正常循环水量为3600耀5000t/h遥设备参数及运行工况见表5尧表6遥

改造后功率下降值院驻P=312kW袁节电率院浊=28%遥660t遥按0.5元/kWh的电价计算袁年可节约成本110万元遥3.3

节能管理和用能协调

按照年运行7200h袁则年节电量约220万kWh袁节标煤

化工企业的生产是一个庞大的能源尧物料尧人力等生产资

源的再平衡过程袁生产工序繁杂袁中间产品种类多样袁投入的能源尧物料品种多袁存在较多的能源转化并兼具企业间的能源互供关系袁加上节能装置的交叉袁使得资源特别是能源分配协调的复杂程度和难度大大增加遥过往袁企业内的协调主要采用

从表6可以看出袁流量为额定数值的85%时袁电机的运行功率接近其额定功率袁可见袁大量的有功消耗在克服阀门阻力做功袁而非推动水流有效做功袁水泵运行效率低遥通过相关生产报表的数据统计和分析袁水泵的运行工况点偏离了水泵的高效运行区间袁循环水泵存在工况匹配不合理的问题遥考虑对水泵进行改造袁使之重新运行在高效运行区间遥

循环水泵的改造主要有2种方式院淤变频改造袁通过电机变频改变转速尧流量袁使水泵重新运行在高效区间袁以降低功耗曰于利用目前先进的流体输送高效节能技术重新设计定做高效节能型水泵袁让水泵的运行点与管性尧负载情况高度匹配袁达到最佳运行工况袁降低能耗遥考虑到循环水泵的负载基本稳定袁变频投资成本较高袁选择对循环水泵进行重新设计定做的方式遥

根据公用工程分厂冷却循环水泵的运行工况及系统管性袁使用计算机建立网格计算模型曰通过网格导入袁对运行工况的模拟袁进行流畅分析遥通过对水的流动状态分析袁得出提高泵效率的针对性方法袁采用CFD模拟技术袁寻找出与生产实际更为匹配的水泵袁原驱动电机不变遥

经过模拟计算后定做的水泵叶轮转子袁与旧水泵转子相比袁叶轮直径和叶片角度减小尧叶片前伸减薄袁相邻叶片相互交错袁水力效率得到提升遥改造后的水泵参数见表7遥

本改造方案可以在不影响生产的情况下进行袁具有投资小袁见效快的特点遥

34

人工协调的方式袁即通过试运行积累运行数据袁技术工人根据试运行数据和经验判断生产运行情况袁导致当某部分生产工况渊用能情况冤发生变化时袁能源过于依赖技术工人的经验袁能源协调的可靠性差袁协调动作滞后袁造成能源浪费遥

随着信息技术的发展袁以信息技术作为基础支撑袁建立企业能管中心袁及时尧全面掌握企业生产过程中的能源消耗情况袁通过装设大量的采集和控制设备袁实现对企业生产过程的能源进行在线实时采集尧智能识别用能变化及用能异常尧指导和控制能源投入量的信息化协调方式替代人工协调方式袁将大大提高用能协调的可靠性尧准确性和时效性渊高效冤遥因此袁指导企业建立能管中心袁通过信息化方式实现各分厂能源的同步协调袁可提高能源利用率袁减少能源浪费袁同时提高化工生产的安全性遥参考文献

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