制鹽企業(yè)的節(jié)電原理分析

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本文作者：龔炳林、張國(guó)華 單位：中鹽江西蘭太化工有限公司、中鹽新干鹽化有限公司

真空制鹽企業(yè)是當(dāng)今機(jī)械化、自動(dòng)化程度比較高的制鹽生產(chǎn)廠家，也是電力消耗較大的工業(yè)企業(yè)。由于它是熱電聯(lián)產(chǎn)，自備了汽輪發(fā)電機(jī)組，并處于系統(tǒng)中連續(xù)運(yùn)行，如何通過精心調(diào)整，合理操作以實(shí)現(xiàn)制鹽生產(chǎn)全過程的最佳運(yùn)行，盡可能地提高發(fā)電出力，同時(shí)采用切實(shí)可行的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)，節(jié)約用電是制鹽企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益重要途徑。

1降低線路損耗

電能是通過電氣線路來傳輸?shù)模€路可由不同類型的金屬導(dǎo)線構(gòu)成。導(dǎo)線是導(dǎo)體，但其本身又具有一定的阻抗，必然帶來電能損耗的問題。其線路損耗功率為△P=I2R，式中的R為線路電阻。

由導(dǎo)線電阻計(jì)算公式R=ρ•L/S可知，不同類型的材料由于其電阻率ρ的數(shù)值不同，其電阻大小也就不相同。工廠常用材料中，銅的ρ值小于鋁的ρ值，應(yīng)提倡以銅替代鋁，盡可能地采用銅材料來做導(dǎo)線;其次，電阻的大小與導(dǎo)線長(zhǎng)度L成正比，說明電源點(diǎn)與負(fù)載的距離要合理選擇、布局，盡量縮短線路長(zhǎng)度;電阻與導(dǎo)線截面積S成反比，說明對(duì)某一固定負(fù)載應(yīng)盡量采用截面積大的導(dǎo)線，或?qū)⒃行〗孛娴膶?dǎo)線改為大截面的導(dǎo)線，這樣可以減小它的電阻值。

線路損耗功率△P=I2R還說明，損耗功率△P與線路電流I的平方成正比，而對(duì)三相交流線路而言，P槡=3VIcosφ，其中P為線路輸送的總功率，V為三相線路的線電壓，I為每相的電流，cosφ為功率因數(shù)。在P一定時(shí)，V越大，cos值越大，則I越小，也即△P=I2R也就越小。因此，提高線路電壓和cosφ是行之有效的。在選擇電壓等級(jí)時(shí)，盡量選用較高一點(diǎn)的，并且千方百計(jì)將cosφ提高。因此降低線路損耗的有效措施是選用電阻率小的材料、增大材料截面積、提高線路電壓和提高用電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2合理選用變壓器

變壓器是提供工廠電源的電氣設(shè)備，它在進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的同時(shí)，自身也消耗了許多電能，因此，如何選擇和使用變壓器也是節(jié)電的重要方面，變壓器的電能損失計(jì)算公式為:有功損耗△WP=P0T•t+△PCU．N．T(Se/SNT)•τ無功損耗△WQ=△QOT•t+△QN．T(Se/SNT)•τ式中:t———變壓器投入運(yùn)行時(shí)間，h;τ———最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，h;△P0T———變壓器空載有功功率損失，kW;△PCU．N．T———變壓器在額定負(fù)載下的銅耗，kW;△QOT———變壓器空載無功功率損失，kvar;△QN．T———變壓器在額定負(fù)載下，無功功率損失增量，kvar△P0T、△PCU．N．T、△QOT、△QN．T可根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，也可以由產(chǎn)品目錄中的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)查出。

由此可知，變壓器能量損失不可忽略，在選用變壓器時(shí)應(yīng)采用低損耗的節(jié)能變壓器，用新型(如目前的S9系列)節(jié)能變壓器逐步取代高能耗的老式變壓器;變壓器的容量選擇對(duì)能耗關(guān)系極大，對(duì)某一負(fù)載而言，不同容量的變壓器給它供電，則負(fù)載率將發(fā)生變化，變壓器容量、負(fù)載率、功率因數(shù)和運(yùn)行效率之間有著密切的關(guān)系。由理論分析和實(shí)際運(yùn)行計(jì)算可知，當(dāng)負(fù)載率為0．56和0．42時(shí)效率最高。另一方面又要考慮電費(fèi)因素的影響，還應(yīng)依據(jù)目前供電部門電費(fèi)收取標(biāo)準(zhǔn)中按變壓器額定容量計(jì)算基本電費(fèi)的因素來全面考慮選擇變壓器容量。這樣才能使變壓器運(yùn)行在高效率范圍內(nèi)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3科學(xué)推廣無功補(bǔ)償

交流電路中的無功功率雖不直接做有用功，但它是電磁能量交換中必不可少的因素，電力系統(tǒng)中的大多數(shù)負(fù)載是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，屬電感性負(fù)載，它的功率因數(shù)較低，這樣就使得電力系統(tǒng)中必須有足夠的無功來進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換，過大的無功造成了電路中的總電流增大，使線路損失(△P=I2R)增大，并且也降低了電氣設(shè)備的利用率。為了提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，必須進(jìn)行無功補(bǔ)償，以減少線路損失，提高設(shè)備利用率。制鹽企業(yè)通常采用并聯(lián)電容器和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁來進(jìn)行無功補(bǔ)償，收效較大。現(xiàn)以單相電路為例來進(jìn)行分析，如圖1、圖2所示。圖1中的R1、X1為線路的電阻和電抗，R、X為負(fù)載的電阻、電抗。

在補(bǔ)償前，即未并聯(lián)電容C:電流I=VR1+R+X1+X，也就是I1，它滯后電壓V一個(gè)角度;補(bǔ)償后I•=I•1+I•C，其中IC為電容電流，超前電壓V一個(gè)90°角，由矢量合成，得到的I顯然比I1小，由此推導(dǎo)得出，補(bǔ)償電容C的計(jì)算公式:C=P2×3．14fV2(tgφ1－tgφ)式中:P———電流向負(fù)載供給的有功功率，W;V———系統(tǒng)電壓，V;f———系統(tǒng)頻率，Hz;φ1———補(bǔ)償前負(fù)載的阻抗角;φ———補(bǔ)償后系統(tǒng)的阻抗角;C———補(bǔ)償電容，μF。制鹽企業(yè)中，還可用調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來改變輸出的無功功率以適應(yīng)負(fù)載需要，這時(shí)計(jì)算補(bǔ)償?shù)臒o功出力QC為:QC=P(tgφ1－tgφ)也就是把功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ所需要的無功功率。由于并聯(lián)電容和采用調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功輸出能減小系統(tǒng)中的總電流，也就能減少線路的有功、無功電耗，又能減少變壓器的損耗，提高其利用率，因此無功補(bǔ)償是重要的電氣節(jié)能措施。

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)各企業(yè)的線路布局，合理地選擇調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁與并聯(lián)電容(可根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)地分析計(jì)算，靈活地選擇高、低壓集中補(bǔ)償、低壓分組補(bǔ)償、低壓就地補(bǔ)償?shù)群侠淼难a(bǔ)償方式)，并且采用自動(dòng)補(bǔ)償與手動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的辦法，做到恰到好處，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳功率因數(shù)運(yùn)行，最大限度地降低有功和無功電力損耗。

4采用變頻調(diào)速裝置

在制鹽企業(yè)，普遍采用泵與風(fēng)機(jī)來確保生產(chǎn)工藝過程的正常進(jìn)行，這些設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)必須根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)以往是采用傳統(tǒng)的節(jié)流方法來進(jìn)行，就是通過改變?cè)O(shè)在泵(或風(fēng)機(jī))出口(或進(jìn)口)管路上的節(jié)流調(diào)節(jié)閥門(或風(fēng)門)的開度來實(shí)現(xiàn)的。以泵為例，其調(diào)節(jié)特性曲線如圖3所示。若泵的工作點(diǎn)選在A點(diǎn)時(shí)的效率最高，流量Q為100%額定值，壓力為H1，此時(shí)的軸功率P1與面積AH1OQ1成正比;當(dāng)流量由Q1減小到Q2時(shí)，必須通過減小閥門開度，增加管網(wǎng)阻力的方法來實(shí)現(xiàn)。這時(shí)管網(wǎng)特性曲線由R1變成R2，泵的工作點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)，這時(shí)壓力上升為H2，軸功率P2與面積BH2OQ2成正比。經(jīng)理論推導(dǎo)和實(shí)踐驗(yàn)證，這種調(diào)節(jié)時(shí)泵的消耗功率(近似為軸功率，下同):PA=PN［0．4+0．6(Q/QN)］式中:PN———泵在額定工效時(shí)的消耗功率;QN———泵的額定流量;Q———泵的實(shí)際流量。假設(shè):Q/QN=50%，則PA=0．7PN。

若改掉傳統(tǒng)的閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，而采用調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行，情況就不一樣了，如圖4所示。若Q仍為100%額定值，當(dāng)流量由Q1減小到Q3時(shí)，采用將泵的轉(zhuǎn)速由n1降低到n2［根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=60f(1－s)/P可知，改變頻率f(即變頻)，是最常用最有效的調(diào)速方法］，此時(shí)泵的出口閥門全開(即未改變其開度)，也就是未增加管網(wǎng)阻力，管網(wǎng)特性曲線R1維持不變，結(jié)果泵的工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到C點(diǎn)，壓力下降至H3，軸功率P3與面積CH3OQ3成正比，它比原軸功率P1(與面積AH1OQ1成正比)明顯減小。據(jù)理論推導(dǎo)，轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，流量Q、揚(yáng)程(壓力)H、泵的消耗功率即軸功率P的變化關(guān)系式為:Q1/Q2=n1/n2，H1/H2=(n1/n2)2，P1/P2=(n1/n2)3，即PC=PN(Q1/Q2)3，其中PC是采用變頻調(diào)速方法后，泵的消耗功率。

因此采用變頻調(diào)速方法后，節(jié)約的功率為△P=PA－PC，將PA、PC代入式中得:P=PN［0．4+0．6(Q/QN)－(Q/QN)3］，同樣假設(shè)Q/QN=50%，則PC=0．125PN，則△P=PN［0．4+0．6(Q/QN)－(Q/Q3)3］=0．575PN，如圖5所示的陰影部分的面積即為節(jié)電功率△P部分。顯然，這種變頻調(diào)速方法的節(jié)能效果相當(dāng)明顯。在制鹽企業(yè)中，變頻調(diào)速裝置被廣泛應(yīng)用于鍋爐(或制鹽)送、引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、給水泵、軟化水泵、給煤機(jī)、工業(yè)清水泵、制鹽進(jìn)料泵等設(shè)備的調(diào)節(jié)，并適當(dāng)與自動(dòng)化儀表及微機(jī)相結(jié)合，組成DCS集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的微機(jī)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，效果較好。

5使用智能通用節(jié)電器

近年來，一種適用于工礦企業(yè)所有電源系統(tǒng)的智能型通用節(jié)電裝置正在逐步引入制鹽企業(yè)。這種節(jié)電器采用高科技的瞬流抑制專用快速開關(guān)元件組合而成，可有效地過濾電網(wǎng)電路中的瞬流、浪涌和諧波成份，保護(hù)末端設(shè)備不受其影響和損壞;并能減少由此而引起的用電設(shè)備的能耗增加，提高整個(gè)系統(tǒng)的用電效率，具有節(jié)電和保護(hù)的雙重功能。它的主要節(jié)電方式為:

(1)緩沖節(jié)電。由于瞬變會(huì)導(dǎo)致電能表對(duì)一個(gè)系統(tǒng)總的用電量的過度計(jì)量，其過度的最高幅度可達(dá)30%。這種節(jié)電器的應(yīng)用，從兩個(gè)方面切斷瞬變對(duì)電能表的階躍式?jīng)_擊:一是堵截外部的來路，二是切斷內(nèi)部的回路。它能使電能表的計(jì)量復(fù)歸正常，用多少電，就計(jì)量多少。

(2)是降溫節(jié)電。由于瞬變的影響，鐵芯材料過度的磁滯會(huì)使電流損失增加，這就引起感性負(fù)載，尤其是電氣設(shè)備的溫度上升，用電效率下降，并且還將影響這些設(shè)備的使用壽命，增加維修成本。采用這種節(jié)電器能使三相火線之間、火線與零線的電壓抑制在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，有效地控制了過電壓，保護(hù)了用電設(shè)備的安全。

(3)清潔節(jié)電。由于瞬變會(huì)使開關(guān)裝置及其接觸性器件上造成氧化性碳膜層。如在電機(jī)的接觸器上，每1Ω阻抗的氧化性碳膜層的生成和存在，可使電機(jī)的效率損失13%;一般用電設(shè)備的瞬變發(fā)生的頻次為40000次/h，瞬變的持續(xù)時(shí)間為100μs，而這將導(dǎo)致8．05%的線路電耗的增加。這種節(jié)電器，會(huì)使接觸器及電路中的氧化性碳膜層不再生成，接觸器觸頭表面已形成的氧化性碳膜層逐步自行剝落，舒緩阻滯，從而有效提高系統(tǒng)的用電效率。

6改交流接觸器為無聲運(yùn)行

交流接觸器是工廠電力拖動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的電器，其線圈內(nèi)通以交流電，不可避免地要產(chǎn)生交流噪聲，并且消耗電能。改交流接觸器為直流無聲運(yùn)行方案，既能消除噪音，有利于現(xiàn)場(chǎng)工人的身心健康，又能節(jié)約能源消耗，一舉兩得。

以常規(guī)的直接啟動(dòng)電路為例，如圖6所示為最基本的直接啟動(dòng)電路，它啟動(dòng)運(yùn)行后，接觸器KM線圈一直是承受全交流電壓，耗電較大。若設(shè)計(jì)一種電路，使接觸器線圈在啟動(dòng)瞬間承受100%的全交流電壓，但在啟動(dòng)完成后，正常運(yùn)行時(shí)，使線圈承受較低的直流電壓維持可靠吸合，這樣比承受100%交流電壓時(shí)就要減少較多的耗電。圖7是自行設(shè)計(jì)的一種典型的無聲運(yùn)行電路，電路中增加的二極管D1，D2和電容C即能實(shí)現(xiàn)這種功能，使交流接觸器全壓?jiǎn)?dòng)，低壓直流無聲運(yùn)行。經(jīng)實(shí)踐證明，它能節(jié)能90%以上。如CJ10—60的交流接觸器原來耗“有功”260W、“無功”100W，經(jīng)改造后，僅耗“有功”8W，“無功”不但不消耗，還可以向外輸出450W，僅一臺(tái)這樣的接觸器全年可節(jié)電2200kW•h，且延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，而改造費(fèi)用僅200元/臺(tái)，效益相當(dāng)可觀。

7消除三相負(fù)載不平衡

在低壓供電系統(tǒng)中，普遍采用三相四線制供電，除車間動(dòng)力負(fù)載為三相電動(dòng)機(jī)外，還有一些如照明、電熱、電焊、電解、單相機(jī)車等單相負(fù)載，如果它們以不平衡的方式接入三相四線系統(tǒng)中，勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)三相電壓不平衡，并使中性線電流過大，這樣就使得某些相的設(shè)備工作不正常，利用率不高且損耗增大，自備的汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電出力也因?yàn)槿嗖黄胶舛兴档?中性線電流過大，使配電變壓器運(yùn)行溫度升高，長(zhǎng)期運(yùn)行可能使絕緣材料受損，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀變壓器;另外，由于中性線電流的過大，可能使中性線本身受損或接頭接觸不良，產(chǎn)生斷線，使中性點(diǎn)漂移，造成三相電壓極不平衡的惡性循環(huán)，威脅單相設(shè)備的安全運(yùn)行。因此調(diào)整三相負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)平衡運(yùn)行具有十分重要的意義。

8盡可能采用直接啟動(dòng)

制鹽企業(yè)中使用的設(shè)備拖動(dòng)電機(jī)的控制方式有直接啟動(dòng)和減壓?jiǎn)?dòng)，直接啟動(dòng)具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn);減壓?jiǎn)?dòng)雖能有效地減少啟動(dòng)電流，某種程度上對(duì)電機(jī)有利，但由于它啟動(dòng)時(shí)本身的減壓線圈接在線路中，要消耗一定的電能，并且由于它的線路復(fù)雜、元器件多，從而造成故障機(jī)會(huì)多，常由于時(shí)間控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作失靈而造成啟動(dòng)后不能轉(zhuǎn)入運(yùn)行，使減壓線圈不能及時(shí)退出，長(zhǎng)期運(yùn)行而燒毀，不但損壞設(shè)備而且影響生產(chǎn)釀成更大的損失。因此，對(duì)制鹽生產(chǎn)中各設(shè)備的啟動(dòng)方式，要因地制宜合理進(jìn)行選擇，在變壓器容量允許時(shí)，對(duì)160kW以下電機(jī)在啟動(dòng)負(fù)載不很重的情況下，最好是采用直接啟動(dòng)方式，這樣能較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

9結(jié)語

節(jié)能是企業(yè)永恒的主題。如何通過加強(qiáng)管理和技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益是每個(gè)企業(yè)都在積極探索的重大課題。以上電氣節(jié)能方法證據(jù)確鑿，邏輯性強(qiáng)，且歷經(jīng)制鹽企業(yè)多年的實(shí)踐證明切實(shí)可行，節(jié)電效果顯著，是目前電氣節(jié)能的最佳方案。隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，企業(yè)的進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，必將引進(jìn)和推出更多更好的電氣節(jié)能新方法，制鹽企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將越來越好。