工厂的电能节约

10.工厂的电能节约本章着重简述工厂电能节约的重大意义，然后从工厂供用电系统的科学管理和技术改造两方面分别概述实现工厂电能节约必须采取的一些基本措施，接着介绍电力变压器的经济运行，最后讲述电力电容器的接线、装设、控制、保护及其运行维护问题。§10-1电能节约的意义电能是一种很重要的二次能源。由于电能能与其它形式的能量相互转换容易，输送、分配和控制简单经济，因此电能的应用非常广泛，特别是在工业生产中。能源是发展国民经济的重要物质基础，也是制约国民经济发展一个重要因素。目前，我国能源紧张，主要就表现为电力供应紧张。由于供电不足，致使我国的工业生产能力得不到应有的发挥。国此我国确定把能源建设用为战略重点之一，特别提出要大力加强电力建设，度在加强能源开发的同时，最大限度地提高能源利用的经济效果，降低能源的消耗。从我国能源消耗的情况来看，70%以上消耗在工业部门，所以工业节能是能源节约的一个重点。而电能是能源中最重要和应用最广泛的一种能源，工业用电在全国电能消耗量中又大约占70%以上，因此工厂的电能节约特别值得重视。节约电能，不只是减少了工厂的电费开支，降低了工业产品的生产成本，可以为国家积累更多的资金，更重要的是由于电能能创造若干财富，有力地促进国民经济的发民展，所以节约电能具有十分重要的意义。§10-2工厂电能节约的一般措施要搞好工厂的节电工作，必须大力提高工厂供用电水平，这就需要从工厂供用电系统的科学管理的技术改造两方面采取措施。一、加强工厂供用电系统的科学管理加强能源管理，建立和健全管理机构的制度对于工厂的各种能源（包括电能），要进行统一管理。工厂不仅要建立一个精干的能源管理机构，形成一个完整的管理体系，而且要建立一套科学的能源管理制度。能源管理的基础是能耗定额管理。不少工厂的实践说明，实行能耗的额定管理和节能奖励制度，对开展工厂的节能工作有巨大的推动作用。实行计划供用电，提高能源利用率实行计划供用电，不仅中缓解我国当前能源紧张状况的必要措施，也是促进我国国民经济全面发展的一项必须长期坚持的方针。对地区电网来说，工厂用电要按电区电网下达的指标，实行计划用电，并要采取必要的限电措施。对工厂内部供电系统来说，各车间用电也要接工厂统一下达的指标实行计划用电。由于车间的用电计划又是靠班组的计划用电来保证的，因此各级都加强用电管理，并通过计量，严格考核。对于工厂的非生产用电，也要加强管理，防止浪费。对于职工家庭用电，也应装表计量收费，同时要研究工厂中各种能源的合理利用。实行负荷调整，降低负荷高峰，提高供电能力所谓负荷调整，就是根据供电系统的电能供应情况及各类用户的不同用电规律，合理地、有计划地安排和组织各类用户的用电时间，以降低负荷高峰，填补负荷低谷，充分发挥发、变电设备的潜力，提高电力系统的供电能力，最大限度地满足电力负荷日益增大的需要。负荷高速是一项带全局性的工作，首先电力系统要作全局性的调荷。由于工业用电在整个电力系统中占的比重最大，所以电力系统统调荷的主要对象是工业用户。现在工厂的厂休日互相错开，就是电力系统的调荷措施之一。工厂内部也要大力高速负荷。工厂调荷的办法主要有：①错开各车间的上下班时间、午休时间和进餐时间等，使各车间的高峰负荷分散，从而降低工厂总的负荷高峰；②调整厂内大容量设备的用电时间，使之避开高峰负荷时间用电；③调整各车间的生产班次和工作时间，实行高峰让电，等等。由于降低了负荷高峰，填补了负荷低谷，从而提高了变压器的负荷率和功率因数。因此调整负荷不只是提高了供电能力，而且也是节电的一项有效措施。实行经济运行方式，全面降低电力系统的能耗所谓经济运行方式，就是能使整个电力系统的电能损耗减少、经济效益提高的一种运行方式。例如对于负荷率长期偏低的变压器，可考虑换以较小容量的变压器。如果运行条件许可，两台并列的变压器，可以考虑在低负荷时切除一台。同样地，对负荷率长期偏低的电动机，也可以考虑较电容量的电动机。这样处理，都可以减少电能损耗，达到节电的目的。但是负荷率具体低到多少时才宜于“以小换大”或“以单换双”，就需要通过计算。关于电力变压器经济运行负荷的计算，将在§10-3讲述。加强运行维护，提高设备的检修质量节电工作，与供用电系统的运行维护和检修质量有着密切的关系。例如检修电力变压器。使铁芯过热的故障因故障素消除了，就能降低铁损，节约电能。又如检修电动机，使转子与定子间的气隙均匀或减小，或者减小转子的转动磨擦，也都能降低电能损耗。再如将接头接触不良、严重发热的导线或严重漏电的导线检修好了，这不仅保证了安全供电，而且电能损耗也得以减少。对于其它的动力设施，加强维护保养，减少水、气、热等能源的跑、冒、滴、漏，也能直接节约电能。从广义节能的概念来说，所有节约原材料和保养生产设备的措施，乃至爱护一切物物质财富的行动，都是属于节电节能的范畴，因为一切物质财富，需要能源才能创造出来。所以，要切实作好工厂的节电节能工作，仅依靠少数节能管理人员或电气技术人员是不行的，非动员全厂职工重视不可。只有人人重视节能，时时注重节能，处处做到节能，在全厂上下形成一种节电、节能的新风尚，才能真正开创工厂节电、节能的新局面。二、搞好工厂供用电系统的技术改造（一）逐步更新淘汰现有低效率的供用电设备以高效率的电气设备取代低效率的电气设备，这是节电的一项基本措施，其经济效益十分明显。以电力变压器为例，采用冷轧硅钢片的新型低损耗变压器，其空载损耗比采用热轧硅钢片的老型号变压器要低一倍左右。同是1000kVA（高压10kV）的变压器，采用冷轧硅钢片的新型低损耗SL型变压器，空载损耗为1.8kW，而采用热轧硅钢片的SJL型变压器，7空载损耗为3.9kW,如果用SL型替换SJL型，则一年在变压器空载损耗（铁损）方面就要7节电(3.9—1.8)kW8760h18396kWh，相当可观。又如电动机，新的Y系列电动机与考型号的JO系列电动机相比，则全国一年就可因此节电217106kW4000h0.413/1002.81108kWh，即2.81亿kWh。再如我国近年生产一种涂覆稀土元素荧光粉的新系到节能荧光灯，其9W的照度相当60W普通白炽灯的照度，而使用寿命又比普通白炽灯长2倍以上。假设我国5000万城镇家庭中每家用一个这样的节能灯，平均每天点燃3.5h，则全国一年就可节电(609)103kW3.5h365500010432.6108kWh。即32.6亿kWh。此外，在供用电系统采用电子技术，也可大量节约电能。例如我国某电解铝厂，全部用硅整流器取代旧的汞弧整流器后，一天就可节电21万kWh，全年可节约上万元，节电的经济效益十分显著。改造现有耗能大的供用电设备对耗能大的电气设备进行改造，也是节电的一项有效措施。例如某机车厂一台1000kVA的电力变压器，原采用热轧硅钢片铁芯，空载损耗为6.5kW，后改用冷轧硅钢片铁芯，空载损耗降为2.5kW，结果一年就节电(6.5—2.5)kW8760h35040kWh。又如交流电焊机，加装无负荷自停装置后，平均每台一年可节约有功电能1000kWh，节约无功电能3500kvarh，使功率因数也得到了改善……。由此说明，技术改造可以获得可观的经济效益，不可忽视，利用技术来节约电能，大有可为。改造现有工厂供配电系统，降低线损对现有不同尽合理的供配电系统进行技术改造，能有效地降低线路损耗，节约电能。例如将迂回配电的线路，改为直配线路；或将截面偏小的导一更换为截面稍大的导线；或将绝缘破损、漏电较大的导线予以换新；或在技术经济指标合理的条件下将配电系统升压运行；或者改选配电所所址，或者分散装设变压器，使之更加靠近负荷中心，等等。都能有效地降低线损，收到节电的效果。合理选择供用电设备的容量，或进行技术改造，提高设备的负荷率合理选择设备容量，发挥设备潜力，提高设备的负荷率和使用效率，这也是节电的一项基本措施。例如全理选择电力变压器的容量，使之接近于经济运行状态，这是比较理想的。如果变压器的负荷率长期偏低（低于30%时），。则应按经济运行条件进行考核，适当更换较小容量的变压器。对电动机等用电设备也是一样，轻负荷运行是很不经济的，从节电的观点，也宜换以较小容量的设备。如果长期轻负荷运行的感应电动机，其定子绕组原为△接法，则可改为接法，这样每相绕组承受的电压降为原来每相绕组电压的1/3，即U U /3，从而使定子放置磁场降为原来旋转磁场的13，因此电动机的铁损相(Y)()应减小。但也应注意，此时转矩只有原来转矩的1/3。如果长期轻负荷运行的电动机定子绕组不便改为形，也可以将定子绕组分段改接，如图10-1所示，使电动机定子绕组每相由原来三个并联支路改接为两个并联支路，每段绕组承受的电压只有原来每段电压的2/3，从而使定子铁芯中的磁通减少，铁损降低。如果电动机所带负荷的生产工艺条件允许，还可以将绕线线式电动机的转子绕组改为励磁绕组，使之同步化运行，这可以大大提高高率因数，收到明显的节电效果。（五）采用无功率补偿设备，人工地提高功率因数我国国家标准GB3485-83《评价企业合理用电技术导则》规定，“企业应在提高自然功率因数的基础上，合理装置无功偿设备，企业的功率因数应达到0.9以上”。这里所谓的“提高自然功率因数”，是指不添置任何无功补偿设备，只采用各种技术措施（如前所述）减少供用电设备无功功率的消耗量，使功率因数提高。提高自然功率因数，不需额外投资，因此应优先考虑。进行无功功率人工补偿的设备，主要有同步补偿机和并联电容器。同步补偿机是一种专用来改善功率因数的同步电动机，通过调节其励磁电流，可以起到补偿系统无功功率的作用。并联电容器，又称移相电容器，是一种专用来改善功率因数的电力电容器。由于并联电容器与同步补偿机相比，因并联电容器无旋转部分，具有安装简单、运行维护方便、有功损耗小以及组装灵活、扩建方面等优点，所以并联电容器在一般工厂供电系统中应用最为普遍。但是电容器损坏后不便修复以及从电网切除后有危险的残余电压存在等缺点（残余电压可通对经三级及以上变压的工厂，可取K0.1~0.15q二、一台变压器运行的经济负荷计算变压器的损耗包括有功损耗和无功损耗两部分，而无功损耗对电力系统来说也相当于接K换算的有功损耗。因此变压器的功损耗加上变压器无功损耗所换算的等效有功损耗，q就称为变压器有功损耗换算值。一台变压器在负荷为S时的有功损耗换算值为SPPKQPP()2KQ()2q T 0 kS q NSN NS即PPKQ(PKQ)()2（10-1） 0 q 0 k q NSN式中P——变压器的有功损耗；TQ——变压器的无功损耗；TP——变压器的空载损耗；0P——变压器的短路损耗；kQ——变压器空载时的无功损耗，按式（2-36）计算；0Q——变压器额定负荷时的无功损耗增量，按式（2-37）计算；NS——变压器的额定容量。N要使变压器运行在经济负荷S下，就必须满足变压器单位容量的有功损耗换算值ecTP/S为最小值的条件。因此令d(P/S)/ds0，可得变压器的经济负荷为PKQSS0q0（10-2）ecTNPKQ k q N变压器经济负荷与变压器额定容量之比，称为变压器的经济负荷系数或经济负荷率，用K 表示，即ecTPKQK 0 q 0（10-3）ecT PKQ k q N一般电力变压器的经济负荷率为50%左右。例10-1试计算SL—800/10型变压器的经济负荷及经济负荷率。7解查附录表4得SL—800/10型变压器的有关技术数据：7P1.5kW,P9.9kW，I1.7，U%4.5。0 k 0 Z由式（2-39）得Q8000.017kavr13.6kvar0由式（2-40）得Q8000.045kavr36kvarN取K0.1。由式（10-3）可得此变压器的经济负荷率为q1.540.113.6 K 0.46 ecT 9.90.136故此变压器的经济负荷为 S 0.46800kVA368kVAecT三、两台变压器经济运行的临界负荷计算假设变电所有两台同型号同容量（S）的变压器，变电所的总负荷为S。一台变压器N单独运行时，它承担总负荷S，因此由式（10-4）可求得真有功损耗换算值为SPPKQ(PKQ)()2 1 0 q 0 k q N SN两台变压器并列运行时，每台承担负荷S/2，因此由式（10-1）可求得两台变压器的有功损耗换算值为S P2(PKQ)2(PKQ)( )2 Ⅱ 0 q 0 k q N 2SN将以上两式P与S的函数关系绘成如图10-2所示两条曲线，这两条曲线相义于a点，a点所对应的变压器负荷，就是变压器经济运行的临界负荷，用S表示。cT当SS＜S时，则因，P＜P故宜于一台运行；cT Ⅰ Ⅱ当SS＜S时，则因P＜P，故宜于两台运行。cT Ⅰ Ⅱ当SS时，则PP，即cT Ⅰ ⅡPKQ)2(PKQ)(S/2S)2 0 q 0 k q N N总的投资较大，且电容器组在用电设备停止工作时，总的投资较大，且电容器组在用电设备停止工作时，它也一并被切除，因此其利用率降低。这种单独就地补偿特别于负荷平稳、经常运转而容量又大的设备如大型感应电动机、高频电炉等采用，也适于容量虽小但数量多且是长期稳定运行的设备如荧光灯等采用。图10-7是直接接在电动机旁边的单独就地补偿的低压电容器组电路图。这种电容器组通常就利用用电设备本身的绕组电阻来放电。在工厂供电设计中，实际上多是综合采用上述各种补偿方式，以求经济合理地达到总的补偿要求，即工厂电源进线处在最大负荷时功率因数不低于规定值（高压进线为0.9）。电业部门收取电费，则一般是按月平均功率因数来调整的，如工厂的月平均功率因数低于0.85，则要适当加收电费；如高于0.85，则适当减则电费。三、电力电容器的控制并联补偿的电容器有手动投切和自动控制两种方式。（一）手动投切的并联补偿电容器并联电容器采用手动投切的控制方式，具有简单、经济、便于维护的优点，因而应用十分普遍。下列情况一般适于采用手动投切的并联电容器：（1）补偿低压基本无功功率（即设备正常运行时所需的最小无功功率）的电容器组；（2）补偿常年稳定的无功功率的电容器组；（3）补偿长期投入运行的变压器及变配电所内投切次数较少的高压电动机的电容器组。并联电容器手动投切的方式是：器组。并联电容器手动投切的方式是：对集中补偿的高压电容器组，如图10-5所示。利用高压断路器进行手动投切。对集中补偿的低压电容器组，可按补偿容量分组投切。图10-8a是利用接触器进行分组投切的电容器组，图10-8b是利用低压断路器进行分组投节的电容器组。对单独地补偿的电容器组，如前面图10-7所示，利控制用电设备的断路器或接触器进行手动投切。（二）自动控制的并联补偿电容器采用自动控制的并联补偿电容器（简称自动无功补偿装置）可以达到较理想的无功补偿要求，但投资较大，且维修比较麻烦，因此凡不用自动补偿或采用自动补偿效果不大的地方，均不宜装设自动无功补偿装置。适于采用自动无功补偿装置的情况有以下几种：（1）为了避免过补偿（即补偿后平均功率因数角超前，这种情况规定要罚款），考虑装设自动无功补偿装置在经济上合理时；（2）为了避免在轻负荷时电压过高，造成某些用电设备损坏，而考虑装设自动无功补偿装置在经济上合理时；（3）为了满足在所有负荷情况下都能改善电压偏移，考虑只有装设自动无功补偿装置才能达到要求时。由于高压电容器采用自动补偿时对电容器电路中的切换元件要求较高，价格较贵，而且我国目前有的产品质量尚不稳定，因此GBJ52修订本特别规定：在采用高、低压自动补偿装置效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。低压自动补偿电容器的原理电路如图10-9所示。电路中的功率因数自动补偿控制器按电力负荷的变化及功率因数高低，以一定的时间间隔（10～15s），自动控制各组电容器回路中接触器KM的投切，使电网的无功功率自动得到补偿，保持功率因数在0.95以上，而又不致过补偿。四、电力电容器的保护四、电力电容器的保护（一）电力电容器保护的一般要求并联补偿的电力电容器主要的故障形式，是短路故障，它可造成电网相间短路。对于低压电容器和容量不超过400kvar的高压电容器，可装设熔断器来作电容器的相间短路保护，对于容量较大的高压电容器，则需采用高压断路器控制，装设瞬时或短延时的过电流继电保护来作相间短路保护。如前§10-3讲述高次谐波的影响时所说，含有高次谐波的电压加在电容器两端时，可使电容器发生过负荷现象。因此凡安装在大型整流设备和大型电弧炉等附近的电容器组，如果没有限制高次谐波的措施而可能导致电容器过负荷时，宜装设过负荷保护，发出过负荷信号警报。电容器对加在它两端的电压是相当敏感的，一般规定电网电压不得超过其额定电压10%。因此凡电容器装设处的电压可能超过其额定电压10%时，宜装设过电压保护，以免长期过电压运行引起其使用寿命缩短或介质击穿而损坏。过电压保护装置可发出警报信号，或带3～5min延时跳闸。（二）电力电容器短路保护的整定在整定电容器的过电流保护装置时，必须注意，保护装置一定要躲过电容器的合闸涌流。采用熔断器保护电力电容器时，其熔体额定电流应按下式计算：CNNFEIKI（10-8）式中CNI——电容器的额定电流；K——系数，对于高压跌开式熔断器，取1.2～1.3；对于限流式熔断器，当为一台电容器时，取1.5～2.0，当为一组电容器时，取1.3～1.8。采用电流继电器作相间短路保护时，（接线图6-25所示），其动作电流应按下式计算：CNirelOPIKKKI（10-9）式中relK——保护装置的可靠系数，取2～2.5；K——保护装置的接系数；K——电流互感器的变流比，考虑到电容器的合闸涌流，互感器一次电流宜i选为电容器额定电流的2倍左右。电容器过电流保护的灵敏度，应按电容器端子上发生两相短路的条件来检验，即KI(2)Skmin2（10-10）P KIi op式中I(2)——系数最小运行方式下电容器的两相短路电流，I(2)0.866I(3)。k,min kmin kmin五、电力电容器的运行维护（一）电力电容器的投入的运行维修电力电容器在供电系统正常运行时是否投入，主要要看供电系统的功率因数或电压是否符合要求而定。如果功率因数过低，或者电压过低时，则应投入电容器，或增加电容器的投入量。电力电容器是否切除或部分切除，也要看系统的功率因数或电压情况而定。如变配电所母线电压偏高（如超过电容器额定电压1.1倍）时，则应将电容器切除。当发生下列在一情况时，应立即切除电容器：电容器爆炸。接头严重过热。套管内络放电。电容器喷油或燃烧。环境温度超过40C。如果变配电所停电时，电容器也应切除，以免突然来电时，母线电压过高，超过了电容器长期运行的电压值。在切除电容器前，须从外观（如仪表指示或指示灯）检