浅谈电气节能综合解决方案

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　　 摘要本文分析总结了以电力系统节能、工业节能、道路照明节能及商业楼宇节能等各种节能措施，探讨了各种节能方法，为各行业管理人员及技术人员进行节能提供了综合解决方案。
　　 关键词电力系统节能 电能质量治理 工业节能 道路照明节能 商业楼宇节能
　　 当前，能源和环境成为我国可持续发展的重大课题。为把我国建设成资源节约型环境友好型的社会主义社会，我国政府在“十一•五”规划中就提出了单位国民生产总值能耗降低20%、主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。电力和照明节能是电气行业资源节能的重要组成部分，具有重大意义。为推动节能减排工作的顺利实施，本文就电力系统节能与电能质量治理、工业节能、道路照明节能、商业楼宇节能等方面介绍节能综合解决方案，供各行业管理人员及技术人员参考。
　　
　　 1、电力系统节能
　　 1.1 电力系统节电潜力巨大
　　 目前，我国能源生产和消费仅次于美国，位列世界第二，但国民生产总值却排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。据不完全统计国内各类风机约800万台，水泵4000万台，空压机600万台。在此类负载中，80%左右容量由大中型电机恒速驱动。因此，研究大中容量电机调速节能技术对于中国工业降低单产能耗具有重要意义。此外，在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业改造和高速列车等现代交通工具中也需要使用大容量电机调速系统，以提高系统性能和生产效率。
　　 全国电动机装机总容量已达5亿多kW，年耗电量达15000亿kWh，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%；其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kWh，占全国总用电量40%左右。70%以上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5%左右调速运行。若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，则可改造容量达1亿kW，其中40%为中高压电机，容量占60%。若按电机平均出力为60%，年运行4000h，平均节电率为20%～30%（平均20%）计算，则年节电潜力为480亿kWh，整个电机系统的节电潜力约为1000亿kWh。
　　 近年来国内低压变频器市场逐渐进入稳定阶段，变频器生产应用开始转移向高压变频器领域。电动机系统节能工程是国家发改委启动的“十一•五”国家十大重点节能工程之一，节能空间巨大。专家预测，在未来的三年，高压变频器市场将高速发展。由于中国经济的高速发展，发电装机仍以高速发展。但电力运行的一些主要指标和装备指标与发达国家相比仍有很大差距，如火电机组的平均煤耗较高、厂用电率较高。加上线损，中国送到用户的电能要比发达国家多耗电8～10%，相当于20多个百万大厂的年发电量。因此，中国的节能空间十分巨大。
　　1.2 中高压电力系统节能综合解决方案
　　 全方位的节能解决方案思路为变频调速、谐波滤除、无功补偿以及自动控制一体、提升设备使用效率、电网传输效率等。可以实现提升生产产能、提高产品质量；提升末端设备运行的可靠性；节约电能、保护环境；保护设备安全运行；用户侧配电系统自动增容扩容；纯净用电环境、提升电能效率。
　　 1. 基本特点
　　 基于时域变换的电流检测算法非常灵活，可以方便地检测出基波有功无功、基波正序负序、基波零序、基波正序有功、指定次谐波等。适合对快速变化负载进行全方位补偿的能效管理，从而保证能效管理系统的多种补偿需求、大大提高系统的动态性能。
　　 2. 性能特点
　　 实时采集电力系统数据，实现自适应动态在线监测。改善电力品质因数，对电能进行无功补偿的和连续的无功调节，可将功率因数强制补偿到0.95以上，补偿后的三相电压不平衡度在国家标准允许内，具有节能与环保的双重功效。
　　 对谐波、浪涌冲击、闪变、电压波动、频差等诸多电能质量问题同时进行改善，减少能源的附加损耗，从而有效提高电能质量。
　　 3. 适用范围
　　 适用于电力、冶金、轻工、建材、纺织、化工、机械等行业的供电系统的节能、电能质量改善及电能监控管理。例如洛阳轴研科技股份有限公司用电系统是一个生产性用电系统，主要设备有空压机、车床、空调、加热炉、锻压设备等，产生的谐波、浪涌较为严重，整个系统效率较低。通过节电设备对整个用电系统进行布控改造。改造后整体节电效率达9%以上，有效降低设备维护率、延长设备寿命。
　　
　　2、电能质量治理
　　2.1 中国电能质量现状
　　1. 工作中经常会碰到的电能质量问题：
　　・ 电脑死机
　　・ 屏幕频闪
　　・ 灯光频闪
　　・ 在负载适中情况下的变压器过热现象
　　・ 感应电动机的额外损耗、发热增加
　　・ 集肤效应所引起的导线过热
　　・ 工艺控制装置（PLC）的不正常运行
　　・ 数据网络堵塞
　　・ 功率因数补偿设备生成额外的电压或者电流
　　・ 特殊（长）线路或投切重负载时导致更高的电压扰动
　　・ 中性线过载
　　・ 保护装置的误跳闸
　　・ 程控交换设备的故障率增高
　　・ 数控机床控制部分的频繁损坏
　　・ 磁盘矩阵损坏，重要数据丢失
　　 2. 当前，对供电质量及供电可靠性的要求越来越多，电能质量受到人们的日益重视。例如：工业生产中的大型生产线、通信系统、机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，上述用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，这些谐波电流注入公用电网将会污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。
　　 3. 近年来，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，上世纪计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。因此，受谐波电流污染的公用电源干扰设备正常运行影响人们的正常生活和生产秩序，造成严重经济损失。
　　2.2 电能质量不良的产生原因主要有电源本身谐波和非线性负载。谐波危害的主要后果有：污染公用电网、变压器发热、输电功耗增加等。谐波使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。高次谐波会使电缆线路形成谐波谐振，造成绝缘击穿。
　　 2.3 电能质量治理解决方案
　　 采用最新的动态抑制谐波和补偿无功技术，通过并联的方式，对频率大小、相位变化的谐波和无功进行补偿，实时检测负载的谐波和无功分量。采用PWM调制技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，实现滤除谐波、动态补偿无功的功能，是一种能治理各种电能质量问题的理想方案。
　　 1. 基本原理
　　 用电流互感器采集网侧线路上的电流信号，经A/D采样，将所得到的电流信号与标准的基波电流信号进行对比，比较得出的PWM调制信号，使变流器产生与谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。向电网注入或吸收需补偿的谐波和无功电流，保证系统补偿电流的有效输出，从而使电网电能质量得到改善。

　　 2. 性能特点
　　 改善能源的品质因数，具有节能与环保的双重功效。显示负载及设备运行的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等一系列数据。
　　 3. 适用范围
　　 适用于电力、冶金、轻工、建材、纺织、化工、机械等行业的供电系统的节能和电能质量改善。例如河南中迈碳素股份公司厂区的电动机损耗现象严重，功率因数低，导致大量电能浪费。通过对整个用电系统进行电能治理，个别终端设备加装控制装置。改造后综合节电率达20%以上，节电效果良好。
　　
　　3、工业节能
　　 3.1 工业企业电费为主要成本之一
　　 工业企业是我国能源消费的大户，能源消费量占全国能源消费总量的70%左右。其中钢铁、有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸等九大重点耗能行业，其用电占整个工业用电的60%以上，但单位能耗平均却比国外先进水平高出40%。大大影响企业利润。在工业企业的各项成本中，电费已成为紧随物料成本、人工成本之后的最大成本，对某些高耗能产品，电费成为主要成本。
　　 3.2 工业用电能源浪费巨大
　　 3.2.1 供配电系统运行效率低。
　　 1. 变压器及配电线路配置不合理
　　 工厂供配电系统中能耗最多的是电力变压器及配电线路。由于市场需求和生产工艺的改变，往往出现按设计配置的电力变压器容量与实际负荷不相匹配的情况，例如变压器容量过大、负载率低、变压器损耗大；配电线路截面和长短不合理、不规范，也导致线路损耗大幅度增加。
　　 2. 设备配置不合理，“大马拉小车”情况严重
　　 国内工业企业用电设备多为满负荷设计，额定功率普遍偏大，实际运行效率低，占我国工业用电总量60%～70%的电机，通常的使用效率不到75%，“大马拉小车”与低负荷运行的情况相当普遍。在此状态下，电机消耗的电能中有相当部分是以发热、铁损、铜损、噪音与振动等形式被浪费掉。
　　 3. 用电设备及线路陈旧老化致使运行效率低、耗电多
　　 4. 流体设备运行工艺不合理
　　 风机、水泵、压缩机等通用机械拖动设备为我国最主要终端耗电设备，用电量巨大。而此类设备大部分设计为固定功率运行，但实际运行时所需的压力或流量并不固定，且大多数低于电机额定功率供给的压力或流量，电能浪费严重。
　　3.2.2 电力品质低，电能质量差。
　　 1. 瞬变电压和浪涌电流的影响；
　　 2. 谐波的影响；
　　 3. 供电电压不稳定。
　　 3.3 工业节能综合解决方案
　　 1. 基本原理
　　 采用先进的微电脑控制技术，结合专用高效的瞬流抑制快速开关元件组，可有效地滤除电网电路中的瞬流浪涌，保护末端设备不受影响或损坏并减少由此引起的能耗增加，提高设备的运行效率，降低运营成本和维护费用，从而延长设备的使用寿命。
　　 2. 性能特点
　　 改善电力品质因数。对三相电压（流）不平衡、浪涌冲击、闪变、电压波动、频差等诸多电能质量问题同时进行改善，并可实现分组保护，从而有效提高电能质量，减少能源的附加损耗，提高供电质量。设备与系统并联、运用简单、灵活，具有良好的各种保护功能，运行安全、可靠、稳定。
　　 3. 适用范围
　　 适用于电力、冶金、轻工、建材、纺织、化工、机械等行业的供电系统的节能和电能质量改善。例如郑州日产公司主要用电设备有冲压机、焊接生产线、风机、是泵、车床、压力机等，电网谐波污染严重，谐波畸变率高达30%以上，整个用电系统效率低，电力浪费严重，设备寿命大大缩短。通过对全厂用电系统和部分低压配电系统进行布控节能改造，达到了优化电力品质、降低电耗、保护用电设备的功效。根据现场点校评估报告指出，除了取得18.5%的节电率外，预期综合节电效率高达35%以上，按照节电设备15年的使用年限计算，该节能改造工程可为郑州日产带来1800万人民币的直接收益。
　　
　　4、道路照明节能
　　 4.1 城市路灯用电现状
　　 我国城市照明快速发展，加大了能源的需求和消耗，尤其是一些城市单纯追求高亮度、多色彩、大规模、超豪华，建设和配置不切合实际的不科学的照明工程，浪费了能源，也造成了光污染，影响了居住和生态环境的和谐与平衡，加剧了供用电紧张。
　　 据建设部统计数字目前城市照明（仅计算景观照明和路灯等功能照明）的年用电量约占全国总发电量的4%至5%，相当于三峡水力发电工程投产后的年发电能力（840亿度），照明节电意义重大。
　　 完善现有城市照明标准体系，制定城市照明工程强制性标准，制定城市照明规划建设标准和光污染控制标准，必将成为今后政府引导城市照明向“高效、节能、环保、健康”方向发展的重要技术性支撑。
　　 4.2 城市路灯用电浪费分析
　　 据统计，城市路灯照明占我国照明耗电30%左右，存在着电能利用率低，电能浪费严重等问题。
　　 1. 超负荷运行，增加电能消耗。
　　 现在路灯最主要的弊端就是后半夜超功率运行，由于我国城市电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的波动甚至超过额定电压的15%左右，特别是后半夜民用电都不工作了，电负荷的减少使得电网电压有时接近245V，路灯超负荷运行形成浪费。
　　 2. 路灯系统设备维护成本较高。
　　 据国家电力部门统计，由于目前城市路灯普遍在后半夜超功率运行，使得路灯的灯泡寿命也大大缩短，实际使用寿命平均不到一年。若路灯每年需要更换一次灯泡，更换一只灯泡所需费用约为120元，某小城市的两万多只路灯的每年费用就高达200多万元人民币。
　　 3. 监控管理滞后，造成电力浪费。
　　 目前，大多数路灯照明系统的灯光控制采用是定时和人工的方式。由于一年四季的时差，采用定时器控制方式时要经常对定时器进行人工调整，消耗大量的人力资源，还由于人工调整不及时造成电力浪费。
　　 4. 城区路灯的控制箱和线路安全性低，节能效果差。
　　4.3 道路照明节能综合解决方案包括了两大层面：一是在路灯系统管理控制上，应用灵活的通讯方式，实现路灯管理的“五遥”（遥控、遥测、遥讯、遥调、遥视）功能。通过联通或中国移动通讯公共无线网络平台，实时对路灯系统进行数据化和网络化管理。二是在终端灯具上，提供灵活多样的智能化灯控方式及灯控功能，包括：经纬时控式、光控式、分时段定时控制等，通过嵌入式软件控制技术，检测电网电压，智能化调节最佳节电模式，节电率得到有效提高。
　　 1. 工作原理
　　 采用国际上先进的无谐电磁调压技术、三相磁平衡技术、数字控制技术实现照明系统节能目的。通过控制系统对路灯负载电气参数进行有效检测和最适宜的跟踪调整，动态优化供电参数，自动设置用电和节点之间最适宜的控制点，通过平滑的提高照明负载效率和电流扼流度，可以最大程度的降低照明系统的无功电耗，提高照明线路承载量。
　　 2. 性能特点
　　 采用电磁平衡技术平衡三相电压、减小中线电流。做到智能化调节最佳节电模式。具有分时段定时控制节电和路灯工作状态查询功能。
　　 3. 适用范围
　　 城市道路、学校、办公楼、小区公共场所、商场、车站等场所的照明系统。例如铁路局洛阳北站照明电费成本居高不下、整个灯光系统维护费用较高。通过对车站的照明用电系统进行了检测和评估，安装节电装置，改造后经过测试对比，照明系统的节电率达到25%。
　　
　　5、商业楼宇节能
　　5.1 商场、楼宇电能损耗现状
　　 1. 目前商场类商业建筑越建越大，而我国商场超市中存在着惊人的能源消耗。其中，电耗在超市的全部能耗中占有大量比重。冷冻冷藏、电热柜等生鲜、熟食区域设备用电占超市用电量总量的40%～50%，空调用电约占25%～35%，照明设备用电约占15%～25%，扶梯等动力设备用电约占5%～10%。在零售业净利润仅为零售额1%～2%左右的今天，以商业用电电费每度一元计算，节约一度电的成本相当于增加大约100元的零售额。因此，节电对于零售企业，尤其对于已成规模的店来说更具吸引力，采取适合的节能降耗措施所能增加的零售额更是会成倍增长。采用高科技手段对能耗设备进行节能控制，包括冷冻冷藏设备系统的节能、照明节能、中央空调节能等，将是商场超市能耗控制的主要发展方向。

　　 2. 中国的楼宇市场容易非常大，而落后的能源分配管理模式，导致楼宇管理者仅从保障人员及设备的安全角度对电能进行分配和管理，不大着眼于用电设备的效率和使用成本来进行精益管理；用电设备数量规格众多繁杂，由于大量非线性负载的使用，导致负荷严重非线性，产生电压瞬变、电流浪涌及谐波等不良电力品质现象，消耗了大量的无用功率，导致电力系统功率因数低下，电力污染严重。
　　 3. 我国楼宇年电力消耗总量占全国总消耗量的10%，中央空调和照明是最大的两个“电老虎”。中央空调系统一般占各类商用建筑能耗的40%以上，主要原因在于设计选型时设备余量一般为20%左右，却很少在满负荷状态下运行，造成空载功耗偏高；其次，为了节省一次投资成本，系统缺少调控装置，导致风机、水泵长期处于最大流量运行状态，不能根据实际运行工况的负荷进行有效调节，产生不必要的能源浪费；另外，主辅机和末端之间缺乏合理动态调节和合理匹配，导致系统效率低下。
　　 4. 照明系统是楼宇尤其是酒店、饭店及娱乐场所的第二大能耗，其特点是各类灯具多，品种多，单个灯具功率小，若针对每个灯具进行改造非常不划算；即使是全部采用节能灯具，也会因为节能灯的质量和使用寿命参差不齐，使得用户在选用节能灯时面临省电不省钱的尴尬局面。
　　 5. 锅炉耗能也是楼宇耗能的主要部分，大量能源消耗在管道和阀门上，而电机通常运行在额定的转速状态下，为了控制热量而调节阀门，导致的结果是，系统阻力加大，流量减少，而电能功耗不但没有减少，反而可能加大。供排水系统，柜机空调、家用电器等也存在不同程度的能源合理使用，节能降耗空间也相当大。
　　 5.2 商场楼宇节能综合解决方案
　　 随着国家“节能减排”工作的不断深入，楼宇能耗降低必将作为政府及各企事业单位的形象工程和重点工程予以实施。相比制度管理来讲，采用高科技手段对能耗设备进行节能控制，包括中央空调、照明、办公设备、高精尖电子仪器、锅炉节能及供排水系统、室外照明节能等，将是楼宇能耗控制的主要途径。
　　 1. 基本原理
　　 采集网侧线路上的电流信号，经A/D采样，将所得到的电流信号和基波电流信号进行对比后，控制功率元件产生与谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线路上的谐波电流抵消掉。
　　 2. 性能特点
　　 采用第三代IGBT功率元件，高频开关方式下工作。实时跟踪，动态补偿，谐波、无功同时补偿。提高电网输送能力和减小电网的配变容量。增加变压器带负载能力。
　　 3. 适用范围
　　 办公楼宇、宾馆、饭店、娱乐场所、大型场等照明系统。例如五星电器在全国的60多个卖场的主要设备为中央空调、灯光等，用电量大、线路复杂、电能浪费严重。通过安装节电设备对空调和照明分别进行采集参数、设计配电改造，改造后节电率为15.7%-17.4%，取得了较好的节能效益。
　　
　　6、结束语
　　 综上分析，电气浪费问题突出，而节能潜力和决策层抓节能改造的决心都很大，而具体实施困难的主要原因是认识还不够，一次性基建投资偏大等。因此加强宣传，深入效益分析、推广优秀技术方案和新技术成为各部门的重要职责。
　　
　　 参考文献
　　杨志荣. 节能与能效管理. 北京：中国电力出版社，2009.
　　中国建筑科学研究院. GB50034-2004 建筑照明设计标准. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
　　
　　
　　作者简介：
　　 姜 勃：单位名称：天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程及自动化专业
　　 地址：天津市河东区成林道63号
　　 邮编：300160
　　 联系方式：15922200692

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