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)今機械化、自動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)電機組，并處于系統(tǒng)中連續(xù)運行，如何通過精心調(diào)整，合理操作以實現(xiàn)制鹽生產(chǎn)全過程的最佳運行，盡可能地提高發(fā)電出力，同時采用切實可行的技術(shù)措施來實現(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)?，線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)線長度L成正比，說明電源點與負(fù)載的距離要合理選擇、布局，盡量縮短線路長度;電阻與導(dǎo)線截面積S成反比，說明對某一固定負(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，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。在選擇電壓等級時，盡量選用較高一點的，并且千方百計將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，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———變壓器投入運行時間，h;τ———最大負(fù)荷損耗小時數(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能耗關(guān)系極大，對某一負(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)和運行效率之間有著密切的關(guān)系。由理論分析和實際運行計算可知，當(dāng)負(fù)載率為0．56和0．42時效率最高。另一方面又要考慮電費因素的影響，還應(yīng)依據(jù)目前供電部門電費收取標(biāo)準(zhǔn)中按變壓器額定容量計算基本電費的因素來全面考慮選擇變壓器容量。這樣才能使變壓器運行在高效率范圍內(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)電動機，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)電機勵磁來進(jìn)行無功補償，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一個角度;補償后I•=I•1+I•C，其中IC為電容電流，超前電壓V一個90°角，由矢量合成，得到的I顯然比I1小，由此推導(dǎo)得出，補償電容C的計算公式: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———補償前負(fù)載的阻抗角;φ———補償后系統(tǒng)的阻抗角;C———補償電容，μF。制鹽企業(yè)中，還可用調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機勵磁電流來改變輸出的無功功率以適應(yīng)負(fù)載需要，這時計算補償?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，因此無功補償是重要的電氣節(jié)能措施。

實際應(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)電機勵磁與并聯(lián)電容(可根據(jù)實際情況科學(xué)地分析計算，靈活地選擇高、低壓集中補償、低壓分組補償、低壓就地補償?shù)群侠淼难a償方式)，并且采用自動補償與手動補償相結(jié)合的辦法，做到恰到好處，實現(xiàn)企業(yè)的最佳功率因數(shù)運行，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)機來確保生產(chǎn)工藝過程的正常進(jìn)行，這些設(shè)備的運行參數(shù)必須根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，隨時進(jìn)行調(diào)節(jié)。泵與風(fēng)機的調(diào)節(jié)以往是采用傳統(tǒng)的節(jié)流方法來進(jìn)行，就是通過改變設(shè)在泵(或風(fēng)機)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。若泵的工作點選在A點時的效率最高，流量Q為100%額定值，壓力為H1，此時的軸功率P1與面積AH1OQ1成正比;當(dāng)流量由Q1減小到Q2時，必須通過減小閥門開度，增加管網(wǎng)阻力的方法來實現(xiàn)。這時管網(wǎng)特性曲線由R1變成R2，泵的工作點由A點變?yōu)锽點，這時壓力上升為H2，軸功率P2與面積BH2OQ2成正比。經(jīng)理論推導(dǎo)和實踐驗證，這種調(diào)節(jié)時泵的消耗功率(近似為軸功率，下同):PA=PN［0．4+0．6(Q/QN)］式中:PN———泵在額定工效時的消耗功率;QN———泵的額定流量;Q———泵的實際流量。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，采用將泵的轉(zhuǎn)速由n1降低到n2［根據(jù)感應(yīng)電動機的轉(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)果泵的工作點由A點變到C點，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，流量Q、揚程(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、循環(huán)水泵、給水泵、軟化水泵、給煤機、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)與自動化儀表及微機相結(jié)合，組成DCS集散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種參數(shù)的微機PID自動調(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。由于瞬變會導(dǎo)致電能表對一個系統(tǒng)總的用電量的過度計量，其過度的最高幅度可達(dá)30%。這種節(jié)電器的應(yīng)用，從兩個方面切斷瞬變對電能表的階躍式?jīng)_擊:一是堵截外部的來路，二是切斷內(nèi)部的回路。它能使電能表的計量復(fù)歸正常，用多少電，就計量多少。

(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行

交流接觸器是工廠電力拖動和自動控制系統(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行方案，既能消除噪音，有利于現(xiàn)場工人的身心健康，又能節(jié)約能源消耗，一舉兩得。

以常規(guī)的直接啟動電路為例，如圖6所示為最基本的直接啟動電路，它啟動運行后，接觸器KM線圈一直是承受全交流電壓，耗電較大。若設(shè)計一種電路，使接觸器線圈在啟動瞬間承受100%的全交流電壓，但在啟動完成后，正常運行時，使線圈承受較低的直流電壓維持可靠吸合，這樣比承受100%交流電壓時就要減少較多的耗電。圖7是自行設(shè)計的一種典型的無聲運行電路，電路中增加的二極管D1，D2和電容C即能實現(xiàn)這種功能，使交流接觸器全壓啟動，低壓直流無聲運行。經(jīng)實踐證明，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，僅一臺這樣的接觸器全年可節(jié)電2200kW•h，且延長了設(shè)備的使用壽命，而改造費用僅200元/臺，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，除車間動力負(fù)載為三相電動機外，還有一些如照明、電熱、電焊、電解、單相機車等單相負(fù)載，如果它們以不平衡的方式接入三相四線系統(tǒng)中，勢必會造成系統(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)電機的發(fā)電出力也因為三相不平衡而有所降低;中性線電流過大，使配電變壓器運行溫度升高，長期運行可能使絕緣材料受損，嚴(yán)重時甚至燒毀變壓器;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)備的安全運行。因此調(diào)整三相負(fù)荷，實現(xiàn)平衡運行具有十分重要的意義。

8盡可能采用直接啟動

制鹽企業(yè)中使用的設(shè)備拖動電機的控制方式有直接啟動和減壓啟動，直接啟動具有操作簡單、維護(hù)方便、啟動轉(zhuǎn)矩大、造價低等優(yōu)點;減壓啟動雖能有效地減少啟動電流，某種程度上對電機有利，但由于它啟動時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，從而造成故障機會多，常由于時間控制機構(gòu)動作失靈而造成啟動后不能轉(zhuǎn)入運行，使減壓線圈不能及時退出，長期運行而燒毀，不但損壞設(shè)備而且影響生產(chǎn)釀成更大的損失。因此，對制鹽生產(chǎn)中各設(shè)備的啟動方式，要因地制宜合理進(jìn)行選擇，在變壓器容量允許時，對160kW以下電機在啟動負(fù)載不很重的情況下，最好是采用直接啟動方式，這樣能較好地實現(xiàn)節(jié)能降耗。

9結(jié)語

節(jié)能是企業(yè)永恒的主題。如何通過加強管理和技術(shù)創(chuàng)新實現(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，且歷經(jīng)制鹽企業(yè)多年的實踐證明切實可行，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。