水泥行業(yè)的電氣節(jié)能

一.水泥行業(yè)電氣節(jié)能技術(shù) 

節(jié)約能源是我國(guó)的基本國(guó)策，國(guó)家制定了“節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃”，為落實(shí)此規(guī)劃目標(biāo)，國(guó)家發(fā)改委最近啟動(dòng)了十大重點(diǎn)節(jié)能工程，節(jié)能工程包括節(jié)約和替代石油、燃煤工業(yè)（窯爐）改造、區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用、電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、能量系統(tǒng)優(yōu)化、建筑節(jié)能、綠色照明、政府機(jī)構(gòu)節(jié)能以及節(jié)能監(jiān)測(cè)和技術(shù)服務(wù)體系建設(shè)工程等。作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國(guó)家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，也是節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)， 在“十一五”期間國(guó)家十大重點(diǎn)節(jié)能工程中和水泥行業(yè)有關(guān)的有：燃煤工業(yè)（窯爐）改造、余熱余壓利用、電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、能量系統(tǒng)優(yōu)化等項(xiàng)，通過實(shí)施專項(xiàng)規(guī)劃,水泥單位產(chǎn)品綜合能耗要求下降20%，生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在100kW.h內(nèi)，如按我國(guó)水泥年產(chǎn)12億噸計(jì)算,如達(dá)到節(jié)能指標(biāo)，則每年可節(jié)約百萬噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也降低了企業(yè)成本。電能是各種能源中最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用、清潔方便，且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源，電氣節(jié)能技術(shù)推廣將有助于顯著減少一次能源的消耗和環(huán)境污染。水泥廠電氣節(jié)能的就是要從電網(wǎng)開始，在供、配、用電的各環(huán)節(jié)上挖掘節(jié)電的潛力，其中有：線路和變壓器的節(jié)能，盡量降低供電系統(tǒng)的損耗；電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能，采用高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，提高電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效率；大力推廣“綠色照明工程”，使用高效節(jié)能電光源；低溫廢氣的余熱綜合利用，實(shí)現(xiàn)純低溫余熱發(fā)電和供熱工程；在運(yùn)行過程中，還要對(duì)整個(gè)電網(wǎng)實(shí)施在運(yùn)行管理技術(shù)上的節(jié)能技術(shù)。 

一條日產(chǎn)5000噸新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，主要用電包括石灰石礦山，石灰石皮帶機(jī)運(yùn)輸，一直到水泥散裝發(fā)運(yùn)為止的主生產(chǎn)流程，以及空壓機(jī)、水泵站、水處理、廠前區(qū) 機(jī)電修等輔助流程， 據(jù)常州某日產(chǎn)5000噸熟料水泥廠統(tǒng)計(jì)：整條生產(chǎn)線總裝機(jī)容量約為38000kW，設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷約26000kW，如功率因數(shù)COSф以0.92計(jì)，視在容量則約28000kVA，為此水泥工廠必須設(shè)置總降壓變電站,選用一臺(tái)容量為35000 kVA 主變壓器，如雙電源進(jìn)線，則用兩臺(tái)16000 kVA變壓器。由于每條水泥熟料生產(chǎn)線接入的電網(wǎng)和工藝狀況不同，上述數(shù)據(jù)和配置則是某一實(shí)例。另?yè)?jù)綜合信息，一座日產(chǎn)5000噸熟料水泥廠共有電機(jī)約700臺(tái)左右，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)約為15臺(tái)，閥門數(shù)量約為80個(gè)，其中電動(dòng)控制閥門為70臺(tái)左右，還有其他用電設(shè)備等約300臺(tái)組。由總降壓變電站接入的電能，必須經(jīng)由若干個(gè)開關(guān)站和馬達(dá)控制中心組成的供配電系統(tǒng)才能輸送到各用電設(shè)備。本文將從水泥生產(chǎn)線供、配、用的各環(huán)節(jié)上論述水泥廠電氣節(jié)能的可行性及相應(yīng)措施，有關(guān)純低溫余熱發(fā)電的技術(shù)和節(jié)電不在本文討論范圍。水泥工業(yè)節(jié)能和自動(dòng)化的關(guān)系筆者已在其他文章另有論述。 

二. 供配電系統(tǒng)的節(jié)能  

一個(gè)大型干法水泥廠的供配電系統(tǒng)是指從國(guó)家電網(wǎng)將高壓引人總降壓變電站到各用電設(shè)備間的全部線路、變壓器、開關(guān)、控制和保護(hù)裝置等設(shè)備，要設(shè)法降低供配電的線路與變壓器的損耗是其節(jié)能的主要措施，它包括需要增加一定投資對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造的硬措施，也包含不需增加投資，僅需改善運(yùn)行管理的軟措施。 

1. 采用節(jié)能型的供配電設(shè)備 

1）    合理選擇供配電電壓 

在額定電壓允許情況下，提高引人的高壓電壓等級(jí)，是降低線損率的有效措施，一般在35kV 及以上供電電網(wǎng)中，每提高運(yùn)行電壓1%，可降損1.2% ,5000t/d干法水泥廠應(yīng)直接用110kV或220kV（東北地區(qū)66kV）引入總降壓變電站，取消35kV，它既可提高輸送容量，又可大大降低線損率。對(duì)于配電網(wǎng)，供電電壓等級(jí)越高，線損也越低，而線損是隨電壓平方成反比而下降，目前有些新建的水泥廠已將供電電壓升為10kV，將傳統(tǒng)的6kV提升了一級(jí)，一次投資可能梢有增加，但運(yùn)行成本將降低。 

2）選用節(jié)能型變壓器，合理選擇變壓器的容量 

水泥廠每個(gè)電力室設(shè)置變壓器若干臺(tái)，在傳遞功率過程中要產(chǎn)生損耗，分別為空載損耗和負(fù)載損耗，在確保變壓器安全和可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，要選用損耗低的變壓器。我國(guó)節(jié)能型變壓器在質(zhì)量方面已達(dá)較高水平，目前新投運(yùn)水泥廠大多選用了S9系列節(jié)能變壓器，其損耗值與S7系列相比，空載損耗可降低10%，負(fù)載損耗可降低10%，另新低損耗產(chǎn)品S11型卷鐵心變壓器以及非晶合金鐵心變壓器都已進(jìn)入市場(chǎng)，由于價(jià)格還偏高，今后將逐步推廣。 

合理選擇變壓器的容量，使變壓器的負(fù)荷率最佳，其運(yùn)行效率也最高，損耗則最低。一般認(rèn)為配電變壓器負(fù)荷率為額定容量的70%~80%較合適，而對(duì)主變壓器則應(yīng)盡量按最大需求量選擇容量，并以此來計(jì)算基本電費(fèi)，確保變壓器在經(jīng)濟(jì)、安全可靠的狀態(tài)下運(yùn)行。 

3）采用節(jié)能型無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)無功分散和就地補(bǔ)償 

無功補(bǔ)償就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗。為改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，電力部門對(duì)水泥廠總降壓變電站功率因數(shù)有總體要求，目前大多數(shù)水泥廠的無功補(bǔ)償設(shè)備做到了分級(jí)補(bǔ)償和集中補(bǔ)償，但分散就地補(bǔ)償還不夠，如有的負(fù)荷波動(dòng)較大的用電設(shè)備未裝就地補(bǔ)償裝置。 

現(xiàn)在新型的節(jié)能型無功補(bǔ)償裝置已開始應(yīng)用，如SVC型無功補(bǔ)償裝置，它可根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)投入等量或不等量電容，實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱或不對(duì)稱補(bǔ)償功能，另外它帶有RC吸收回路，能濾除高次諧波。 

4）    用節(jié)能型金具，合理選擇導(dǎo)線截面 

一個(gè)非節(jié)能型金具可引起的損耗約為10~15W，一個(gè)大的水泥廠配電網(wǎng)絡(luò)上的連接金具數(shù)以千計(jì)，由金具造成的損失是非?？捎^的，因此在配電網(wǎng)絡(luò)中，采用節(jié)能型金具是一個(gè)有效的技術(shù)措施。對(duì)溫度差異大或過高的連接點(diǎn)應(yīng)處理、改進(jìn)或更換節(jié)能型金具。 

2. 運(yùn)行管理的電氣節(jié)能 
對(duì)已投運(yùn)的水泥廠，供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是降低系統(tǒng)損耗和節(jié)能的有效途徑，通過合理的運(yùn)行管理和方式使電網(wǎng)的損耗降為最低。 

1）    調(diào)整系統(tǒng)總體負(fù)荷平衡 

配電系統(tǒng)負(fù)荷應(yīng)做到總體和分級(jí)的逐級(jí)平衡。變壓器的三相負(fù)荷不平衡時(shí)，特別是低壓網(wǎng)絡(luò)，有的相電流較小，有的相電流接近甚至超過額定電流，這就是三相電流不平衡，在這種情況下，不僅影響變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且造成有功功率的損失，必須定期進(jìn)行三相負(fù)荷測(cè)定和調(diào)整，力求變壓器三相電流的平衡。在高壓系統(tǒng)中，如輥壓機(jī)系統(tǒng)等負(fù)荷波動(dòng)較大，易引起三相電流的不平衡，建議裝設(shè)就地?zé)o功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。 

2）    合理利用峰谷電力資源 

所謂負(fù)荷率是平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之比，提高負(fù)荷率是電力系統(tǒng)重要指標(biāo)，電力部門實(shí)行峰谷不同電價(jià)，就是為了降低電能損耗，一般峰時(shí)電價(jià)是谷時(shí)電價(jià)的3倍，如山東省峰時(shí)電價(jià)為每度0.72元，谷時(shí)電價(jià)為每度0.24元，水泥廠應(yīng)合理安排用電時(shí)間，將水泥磨系統(tǒng)生產(chǎn)盡量安排在谷時(shí)，既節(jié)省了成本，又節(jié)約了電能。 

3）    減少空載損耗 

對(duì)暫不用供電回路，應(yīng)及時(shí)斷開電源線路，以減少線路上的空載運(yùn)行損耗，一般可達(dá)3%~5%。 

4）    實(shí)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高變壓器運(yùn)行效率 

變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10~15%，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的1/3，為改善水泥廠的功率因數(shù)，應(yīng)使變壓器的負(fù)荷率最佳，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。各電力室的配電變壓器的負(fù)荷率在設(shè)計(jì)時(shí)已基本確定，經(jīng)濟(jì)調(diào)度的重點(diǎn)應(yīng)是一些非連續(xù)運(yùn)行的用電設(shè)備、輔助流程的用電設(shè)備以及照明、空調(diào)等。 

5）    實(shí)現(xiàn)全集成能源管理如電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)  

它不是水泥廠專用的,近年來電力行業(yè)各級(jí)調(diào)度都采用了電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，它就要求各級(jí)變電站具備相應(yīng)的系統(tǒng)與之通訊，在各級(jí)調(diào)度站能監(jiān)控企業(yè)變電站的運(yùn)行情況。在這大環(huán)境中，現(xiàn)新建水泥廠采用電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)除前臺(tái)裝有各種形式的綜合保護(hù)器外，還有后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，保護(hù)定值在后臺(tái)系統(tǒng)修改，可以方便對(duì)水泥廠各個(gè)配電站的定值進(jìn)行修改，另對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能大大加強(qiáng)，充分體現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度功能的優(yōu)越性。目前國(guó)外有些公司提出了全集成能源管理，如西門子公司推出了TIP的理念，實(shí)際操作是選用智能、節(jié)能、效率高、損耗低的變壓器、開關(guān)、控制和保護(hù)裝置等設(shè)備，通過各級(jí)通信，傳遞運(yùn)行信息， 
并有一優(yōu)化控制軟件，實(shí)現(xiàn)電能全集成管理，這也是我們今后努力的方向。 

6）    加強(qiáng)計(jì)量管理 

已采用電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的水泥廠，主要工作是及時(shí)查找電量損失原因，進(jìn)行局部和全面的統(tǒng)計(jì)分析；未采用電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)加大計(jì)量裝置的投入，提高計(jì)量精度，保證計(jì)量的準(zhǔn)確性，并定期校驗(yàn)電能表。 

三. 選用節(jié)能型用電設(shè)備 
 
水泥廠電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量占全廠總裝機(jī)容量90%以上，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能包括電動(dòng)機(jī)本體的節(jié)能，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能。例如風(fēng)機(jī)、水泵類變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能，采用高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，如高效的減速機(jī)以及適合于各種主設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)，如大型磨機(jī)的雙傳動(dòng)系統(tǒng)等。水泥廠的照明也占有一定負(fù)荷，選用節(jié)能型用電設(shè)備對(duì)水泥廠整體節(jié)能有舉足輕重的影響。 

1.    選用節(jié)能型高效電動(dòng)機(jī) 

目前我國(guó)水泥廠主要采用Y系列和Y2系列電動(dòng)機(jī)，其平均效率分別是87.3%和86.3%，平均功率因數(shù)分別是0.84和0.846，基本符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2002《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》中能效限定值的要求。而有些外資水泥廠采用ABB或SIEMENS技術(shù)引進(jìn)的高效電動(dòng)機(jī)，其效率能提高2~3%，損耗可下降20%左右，雖然價(jià)格要高出約30%，但對(duì)于年運(yùn)行時(shí)間超過5000小時(shí)，負(fù)荷率大于70%的負(fù)荷電動(dòng)機(jī)采用高效電動(dòng)機(jī)還是合算的。據(jù)統(tǒng)計(jì)某廠裝機(jī)2萬kW電動(dòng)機(jī)，如改用平均效率提高1%的節(jié)能型高效電動(dòng)機(jī)，年平均運(yùn)行時(shí)間按5000小時(shí)計(jì)，年節(jié)電可達(dá)100萬度。我國(guó)新研發(fā)的YX、Y2-E系列高效電動(dòng)機(jī)與Y系列相比損耗可下降20%~30%，效率提高1~3%，相信不久的將來我國(guó)水泥廠在工藝改革前提下，也會(huì)逐漸使用節(jié)能型高效電動(dòng)機(jī)。 

2.    交流變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能 

1）大功率高壓變頻器 

一條新型干法生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)的耗電量約占整個(gè)廠用電量30%，另增壓水泵和循環(huán)水泵的裝機(jī)容量也不小。由于風(fēng)機(jī)和水泵是屬于平方率負(fù)載，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)能在20%左右。 由于控制要求不高，只要選型正確，各類變頻器都可用于泵類和風(fēng)機(jī)中；目前小功率通用型變頻器在國(guó)內(nèi)水泥廠已普遍應(yīng)用：大功率高壓的泵類和風(fēng)機(jī)負(fù)載也開始采用了大功率高壓變頻器，如有的5000t/d的水泥廠功率為2500kW窯尾高溫風(fēng)機(jī)也采用了高壓變頻器，高壓變頻器可供選用有幾種方案，選用原則是可靠安全，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾小，價(jià)格適中。根據(jù)一些信息反饋，采用由低壓半導(dǎo)體器件組成功率單元串聯(lián)的高壓變頻器是較理想的，如西門子下屬的羅賓康型高壓變頻器。對(duì)于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩變化大的負(fù)荷如窯傳動(dòng)，筆者認(rèn)為沒有必要采用了高壓變頻器。 ． 

2)    交流調(diào)速裝置應(yīng)用事項(xiàng) ： 

a.交流變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國(guó)的諧波標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93加諧波濾波器或電抗器，使其對(duì)電網(wǎng)干擾最小。.  

b.為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小,控制電纜，電源電纜與電動(dòng)機(jī)的連接電纜的走線必須相互隔離。不要把它們放在一個(gè)電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號(hào)回路必須用屏敝對(duì)絞線，.根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進(jìn)線電抗器，使其受干擾影響最小。 

C．在低速運(yùn)行時(shí)，須防止軸系的震蕩；在高速運(yùn)行時(shí)，須防止超速。 

3．推廣應(yīng)用節(jié)能型照明電器 

綠色照明的核心是推廣和應(yīng)用高效節(jié)能型照明電器，在辦公樓、電力室、控制室、中控等推廣使用自整流式緊湊型熒光燈，取代白熾燈，如采用T8型熒光燈取代T12型熒光燈，節(jié)約能耗及電費(fèi)約20%，若采用節(jié)能型電感整流器，節(jié)能效果也十分明顯；在水泥廠廠區(qū)則應(yīng)積極推廣高壓鈉燈和節(jié)能燈。在推廣節(jié)能型照明電器同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)照明設(shè)施的維護(hù)管理，大力做好節(jié)電宣傳等。 
純低溫余熱發(fā)電是國(guó)家重點(diǎn)扶植的項(xiàng)目，“十一五”期間實(shí)現(xiàn)低溫余熱水泥生產(chǎn)線將達(dá)40%，它對(duì)水泥廠節(jié)能、降低成本、清潔生產(chǎn)有十分重要的作用。此專題在各種場(chǎng)合已有很多論述，本文就不再化篇幅了。 

四．結(jié)束語(yǔ) 

水泥行業(yè)面臨宏觀調(diào)控，也面臨GDP能耗降低20%的硬指標(biāo)，在環(huán)保和保護(hù)生態(tài)方面也有較大壓力，為此水泥行業(yè)要應(yīng)把節(jié)能降耗作為很重要工作去實(shí)施。 

電能作為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，水泥廠的電氣節(jié)能技術(shù)推廣將有助于顯著減少一次能源的消耗和環(huán)境污染，也降低水泥廠運(yùn)行成本。