水泥行業(yè)的電氣節(jié)能

　　1 水泥行業(yè)電氣節(jié)能技術(shù)

　　節(jié)約能源是我國的基本國策，國家制定了“節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃”，為落實(shí)此規(guī)劃目標(biāo)，國家發(fā)改委最近啟動了十大重點(diǎn)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100kWh內(nèi)。按我國水泥年產(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，采用高效的傳動系統(tǒng)，提高電動機(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，還要對整個電網(wǎng)實(shí)施在運(yùn)行管理技術(shù)上的節(jié)能技術(shù)。

　　一條5000t／d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5000t／d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)COSΦ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，選用一臺容量為35000kVA主變壓器，如雙電源進(jìn)線，則用兩臺l6000kVA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。另據(jù)綜合信息，一座5000t／d熟料水泥廠共有電機(jī)約700臺左右，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)約為l5臺，閥門數(shù)量約為80個，其中電動控制閥門為70臺左右，還有其它用電設(shè)備等約300臺組。由總降壓變電站接入的電能，必須經(jīng)由若干個開關(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)能和自動化的關(guān)系筆者已在其它文章另有論述。

　　2 供配電系統(tǒng)的節(jié)能

　　一個大型干法水泥廠的供配電系統(tǒng)是指從國家電網(wǎng)將高壓引入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。

　　2．1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，提高引入的高壓電壓等級，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。對于配電網(wǎng)，供電電壓等級越高，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l0kV，將傳統(tǒng)的6kV提升了一級，一次投資可能稍有增加，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

　　水泥廠每個電力室設(shè)置變壓器若干臺，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l0％。另外，新型低損耗產(chǎn)品Sll型卷鐵心變壓器以及非晶合金鐵心變壓器已進(jìn)入市場，由于價(jià)格偏高，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)際需要自動投入等量或不等量電容，實(shí)現(xiàn)三相對稱或不對稱補(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

　　一個非節(jié)能型金具可引起的損耗約為10～15W，一個大的水泥廠配電網(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常可觀的，因此在配電網(wǎng)絡(luò)中，采用節(jié)能型金具是一個有效的技術(shù)措施。對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。

　　2．2運(yùn)行管理的電氣節(jié)能

　　對已投運(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)的損耗降至最低。

　　(1)調(diào)整系統(tǒng)總體負(fù)荷平衡

　　配電系統(tǒng)負(fù)荷應(yīng)做到總體和分級的逐級平衡。變壓器的三相負(fù)荷不平衡時，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)荷波動較大，易引起三相電流的不平衡，建議裝設(shè)就地?zé)o功動態(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，一般峰時電價(jià)是谷時電價(jià)的3倍，如山東省峰時電價(jià)為每度0．72元，谷時電價(jià)為每度0．24元。水泥廠應(yīng)合理安排用電時間，將水泥磨系統(tǒng)生產(chǎn)盡量安排在谷時，既節(jié)省了成本，又節(jié)約了電能。

　　(3)減少空載損耗

　　對暫不用供電回路，應(yīng)及時斷開電源線路，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％～l5％，它的空載無功功率約為滿載時的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化系統(tǒng)

　　近年來電力行業(yè)各級調(diào)度都采用了電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，要求各級變電站具備相應(yīng)的系統(tǒng)與之通訊，在各級調(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化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)除前臺裝有各種形式的綜合保護(hù)器外，還有后臺監(jiān)控系統(tǒng)，保護(hù)定值在后臺系統(tǒng)修改，可以方便地對水泥廠各個配電站的定值進(jìn)行修改。另外對電機(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化系統(tǒng)的水泥廠，主要工作是及時查找電量損失原因，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。

　　3 選用節(jié)能型用電設(shè)備

　　水泥廠電動機(jī)的裝機(jī)容量占全廠總裝機(jī)容量的90％以上，電動機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能包括電動機(jī)本體的節(jié)能和電動機(jī)傳動系統(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)備的傳動系統(tǒng)，如大型磨機(jī)的雙傳動系統(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)備對水泥廠整體節(jié)能有舉足輕重的影響。

　　3．1選用節(jié)能型高效電動機(jī)

　　目前我國水泥廠主要采用Y系列和Y2系列電動機(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，基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBl8613—2002《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及節(jié)能評價(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％，但對于年運(yùn)行時間超過5000h、負(fù)荷率大于70％的負(fù)荷電動機(jī)，采用高效電動機(jī)還是合算的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某廠裝機(jī)2萬kW電動機(jī)，如改用平均效率提高1％的節(jié)能型高效電動機(jī)，年平均運(yùn)行時間按5000h計(jì)，年節(jié)電可達(dá)100萬度。我國新研發(fā)的YX、Y2-E系列高效電動機(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水泥廠在工藝改革前提下，也會逐漸使用節(jié)能型高效電動機(jī)。

　　3．2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)的耗電量約占整個廠用電量的30％，另外增壓水泵和循環(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的方案有幾種，選用原則是可靠安全，對電網(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。對于啟動轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩變化大的負(fù)荷如窯傳動，筆者認(rèn)為沒有必要采用高壓變頻器。

　　(2)交流調(diào)速裝置應(yīng)用事項(xiàng)

　　a交流變頻調(diào)速傳動裝置對電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國的諧波標(biāo)準(zhǔn)GB／Tl4549—93加諧波濾波器或電抗器，使其對電網(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電纜線槽中或電纜架上，輸入和輸出信號回路必須用屏敝對絞線，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，須防止軸系的震蕩；在高速運(yùn)行時，須防止超速。

　　3．3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Tl2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)能型照明電器的同時，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。此專題在各種場合已有很多論述，本文就不再贅述了。

　　4 結(jié)束語

　　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)應(yīng)把節(jié)能降耗作為很重要的工作去實(shí)施。

　　電能是最經(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，水泥廠電氣節(jié)能技術(shù)的推廣將有助于顯著減少一次能源的消耗和環(huán)境污染，也有助于降低水泥廠的運(yùn)行成本。