化工企业节能改造工作实践

摘 要：针对化工企业配电系统损耗产生的主要原因，提出了化工企业节能的主要手段，并结合实际案例分析，探讨了化工企业配电几种常见设备的节能方法。

关键词：化工企業；节能；风机水泵；损耗

中图分类号：TQ05    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.018

0    引言

我国是一个电力短缺的国家，2021年，中国疫后经济复苏强劲，电力需求快速增长；且国际煤炭价格大涨，煤炭供应紧张，火电企业发电动力不足，引起全国性的缺电潮。2022年迎峰度夏期间，政策导向发生变化，严防拉闸限电，为保障电力供应，迎峰度夏期间的保供电政策改为执行有序用电方案。2023年，国家电网公司推动政府发文，督促企业和公共机构向节约用电方向努力，大力推广“e起节电”活动，从源头缓解供需压力。化工是我国的基础产业之一，在社会经济发展中起重要作用。目前，我国化学原料及化学制品制造业能源消费总量在57 000万t标准煤以上，其中电力消费总量在5 800亿kW·h以上，占全社会用电量的7.4%。仪征化学工业园区是长三角的重要化工产业基地，推广化工工业节能改造，对于缓解仪征地区电网压力及促进化工企业发展有重大意义。

1    化工企业配电系统节电措施

化工企业生产耗能高，用电量大，节能潜力也大，抓好化工生产各工序的节电，是节约能源的重要措施。需要加强电能管理工作，以确保用电设备在生产运行中经济高效地运行。同时，需要对能耗高的工艺进行改革，逐步淘汰产能落后的低效设备，并推广节电节能的新技术，这是提升化工企业能效的总则。

但是，节电技术也不能盲目推广，导致影响正常生产，因此需基于四个前提：首先需要明确的是，节能技术推广不能以牺牲产品的质量、产量为代价；其次是不导致工作环境及自然环境进一步恶化，节能技术需要保证工作人员的工作环境正常，也不能以牺牲自然环境为代价；再次，节电技术改造需在较短期内收回投资成本，最好能在3～5年内收回；最后，节电技术最好不引起其他额外的人员成本及设备维护量[1]。

1.1    变压器节电

变压器的损耗主要有空载损耗和负载损耗两部分，除此之外还有杂散损耗和介质损耗等，这部分损耗占比很小，可以忽略不计。因此，降低变压器损耗的关键在于降低空载和负载损耗。一般来说，变压器的空载损耗占总损耗的20%～30%，但对于长期空载的变压器，例如办公照明专用变压器，降低空载损耗尤为重要。变压器的空载损耗P0为：

P0=KcPcGc（1）

式中：Kc为工艺系数；Pc为单位重量的铁芯材料对应的损耗；Gc为铁芯重量。

由式（1）可知，如要降低变压器的空载损耗，可以改进铁芯结构和制造工艺，以减小工艺系数；或采用非晶合金的铁芯材料[2]，以降低Pc和Gc。

对于负载损耗来说，变压器的负载损耗占变压器总损耗的70%～80%。变压器的负载损耗可近似为：

Pk=KmJ 2Gm（2）

式中：Km为导电率相关系数；J为电流密度；Gm为导线质量。

对于降低变压器的负载损耗，可从提高匝间电压并减少高低压线圈匝数入手，使得电流密度与导线质量进一步降低。

1.2    变配电设备节电

变配电设施节能改造，最为有效的手段有选择合适的电压等级及提高功率因数。对于负荷集中的大型化工企业，应尽量采用35 kV及以上电压等级供电。如某大型化工企业，采用110/35/10/0.4 kV三级降压，高压可深入负荷中心，例如对于大型电机可直接采用10 kV供电，从而有效降低电机运行损耗。

对于输送容量大的线路，可采用相分裂导线，减少线路损耗。对于多次降压、非标称电压或者负荷过重的供配电设备，根据技术经济比较，可以考虑升压改造，从而大幅降低线损及设备损耗。在输送负荷不变时，升压后降低功率损耗的百分数ΔΔP%计算如下：

ΔΔP%=1-（3）

式中：Un1为电网升压前电压；Un2为电网升压后电压。

配网电压等级是随着用电水平及工业化程度的提高以及发电量的增长而相应增高的。20～25 kV中压配电在国际上很多发达国家广泛应用，20 kV电压等级的优势已得到国际认同，并已列入国际电工委员会标准，技术和经验非常成熟[3]。如果由10 kV升压至20 kV供电，降损效果可达75%。

提高功率因数可有效减少配电线路及配电变压器的负载损耗，线路节约损耗功率的计算公式如下：

ΔP=

-

（4）

式中：P为传输有功功率；U为电压等级；cos φ1为提高前功率因数；cos φ2为提高后功率因数。

变压器有功损耗ΔP及无功损耗ΔQ可按下式计算：

ΔP=

-

Pk

ΔQ=

-

Qk（5）

式中：SrT为变压器容量；Pk为变压器负载有功损耗；Qk为变压器负载无功损耗。

功率因数提高，可以减小无功电流，进而降低线路及变压器的电流大小，对于节电降损、降低电压损失有重要作用；同时，提高功率因数可以使得供给设备所需的视在功率减小，也可以减小线路截面和变压器容量，降低投资。

1.3    电动机与风机水泵节电

电动机类设备与变压器有着相似的损耗特性，常见的节电手段是采用高效率的电动机。电动机可以通过使用比损耗小的硅钢片材料制作铁芯、增加转子和定子铁芯长度从而减小铁损，也可通过增加导线截面、提高占空因数等方法降低铜损，或者进行转子沟槽绝缘处理并优化轴承性能来降低杂散损耗和机械损耗。

除了选择高效率电动机，为风机、水泵选择合适容量的电动机，也可避免因电动机容量与风机、水泵功率不匹配导致的电动机低效运行。对于水泵设备，应按下式选择匹配的电动机容量：

P=KC（6）

式中：KC为电机的备用系数，随电机容量增大而取小，100 kW以上电机取1.05即可；γ为水的容重；Q为水泵工作范围内最大轴功率对应的流量；H为扬程；ηpum为水泵工作效率；ηm为机械传动效率。

风机、水泵类设备另一种节电手段是调节电动机的转速。化工企业内部许多风机、水泵的流量并不是恒定的，根据风机、水泵的压力-流量特性曲线，按照工艺要求的流量，选择合适的调速方式，实现变速流量控制，可以节省大量电能，是一种有效的节电方法。从理论上讲，风机、水泵类设备有以下特点：

=

，

=

，

=

（7）

式中：Q1、Q2为流量；N1、N2为转速；H1、H2为扬程；P1、P2为功率。

图1是风机、水泵类电机的工作曲线，纵坐标为扬程，即水流通过风机或水泵后增加的能量，横坐标为流量，即单位时间内通过风机、水泵的体积。如果采用阀门降低流量，则阻力特性曲线就会从阻力特性曲线1变化至阻力特性曲线2，电机的轴功率如图中矩形HCCQBO所示；如果采用降低转速的方法降低流量，则电机的工作曲线从Q-H曲线1变化为Q-H曲线2，电机的轴功率如图中矩形HBBQBO所示。因此，调节电机转速是一种行之有效的节能措施，其中变频调速的方法相比其他调速方法而言适用范围更广，目前已成为一种较为常用的节能手段[4]。

风机、水泵类设备的节能方式并不仅仅是以上两种，对于旧有的电机，要进行必要的测试和检验，结合电机的实际负载和使用场景加以利用，避免出现“大马拉小车”的现象。对于电机负载侧设备更换、负载降低的情况，需要考虑更换旧有电机，以提高电机运行的效率和功率因数，以达到节能的目的。从设计角度来看，电機设计厂商通常将最高运行效率放在80%满载的运行情况下，但是由于一些原因导致电机常常运行在60%额定负载的情况下，则需要考虑更换或改造电机。

2    化工企业低压供配电改造实例

实例1：某小型化工企业节能改造项目中更换变压器对节能的影响。

根据该次改造项目的计算负荷，需要选择一台1 000 kVA或1 250 kVA变压器，下面列出一些可以选择的变压器，并进行参数对比及损耗计算，如表1所示。其中售电单价取0.75元/（kW·h），取计算负荷为850 kVA，cos φ=0.9。

根据变压器参数及损耗计算，虽然采用新型的非晶合金立体卷芯式油浸变压器一定程度上提高了变压器的购置费用，但是可以有效减少因变压器损耗产生的损耗电费，且成本回收年限不超过5年，是一种有效的节能降损措施。

实例2：某化工企业节能改造项目中更换变频调速电机对节能的影响。

某化工厂除尘风机电动机额定功率Pe=2 100 kW，除尘风机额定功率PN=2 000 kW，额定转速1 491 r/min。根据工艺状况工作在高速或低速状态，风机高速运行时转速1 350 r/min，低速运行时300 r/min，高低速运行时间占比1：1。原本采用液力耦合器调速，本次节能改造欲改为变频器调速。

改造前列出两种调速方式效率及节能情况如表2所示，可见改变电机调速方式的方法有效提高了电机系统的工作效率，降低了年耗电量，全年可节约有功电量813 910 kW·h。

实例3：某化工企业水泵改造项目实例。

某化工厂有5台水泵，配套电机的额定功率为55 kW，经调研用户旧有水泵及配套电机的工作特性如表3所示。

将配套电机更换为40 kW电动机后，每台电机可以减少功率消耗2.84 kW，每年每台电动机可节约电量4 260 kW·h，5台机组每年约可节约电费16 000元，可以有效降损节能。

3    结束语

通过上述理论和实例分析可知，化工企业节能改造可以采用更换新型非晶合金立体卷芯式油浸变压器的方法，以降低铜铁损；对于有调速需求的电机系统也可进行调速方式改造或更换合适的电机，以降低运行费用。化工企业宜多措并举，以改善节能效果。

[参考文献]

[1] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.

[2] 张学明.非晶合金立体卷铁心干式变压器与硅钢立体卷铁心干式变压器比较[J].电工钢，2023，5（4）：43-48.

[3] 宋俊生.萧山电网采用20 kV电压供电的研究与实践[D].杭州：浙江大学，2012.

[4] 产敏敏.浅谈变频调速节能控制技术在水泵电机中的应用[J].机电信息，2020（35）：85.

收稿日期：2023-10-09

作者简介：孙仲阳（1996—），男，江苏人，助理工程师，研究方向：供配电系统。