發(fā)光二極管燈在電廠環(huán)保改造中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

強(qiáng)曉峰

上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司 上海 200023

1 課題背景

筆者在發(fā)電廠改造設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，原有的機(jī)組及控制室等處大規(guī)模使用金屬鹵化物燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，在長時(shí)間運(yùn)行過程中產(chǎn)生了過多的能耗。

根據(jù)光的產(chǎn)生原理，電光源主要分為兩大類。一類是以熱輻射作為光輻射原理的電光源，包括白熾燈和鹵鎢燈，它們都是以鎢絲為輻射體，通電后達(dá)到白熾溫度，產(chǎn)生熱輻射。這種光源稱為熱輻射光源，目前仍是重要的照明光源，應(yīng)用數(shù)量大，但存在發(fā)光效率低、發(fā)熱溫度高、壽命短、能耗大等缺點(diǎn)。另一類是各種氣體放電光源，它們主要以原子輻射形式產(chǎn)生光輻射。而根據(jù)這些光源中氣體的壓力，又可分為低壓氣體放電光源和高壓氣體放電光源，其缺點(diǎn)是光色稍差，重新啟動(dòng)慢，紫外線含量高，填充物含毒性。

隨著發(fā)光二極管（LED）照明燈具的不斷興起，火力發(fā)電廠照明中應(yīng)用LED燈具越來越廣泛。LED燈具在電廠中的大量應(yīng)用，提高了生產(chǎn)人員的工作效率，改善了工作環(huán)境［1］，同時(shí)降低了電廠用電率，減少了維護(hù)的工作量和成本，并提高了經(jīng)濟(jì)效益。可見，選擇采用高效率的照明燈具是電廠照明設(shè)計(jì)中重要的節(jié)能措施［2］。

2 LED光源技術(shù)優(yōu)勢

LED光源利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料［3］，目前廣泛應(yīng)用于各種照明場合。LED光源的技術(shù)優(yōu)勢有以下幾個(gè)方面。

（1）發(fā)光效率高。LED燈經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，發(fā)光效率有了較大提高。白熾燈光效為12～24 l m／W，熒光燈光效為50～70 l m／W，鈉燈光效為90～140 l m／W，它們大部分的耗電轉(zhuǎn)換為熱量損耗。而LED燈光效經(jīng)改良后將達(dá)到50～200 l m／W，而且光的單色性好，光譜窄，無需過濾便可直接發(fā)出有色可見光。

（2）耗電量小。LED燈單管功率為0.03～0.06 W，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓為1.5～3.5 V，電流為15～18 mA，反應(yīng)速度快，可進(jìn)行高頻操作。

（3）使用壽命長，可靠性高。LED燈的使用壽命是普通燈管的十倍、白熾燈的百倍。LED燈體積小，質(zhì)量輕，維護(hù)成本低，對環(huán)境友好，可控光強(qiáng)，能適應(yīng)頻繁的開關(guān)操作。

3 電廠環(huán)保改造經(jīng)濟(jì)性對比

在工程實(shí)際應(yīng)用中，如何合理選擇光源，應(yīng)根據(jù)工程的具體性質(zhì)、使用場所、人員視覺要求、照明數(shù)量和質(zhì)量來確定。在滿足顯色性、啟動(dòng)時(shí)間等要求的條件下，常從發(fā)光效率高、顯色性好、使用壽命長、啟動(dòng)可靠、方便快捷、性能價(jià)格比高等方面選擇高效光源［4］。

3.1 改造環(huán)境

電廠環(huán)保改造中的照明設(shè)計(jì)包含室內(nèi)和戶外照明。室內(nèi)一般為配電間和倉庫等，樓層不是很高。戶外為電廠新增環(huán)保裝置的平臺照明。環(huán)保裝置附近的環(huán)境比較惡劣，為多塵、高溫、蒸汽、振動(dòng)和含腐蝕性氣體環(huán)境。采用燈具要求為透光性強(qiáng)、防護(hù)等級高的塵密型燈具。

3.2 場所對比

環(huán)保系統(tǒng)中，照明主要是配套戶外設(shè)備平臺使用，多為鋼平臺的立桿燈照明。系統(tǒng)可通過用戶自定義用電范圍和時(shí)段、對比對象來進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，并提供各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表及圖表。

3.3 燈具種類對比

早期建設(shè)發(fā)電設(shè)備廠房，多采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統(tǒng)光源。環(huán)保改造時(shí)設(shè)計(jì)LED燈。可通過用戶自定義用電范圍和時(shí)段、對比對象來進(jìn)行電量統(tǒng)計(jì)分析，并提供統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

3.4 成本分析

通過對改造區(qū)域燈具數(shù)量變化，以及單價(jià)和用電量成本進(jìn)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)精確的成本分析和分配，從而確定實(shí)際的生產(chǎn)成本和分配。

4 應(yīng)用分析

某電廠環(huán)保改造項(xiàng)目中，機(jī)組平臺間隔高度為3 m，原有設(shè)計(jì)中采用了2.5 m金屬鹵化物燈，現(xiàn)計(jì)劃采用LED燈。應(yīng)用DIALux軟件布置模擬照度進(jìn)行對比。

4.1 燈具參數(shù)

盡量選擇功率相近的不同光源燈具進(jìn)行對比。由表1可以看出，光效等級從高到低排序?yàn)長ED燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈。另外，對顯色性從高到低排序，同樣為LED燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈。

表1 燈具參數(shù)對比

根據(jù)我國道路標(biāo)準(zhǔn)，重要人行通道的平均照度維持值Eav為20 l x，電廠平臺技術(shù)協(xié)議中要求Eav為30 lx。以廣東陽西某電廠環(huán)保改造為例，兩邊新增環(huán)保平臺，選取一層長25 m、寬7.6 m的鋼結(jié)構(gòu)戶外平臺分別模擬金屬鹵化物燈和LED燈的照明效果，進(jìn)行分析。

4.2 光照強(qiáng)度

選擇金屬鹵化物燈和LED燈極坐標(biāo)配光曲線三個(gè)截面，分別如圖1、圖2所示。

圖1 金屬鹵化物燈配光曲線

不同型號的燈具對應(yīng)各自唯一的配光曲線，所選取的燈具為能適合工作平臺的泛光立桿燈。對照圖1、圖2可見，0～180°所示紅色曲線表面兩種燈具照射范圍及光強(qiáng)近似，其它角度分析表明金屬鹵化物燈局部照射點(diǎn)略強(qiáng)于LED燈，而LED照射范圍略大。對于用作走道的平臺照明而言，兩種燈具皆能滿足要求。

圖2 LED燈配光曲線

4.3 等光強(qiáng)曲線和模擬照度

光源尺寸與光源到計(jì)算點(diǎn)之間的距離相比，小得多，因此可將光源視為點(diǎn)光源。點(diǎn)光源的照度Eh為：

式中：Iθ為照射方向的光強(qiáng)，cd；R為點(diǎn)光源至被照面計(jì)算點(diǎn)的距離，m；θ為被照面法線與入射光線的夾角。

在一定安裝條件下，實(shí)際效能EV為：

式中：PL為燈具功率，W；N為燈具數(shù)量；S為工作面積，m2；I為工作面平均照度，lx。

考慮到計(jì)算出的值比較小，不方便引用和表達(dá)，因此可在等式兩邊同時(shí)乘以100，將數(shù)值放大，以便更直觀地使用、表達(dá)并對比。實(shí)際效能既可以在燈具安裝后經(jīng)現(xiàn)場測試計(jì)算得出，也可以通過DiaLux專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件模擬得出。金屬鹵化物燈與LED燈的等光強(qiáng)曲線分別如圖3、圖4所示，兩者的模擬照度分別見表2、表3。

圖3 金屬鹵化物燈等光強(qiáng)曲線

圖4 LED燈等光強(qiáng)曲線

表2 金屬鹵化物燈模擬照度 lx

表3 LED燈模擬照度 lx

4.4 應(yīng)用效果

由圖3、圖4、表2、表3可以看出，在相同大小與安裝高度的情況下，LED燈等光強(qiáng)曲線范圍略大于金屬鹵化物燈，這樣在滿足平均照度規(guī)范要求的前提下，原有三盞金屬鹵化物燈的照度值使用兩盞LED燈就能滿足。

在相同前提下，近200 m2的平臺就能節(jié)省一盞燈具。單套LED燈較金屬鹵化物燈功率降低10 W，按每天開燈12 h、全年365 d計(jì)算，可減小電量43.8 k Wh。發(fā)電功率1 000 MW的改造項(xiàng)目，約需要1 800 m2的戶外平臺，采用LED燈具較金屬鹵化物燈數(shù)量能減少十盞，單套機(jī)組一年就能節(jié)省438 k Wh電量。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1 k Wh電量，就相應(yīng)節(jié)約0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物［6］。這樣，每年僅單套環(huán)保改造機(jī)組新建平臺就能節(jié)省約500 k Wh電量，相當(dāng)于節(jié)約200 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放136 kg碳粉塵、499 kg二氧化碳、15 kg二氧化硫、7.5 kg氮氧化物，可見環(huán)保效果非常顯著。

5 社會效益分析

電價(jià)時(shí)段分為高峰時(shí)段、普通時(shí)段、低谷時(shí)段，在高峰時(shí)段，大量耗電將產(chǎn)生高額的電費(fèi)。通過合理設(shè)計(jì)和利用新技術(shù)，在電廠等照明控制簡單的場合，能起到節(jié)能作用［7］。采用簡單的時(shí)空光控器，就能避免過去無人操作長明燈的情況，實(shí)現(xiàn)對照明設(shè)備進(jìn)行智能化控制，延長燈具使用壽命，并將照明設(shè)備的使用放在普通時(shí)段甚至是低谷時(shí)段。合理計(jì)劃電能使用，優(yōu)化用電配置，積少成多，可以節(jié)省相當(dāng)部分的能耗［8］，所產(chǎn)生的社會效益顯而易見。

6 結(jié)束語

在電能消耗中，照明用電量占發(fā)電總量的比例，發(fā)達(dá)國家為19%，我國為12%［9］。隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，照明用電量所占的比例必將進(jìn)一步增大。各行業(yè)企業(yè)的利潤與能源的合理使用有很大關(guān)聯(lián)，電費(fèi)可直接影響企業(yè)的最終利潤［10］。如果期望具有較大的能源投資回報(bào)率，就應(yīng)對企業(yè)的各類能源消耗進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行積極管理。在保證生產(chǎn)任務(wù)開展的同時(shí)，在新增設(shè)備和廠房設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以使用新興低能耗設(shè)備，并在每年維護(hù)保養(yǎng)期間對其成本進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對使用期限進(jìn)行可行性分析。通過對照度要求進(jìn)行分析，并執(zhí)行優(yōu)化控制，可以對照明設(shè)備進(jìn)行合理優(yōu)化，細(xì)化控制成本，提高廠區(qū)管理水平，進(jìn)而加強(qiáng)整體能源優(yōu)化調(diào)度與管理。