35kV變配電及電機系統能量優化方案的節能效果研究

徐松

【摘要】企業通過原有S7變壓器升級為S13變壓器、風機和泵的閥門控制改造為變頻控制來實現能量系統的優化。通過對該方案的優化效果做進一步測算和研究，驗證其可行性和節能性。

【關鍵詞】能量系統優化;變壓器;電機;節能

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

10.147

某玉米淀粉加工企業原有S7變壓器電損量大，可靠性低，達不到《三相配電變壓器能效限定值及節能評價值》（GB20052-2013）中能效限定值要求，已列入《高耗能落后機電設備（產品）淘汰目錄（第一批）》。另外，廠區風機和泵未采用變頻控制，存在不易調節、耗能嚴重等問題。根據國家節能降耗的原則，對原有35kV變配電與電機系統進行升級改造。

1、35kV變配電及電機系統能量優化方案

（1）能量系統優化：選用5臺S13-2500/35與2臺SCB12-2500/35變壓器替代原有3臺S7-2000/35、3臺S7-2500/35與1臺S9-2500/35變壓器。

（2）電機系統節能改造：新增變頻器79臺等。

2、能量優化方案的節能效果研究

2.1變壓器損耗技術水平研究

2.1.1變壓器的選型

企業現有S7型電力變壓器屬于高耗能變壓器，新選用的S13型開口式立體卷鐵心變壓器鐵心呈三角形排列，鐵心無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少70～85%，提高功率因數，降低了電網損耗，空載損耗降低20～45%。

2.1.2變壓器容量計算

企業統計全廠合計用電設備總功率24538.49kW，同時用電系數取0.4，則用電設備功率約為9815.4kW。根據計算公式：S=P/cosφ（取用電設備平均功率因數cosφ為0.85）計算可得，用電設備視在功率S=9815.4/0.85=11547.52kVA。

改造后共有2500kVA新變壓器為7臺，總額定容量Se=17500kVA。

變壓器的負載率η=S/Se*100%=65.99%，能夠達到變壓器的最佳負載率60%～80%之間，不僅能夠滿足現在容量的需求，且能為將來負荷的增長預留了發展空間。

2.1.3變壓器損耗技術水平

（1）變壓器年消耗電量計算式

W=（8600×P0+2200×Pk）+0.05（8600×i%×Se+2200×Uk%×Se）

式中：P0——空載損耗，kW;Pk——負載損耗，kW;i%——空載電流百分數;Uk%——阻抗電壓百分數;Se——變壓器容量，kVA;8600、2200——變壓器全年平均空載、負載小時數（h）;0.05——無功當量。

（2）新舊變壓器技術參數與節電量計算

新舊變壓器技術參數與節約電量計算表

據以上計算結果可知改造后變壓器年節約電量9.18萬kWh，節電率=9.18萬kWh/72.66萬kWh=12.63%。

2.2變頻器節能技術水平

2.2.1風機水泵節能原理及計算式

生產中對風機﹑水泵常用閥門、擋板進行節流調節，增加了管路的阻尼，電機仍舊以額定速度運行，這時能量消耗較大。如果用變頻器對風機﹑泵類設備進行調速控制，不需要再用閥門、擋板進行節流調節，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗將大為減少，根據生產經驗可知，采用電動機變頻調速來調節流量，比用擋板﹑閥門之類來調節可節電20%～50%。本方案擬新增變頻器79臺，所對應的電機功率為9074kW，變頻調速節約電量的計算如下：

風機水泵特性：H=H0-（H0-1）×Q2

式中：H——揚程;Q——流量;H0——流量為0時的揚程。

管網阻力：R=KQ2

式中：R——管網阻力;K——管網阻尼系數;Q——流量。

風機水泵軸功率：P=KpQH/ηb

式中：P——軸功率;Q——流量;H——壓力;ηb——風機水泵效率;Kp——計算常數。

流量、壓力、功率與轉速的關系：

Q1/Q2= n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2 =（n1/n2）3

注：上述變量均采用標準值，以額定值為基準，數值為1表示實際值等于額定值

2.2.2改造前后風機水泵節能計算

35kV變電站升級改造項目擬新增變頻器79臺，所對應的電機功率為9074kW。假設風機水泵的效率=98%、變頻器的效率=97%。額定流量時的風機水泵軸功力為9074kW。

風機水泵特性：風量Q為0時，揚程H為1.4p.u（標準值，以額定值為基準）;設曲線特性為H=1.4-0.4Q2。年運行時間為：8600小時。

風機水泵的運行模式為：流量100%，年運行時間的30%;流量70%，年運行時間的50%;流量50%，年運行時間的20%。

（1）變閥調節控制流量時

假設P100為100%流量的功耗，P70為70%流量的功耗，P50為50%流量的功耗：

P100=9074/0.98 =9259.18kW

P70=9074×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.98=7803.64kW

P50=9074×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.98=6018.47kW

年耗電量為：

8600×（9259.18×0.3+7803.64×0.5+6018.47×0.2）/10000=6779.61萬kWh

（2）變頻調節控制流量時

假設P100為100%流量的功耗，P70為70%流量的功耗，P50為50%流量的功耗：

P100=9074/0.98/0.97=9548.55kW

P70=9074×0.73/0.98/0.97=3274.12kW

P50=9074×0.53/0.98/0.97=1193.19kW

年耗電量為：

8600×（9548.55×0.3+3274.12×0.5+1193.19×0.2）/10000=4076.63萬kWh

每年節約電量6779.61萬kWh-4076.63萬kWh=2702.98萬kWh，折合標準煤3321.98tce。

節電率=2702.98萬kWh/6779.61萬kWh=39.87%

3、方案綜合節能效果

本方案通過更換節能變壓器，對大功率設備增加變頻器以及變壓器升級改造后年節約電量為2712.16萬kWh，其中，更換變壓器節電9.18萬kWh，節電率為12.63%;新增變頻器節電2702.98萬kWh，節電率39.87%;綜合節能效果達到36%以上。

結語：

本方案為變配電及電機系統的節能升級改造，通過研究分析，方案節能效果顯著，實現了節能減排、保護環境的目的，符合國家節能減排的政策和有關規定，符合中國節能技術政策大綱和行業節能設計規范。

參考文獻：

[1]劉屏周，卞鎧生，任元會等.工業與民用供配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016