水利工程電氣節能技術分析

張高略

（廣東源利工程監理有限公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

水利工程建設對社會的發展具有重要影響，但在運作過程中也會產生大量能耗問題，相關數據顯示，當前我國每年在水利工程方面所消耗的電能高達4000億kW·h。因此，為保證降低工程能耗，實現高質量、高效率輸出，務必尋找可行性高的技術和應用方案，針對水利工程電氣節能技術的研究十分有必要。

1 水利工程電氣節能技術應用目的及原則

1.1 電氣節能技術應用目的

將電氣節能技術應用于水利工程中的主要目的在于降低工程運行中的能源損耗，同時，規避環境破壞等問題，保證各個部分設備在完成基礎性工作效率的同時兼顧功率的合理性。從實際應用角度來看，工程對于電能需求極高，尤其異步電動機有功損耗，節能技術結合電機額定功率值進行對異步電動機的控制，保證功率在75%~100%之間，同時負荷率設置在0.8~0.9，保證在負荷率的基準上是機器保持在最佳狀態。此外，水利工程規模較大，在建設階段需消耗大量人力物力資源，資金需求量大，而電氣節能技術的應用能夠有效控制成本，其材料具有節能性、多元化功能以及質量達標率高等優勢，延長設備生命周期，幫助相關機構獲取更多利潤。

1.2 電氣節能技術應用原則

在設計期間優先明確方案是否能滿足基礎功能，例如針對電動機功率篩選不僅要具備節能效果還要注重符合工程運作目標。開展節能設計期間還應秉持創新性原則，切忌盲目追求節能，需結合不同工序的具體損耗情況，同時融入綠色可持續理念，將能耗降到最低的同時關注環境效益。此外，還需滿足經濟性需求，設計低成本、高回報的節能方案。

2 資料背景

某市防洪工程管理單位轄區擁有水閘21 座、35孔；大型泵站5 座，機泵20 臺，裝機容量為13110kW；小型泵站8 座機泵28 臺，裝機容量3220kW。在建設過程中借助3DMAX 技術進行大壩內外部建模，結合圖紙和地理信息系統平臺經過編輯后呈現虛擬的水利樞紐圖片，重點展示吸水泄洪、發電以及樞紐上下游水面高度浮動情況，形成互動式的瀏覽材料。其中重點部分在于電氣節能技術的應用，包括機組展示、線路設計、蓄清排渾裝置、結構內部的照明系統以及供配電啟動方式等，最大限度發揮工程節能效果。

3 電氣節能技術在水利工程中的具體應用

3.1 照明系統節能技術

在水利工程照明系統節能設計中，主體設計思想需要以滿足運作需求為主，在此基礎上關注經濟性、智能性等，具體概括為以下內容。

（1）控制燈具高度擴大照明范圍和亮度，根據現場需求進行燈具高度調整，降低照明損耗問題，保證眩光（UGR）、色溫（UO）、顯色度（Ra）均符合標準。在設計智能照明系統時，需要及時進行傳感器數據的匯總與實時修正，具體計算公式為：照明日節能效益=額定日耗電基數－實際日耗電基數，利用數據模擬計算能耗值，再制定科學啟停控制方案。系統還需具備記錄學習功能，時刻記錄照度情況進行調節，利用AI 智能裝置選擇合適的節能方案。系統控制權限優先級為手動＞控制模型＞AI 控制。

（2）確保運行安全性的基礎上對不同區域配置不同亮度的燈具，例如設備較多的區域需要保證燈光亮度充足，走廊等區域維持正常亮度滿足行走條件即可。針對水利工程中不同區域的照明用電標準可參考：辦公室LPS 為11.1W/m2；自動化工作室為10W/m2；生廠工廠為 14W/m2；倉庫為 9.1W/m2；停車場為 3W/m2。

（3）安裝階段應用電流鎮流器了解照明系統的工作狀態，保證其功率因數穩定，滿足基本照明需求。

（4）充分利用地形、位置等優勢進行方案規劃，如水利工程中設備存儲倉庫朝向、地質因數等，充分發揮自然光的照明價值，維持功率因數。

在進行系統處理是可以利用變頻調節燈光強度實現節能處理，如表1 所示，其中整理部分常規性變頻調節結果對比，其中N1和N2表示燈具亮度，相應的P1、P2為有功功率，根據其結果和實際需求進行合理搭配，從而提升系統節能性[1]。可應用PLC 技術對電氣控制裝置進行編程，根據現場特定情況進行燈光亮度控制，配合現場手工調節提升運作穩定性。在燈具選擇方面盡可能應用節能型LED 燈和高壓鈉燈，提供足夠光源的同時實現綠色節能。表1 為變頻節能性比較。

表1 變頻節能性比較

3.2 電動機節能處理技術

電動機作為支撐和水利工程運作的重要主體，在運作過程中消耗的能量最大，其中，尤其大型泵站中針對電動機節能處理，應重點關注電動機性能和損耗情況，同時融入經濟性和功能性原則的思考，做好設備間的經濟比較。一般情況下，針對部分運行功率超過800kW 的設備需搭配與之相匹配的電網，供同步電機設備和異步電機設備運作，針對運行功率在1600kW 以上的電動機設備，在選擇配套電網時需以異步電機設備為主要參考，如繞線型設備或鼠籠型設備等，有效提升泵站運行的節能性。

3.3 通風空調節能技術

暖通空調在水利工程項目中十分常見，且造成的損耗相對較大，因此節能技術在水利工程中的落實務必加強對通風空調系統的優化。具體可以根據工程內部建設情況，劃分為地下廠房空調系統、獨立通風系統、廠房去濕氣系統。由于水利工程電力系統具有規模大、層級多、內部結構復雜的特點，使得其通風系統并不能完全依靠自然風，尤其針對一些發電機層及其夾層、母線洞以及水輪機組的位置。在設計過程中需要融入節能理念，如副廠房左側設置直接進行外部通風的口，這一通風口還可作為消防通道，并分割為兩部分，一側為蓄電池室通風，另一側為出入通道，并建立起風樓設置氣流分隔板，合理區分進、排風避免交叉。還可在頂部設置包攬全長的送風管道。

地下廠房獨立通風系統的節能設計可以在發電機組和水輪機組下游墻壁上安裝軸流風機，利用風管進行空氣排出，經過排風管的空氣會經過母線洞排出廠外。為進一步滿足節能設計，可以在主廠房頂部設置排煙管道，布置軸流式排風機，配合煙霧傳感器實現自動排風，同時還需設計相應的防煙系統、通風井等。

去濕氣系統需要在水輪機組安裝除濕設備，主要應用于初期暖風空調尚未使用階段，導致現場環境十分潮濕，對一些高精度設備、儀器帶來一定傷害。因此需要應用移動式除濕設備，連接電源線了和電源箱，用軟管收集凝結水并排出。

3.4 調節電氣功率因數

電氣系統是保證水利工程運作的保障部分，需要結合實際情況調整系統功率，降低損耗情況實現節能處理。具體可以參考以下幾種方式。

例如，可利用電氣自身功能實現無功補償，從而提升供電器系統運行速度，改變原本電容器功率性質轉有功為無功，消除一些不良作用力，從而降低運行損耗。利用補償柜上的自動補償控制裝置，當電機開始運作時，若存在功率因數不達標，則可通過該裝置進行自動投入，提升電網功率因數，避免由于線路問題而造成的變壓器損壞。設計時可以采用電機分散就地補償法改善啟動條件，釋放系統容量，也可采用母線集中補償法設置補償柜，對整個區域進行功率補償，提升節能效果。通過低轉速異步電動機所獲取的能量相對有限，因此在施工建設過程中可以向相關供電部門提出補償，一般來說補償電動機為90%左右，為保證在補償過程中電流的穩定性，需要采取一定防爆、防觸電連接措施降低電流沖擊影響。

在水利工程電氣系統中，無功功率的形成因素主要包括相位角與高次諧波，高次諧波由電子設備非線性負載而產生，導致電力系統無功損耗被增加[2]。針對這一問題所應用的節能技術主要針對可能產生諧波的泵站，詳細調查其啟動裝置，針對采用變頻器的泵站節能處理技術需安裝濾波裝置、諧波監測裝置，確保有效控制無功損耗，保證輸出內容的合理性。

3.5 供電系統節能處理

在進行供電系統節能技術應用時，主要明確負荷等級和供電電壓選擇兩部分入手。對不同設備的符合情況進行計算，明確后計算最佳負載系數，再根據結果進行系統容量設計，保證合理性。一般情況下負載率數值需要控制在0.75~0.90 之間，并為其搭配相應變壓器設備，保證能耗和高功率區間的標準性，變壓器始終保持在平衡狀態，針對不平衡負載可以自動啟動備用設備，避免故障造成的電氣系統損壞。在負載計算方面的節能設計需要根據其額定功率“PN”對設備容量進行計算，此過程切忌盲目累加，需要結合設備工作時間等進行換算，計算設備容量“Pe”，長期工作制好短期工作制的設備容量為“PN=Pe”。針對用電設備組的負荷計算取用供電系統中半小時最大負荷Pca，在水利工程中用電設備組內的電氣并不是同一時間運作的，且不會存在全員滿負荷狀態，加之電氣設備自身的功率損耗情況，因此進行節能設計時可計算有功負荷，公式如下。

式中：KΣ——設備組最大負荷時設備容量與全設備容量比；KL——設備負荷系數；η——設備組平均效率；η1——配電線路平均效率。

針對供電電壓選擇方面落實節能技術，根據以往經驗可以發現，水利工程中泵站設備運行電壓數值越高，其存在的損耗量越小。在進行節能處理時可根據電機系統功率情況進行配套處理，若功率在200kW 以內，電壓則選擇380V；若配套電機系統在280kW 以上，供電電壓選擇10kV。在設計時可以將變電所設置在符合中心，降低供電距離縮短輸送電線路，降低損耗的同時節約成本，與電氣節能技術應用原則相一致[3]。為保證供電系統達到理想化節能，可以在變配電系統中應用智能化監控技術，借助監控掌握電氣系統的實時數據，并利用大數據、云計算等進行匯總分析，根據結果明確運行狀態，做到科學調控降低能耗。此外，還需置換水利工程中所應用的老舊變壓器，根據當前市場情況來看，變壓器普遍具備高效率作用，但部分變壓器基站仍以老式為主，需要及時替換更新，提升節能效果。

3.6 基礎參數控制

針對導向長度、電阻率以及導向材質等方面需要根據需求選擇更具有節能性特征的物品，科學控制基礎參數，具體注意以下3 點。

（1）在水利工程電氣系統中針對線纜的選擇盡可能使用銅芯線纜，具有電阻率小、節能效果更高的特點，用于能耗較高的泵站中。

（2）線纜長度參數預留一定長度即可，盡可能剪短長度，一方面由于水利工程電氣系統的復雜性和設備多樣性，會存在電纜線纏繞的情況，剪短后能夠保證現場環境的整潔度，降低纏繞損壞風險；另一方面能夠減少線路損耗問題。在實際落實時需按照線路順序完成對變配電裝置室的設計，區分高壓裝置和低壓裝置。為保證合理性需要確保主機柜與主電機、高壓裝置與終端桿位置靠近，確保電纜線路最短，控制線路損耗[4]。

（3）合理選擇電纜和導線的截面，既要符合過載流量和電壓損失等，又要融入經濟性思考，在選擇電纜線時結合不同設備電流密度選擇合適的截面面積，降低電能損耗，同時對于有色金屬資源方面能夠起到節約作用，降低生產、施工成本，需綜合考量工程實際、能源、使用周期、使用壽命等多種影響因素[5]。

4 結語

新時期我國水利工程設計和建設越來越關注節能方面的思考，在電氣系統節能技術應用方面仍具有很高的上升空間。設計人員務必不斷學習新技術，結合水利工程電氣裝置運行的實際情況展開分析，優先了解不同電氣設備運作規律和負載情況，并從節能性、可行性以及穩定性方面展開深度思考，分析如何降低設備能耗情況，重點關注照明系統、電動機、通風空調系統、電氣功率、供電系統以及基礎參數控制等多方面內容，促進經濟效益綜合提升。