工業(yè)電氣設(shè)計(jì)在電氣節(jié)能方面的探討

李寶山

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810000）

我國(guó)改革開放后的工業(yè)發(fā)展迅猛，擔(dān)負(fù)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及滿足人民生活物質(zhì)需求的重任。工業(yè)的快速發(fā)展離不開電力資源的支撐，隨著工業(yè)體量的增大，我國(guó)的工業(yè)用電量需求擴(kuò)張。然而電力作為二次能源，其資源的利用是建立在對(duì)石油、煤炭等不可再生資源的消耗上。我國(guó)是電資源消耗大國(guó)，所面臨的能源危機(jī)更加緊迫。若不能夠采取有效措施提高能源利用率、開發(fā)使用清潔能源，能源枯竭的發(fā)生則不再遙遠(yuǎn)。同時(shí)電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢氣、廢水若不經(jīng)過處理，將對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不可逆的污染，不僅影響生態(tài)環(huán)境，甚至將導(dǎo)致居民身體疾病。因此改革工業(yè)電氣設(shè)計(jì)使其更加節(jié)能環(huán)保，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的應(yīng)然之意。我國(guó)也已設(shè)立相關(guān)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，開始著手解決工業(yè)電氣中的節(jié)能問題。并期望通過不斷地技術(shù)革新，最終使我國(guó)不再面臨能源枯竭的窘境。

1 工業(yè)電氣設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的節(jié)能原則

工業(yè)電氣設(shè)計(jì)向節(jié)能化改革是大勢(shì)所趨，行業(yè)中涌現(xiàn)出許多電氣節(jié)能方面的創(chuàng)新。然而由于缺乏原則性的指引，整體呈現(xiàn)出雜亂無章的狀態(tài)，各節(jié)能操作之間銜接性差，甚至相互沖突。因此在設(shè)計(jì)電氣節(jié)能方案時(shí)，應(yīng)以統(tǒng)一的原則作為指引，使工業(yè)電氣設(shè)計(jì)發(fā)揮出最大的節(jié)能效果。在提高設(shè)計(jì)方案可行性的同時(shí)還要兼顧電氣設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)平衡節(jié)能效果最大化與電氣設(shè)施高效率運(yùn)行之間的矛盾。筆者從設(shè)計(jì)整體出發(fā)，以全局視角提出以下四個(gè)原則。

1.1 不損害設(shè)備原有功能

工業(yè)電氣設(shè)備的核心功能為高效率地生產(chǎn)工業(yè)用電。而目前許多節(jié)能設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)嚴(yán)重影響工業(yè)電氣設(shè)備的原有功能。這無疑是對(duì)節(jié)能改造的理解存在偏差，為了節(jié)能效果犧牲生產(chǎn)效率屬于嚴(yán)重的本末倒置。因此在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵守不損害設(shè)備原有功能原則，在二者發(fā)生沖突時(shí)以保障生產(chǎn)效率為先。電氣節(jié)能研發(fā)部門應(yīng)避免急功近利的心態(tài)，在增大節(jié)能效果的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的生產(chǎn)效率的減損情況。

1.2 確保節(jié)能方案的可操作性

節(jié)能方案在設(shè)計(jì)完成后不能夠僅停留在理論階段，更重要的是在工業(yè)電氣生產(chǎn)中發(fā)揮理想的效果。有些節(jié)能方案雖然在理論設(shè)計(jì)上看似合理，但對(duì)實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景的預(yù)設(shè)不足，無法將設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際。這對(duì)于節(jié)能設(shè)計(jì)的時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)成本都是極大的浪費(fèi)，為避免紙上談兵的情況發(fā)生，方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下三方面：首先了解方案中所涉及的設(shè)備在行業(yè)中的普及性，避免出現(xiàn)無設(shè)備可用的情況。其次明確方案中涉及的技術(shù)是否成熟，是否具備足夠的穩(wěn)定性及可操作性。最后需要判斷節(jié)能方案是否具備足夠的經(jīng)濟(jì)效益，是否在投入資金后能夠獲得足夠的收益。節(jié)能設(shè)計(jì)方案只有在滿足以上條件時(shí)才有投入工業(yè)電氣生產(chǎn)實(shí)踐中的必要性。

1.3 保障節(jié)能方案的真實(shí)效果

節(jié)能效果是衡量節(jié)能方案有效性的核心指標(biāo)，應(yīng)確保方案實(shí)施后具備滿足預(yù)期的節(jié)能水平。避免復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案落地后發(fā)現(xiàn)不具有節(jié)能效果的情況發(fā)生。因此在節(jié)能方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以節(jié)能效果為重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。在確保節(jié)能方案的可操作性的基礎(chǔ)上，保證方案能夠達(dá)到減少能源浪費(fèi)、減少污染排放的實(shí)際效果。可將可持續(xù)能源作為方案設(shè)計(jì)的突破口，為工業(yè)電氣的節(jié)能設(shè)計(jì)提供有效、覆蓋性強(qiáng)的解決路徑。

2 工業(yè)電氣設(shè)計(jì)中節(jié)能方案的具體措施

筆者通過長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納出以下幾方面切實(shí)可行的節(jié)能方案具體措施。包含了電氣設(shè)備組合優(yōu)化、配電系統(tǒng)模式調(diào)整和照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等具有實(shí)踐價(jià)值的方面。下文將對(duì)三類具體措施進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為節(jié)能方案的設(shè)計(jì)提供思路參考。

2.1 注重電氣設(shè)備的組合優(yōu)化

工業(yè)電氣設(shè)備紛繁復(fù)雜，需要各設(shè)備相互連接共同構(gòu)成工業(yè)電氣生產(chǎn)系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電氣設(shè)備型號(hào)的選擇、設(shè)備間的連接方式、設(shè)備連接順序的不同均會(huì)對(duì)能源消耗產(chǎn)生不同的影響。因此在設(shè)計(jì)電氣設(shè)備間的組合時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)計(jì)算不同組合的能源利用率高低，選擇其中節(jié)能效果最佳的組合方式。減少能源浪費(fèi)，使無用功率降到最低，同時(shí)提高電氣生產(chǎn)流程的機(jī)械效率。在注重節(jié)能效果的基礎(chǔ)上確保電氣生產(chǎn)效率達(dá)到最大化。

2.2 優(yōu)化配電系統(tǒng)

工業(yè)電氣設(shè)備的配電系統(tǒng)關(guān)涉到電氣設(shè)備整體生產(chǎn)效率以及能源配置，因此是電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)部分。首先要注意工業(yè)用電系統(tǒng)與家庭用電系統(tǒng)的差異，前者在電氣設(shè)備的種類、數(shù)量、復(fù)雜性上與后者具有極大的差異。而配電系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中能夠發(fā)揮更為重要的作用，工業(yè)電氣體系的配電系統(tǒng)在節(jié)能方面具有更強(qiáng)的可操作性。其次，為了達(dá)到更好的節(jié)能效果，應(yīng)通過配電系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行最大的簡(jiǎn)化，避免消耗無用功率。最后，應(yīng)將電氣設(shè)備自身運(yùn)行所需的電壓調(diào)整至最低狀態(tài)，減少設(shè)備運(yùn)行中的耗電量。從生產(chǎn)設(shè)備自身消耗入手，降低設(shè)備生產(chǎn)時(shí)的能耗。同時(shí)需注意配電系統(tǒng)調(diào)整方案的可操作性，避免違反上文所提到的三原則。

2.3 選擇變壓器注重節(jié)能高效

變壓器是工業(yè)電氣體系中的核心設(shè)備，其存在對(duì)工業(yè)電氣生產(chǎn)不可或缺，是重要的設(shè)備組成部分。在電氣生產(chǎn)過程中，電壓器需要持續(xù)保持運(yùn)行。因此電壓器的耗電量是工業(yè)電氣生產(chǎn)體系總體耗電中的重要部分。通過減少電壓器的消耗，可以提高生產(chǎn)體系的節(jié)能效率。因此可以從變壓器的型號(hào)入手，對(duì)不同型號(hào)的電力消耗、生產(chǎn)效率進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算評(píng)估，從而選擇節(jié)能性最好、運(yùn)行消耗最少的型號(hào)進(jìn)行推廣安裝。然而要注意通過理論計(jì)算出的數(shù)值與實(shí)際應(yīng)用間的不同，應(yīng)避免不同的生產(chǎn)設(shè)備對(duì)變壓器能耗的影響所帶來的計(jì)算誤差。可以在常規(guī)工業(yè)電氣生產(chǎn)中注意記錄變壓器耗電量的數(shù)值，實(shí)際生產(chǎn)中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)型號(hào)判定具有重要的意義。通過高效率的變壓器選擇，一方面可以減少生產(chǎn)中變壓器本身所導(dǎo)致的用電浪費(fèi)，另一方面可以同時(shí)提高電力生產(chǎn)效率，多角度協(xié)同發(fā)揮出最佳節(jié)能效果。

2.4 利用智能系統(tǒng)控制照明設(shè)備

在工業(yè)電氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，必不可少的能源消耗就是照明所需要的電力。電氣生產(chǎn)場(chǎng)景對(duì)照明環(huán)境要求很高，在高亮度的基礎(chǔ)上還需要更大的照明范圍。在以往的照明體系設(shè)計(jì)中，無法做到對(duì)照明設(shè)備的精細(xì)控制，為了確保電氣生產(chǎn)高效性，所有照明設(shè)備均長(zhǎng)期保持最大功率運(yùn)行。然而生產(chǎn)人員具有流動(dòng)性，在沒有人員參與的生產(chǎn)領(lǐng)域則不需要進(jìn)行照明，部分區(qū)域不需要過高的照明亮度。通過對(duì)照明設(shè)備安裝智能系統(tǒng)，將信息技術(shù)與建筑照明相結(jié)合，達(dá)到精細(xì)操控的效果。結(jié)合實(shí)際照明使用情況，對(duì)生產(chǎn)車間不同區(qū)域的亮度進(jìn)行差異化調(diào)節(jié)，根據(jù)常規(guī)使用時(shí)間控制照明設(shè)備的自動(dòng)開關(guān)，智能化計(jì)算自然光源與人工光源的互補(bǔ)模式。通過精準(zhǔn)調(diào)配照明設(shè)備，將照明設(shè)備的能源浪費(fèi)降到最低。不僅節(jié)約了電氣生產(chǎn)的能源消耗，同時(shí)還降低了人工成本，不再需要人工對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行管理和調(diào)試。因此智能照明系統(tǒng)的建立對(duì)節(jié)能方案的有效實(shí)施具有重要意義。

2.5 合理調(diào)配照明系統(tǒng)

第一，注重自然光源的利用。這需要在生產(chǎn)建筑建設(shè)前就進(jìn)行規(guī)劃，通過建筑玻璃位置及大小、建筑朝向、建筑層高等方面的設(shè)計(jì)，確保自然光照射時(shí)間最長(zhǎng)。這樣能夠盡量減少照明設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間以節(jié)約用電。在生產(chǎn)建筑完成后，可以通過調(diào)整窗戶的大小、高度、數(shù)量等來增加光照時(shí)間。第二，合理設(shè)計(jì)照明設(shè)備的控制方案。可以在燈具中加入光敏元件，檢測(cè)自然光的強(qiáng)弱后調(diào)整電力照明的強(qiáng)弱。此外在各燈具中加入用電檢測(cè)配件，及時(shí)檢測(cè)用電數(shù)據(jù)并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)高能耗照明設(shè)備產(chǎn)生的原因并提出針對(duì)性的節(jié)約方案。通過為照明設(shè)備配置多種類的監(jiān)控元件，增強(qiáng)對(duì)照明系統(tǒng)能源消耗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而增強(qiáng)對(duì)整體資源的控制能力。第三，使用更新節(jié)能技術(shù)的照明設(shè)備。隨著時(shí)代的發(fā)展，各行業(yè)均不斷發(fā)生技術(shù)突破，照明設(shè)備也不例外。相比于老舊的照明設(shè)備，目前的照明技術(shù)已成功研發(fā)出亮度更高、能耗更小、價(jià)格更低的燈具。電氣生產(chǎn)應(yīng)了解照明設(shè)備的技術(shù)更新，選擇更為節(jié)能環(huán)保的照明設(shè)備，及時(shí)對(duì)落后的高能耗燈具進(jìn)行替換。第四，合理布置照明設(shè)備。應(yīng)充分考慮工業(yè)生產(chǎn)的立體空間，避免各位置不加區(qū)分的設(shè)置燈具。根據(jù)不同生產(chǎn)流程場(chǎng)所位置的不同，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的燈具位置布局。避免出現(xiàn)在照度需求高的區(qū)域出現(xiàn)背光或照度要求低的區(qū)域亮度過高的情形。對(duì)具有特殊需求的部分區(qū)域單獨(dú)設(shè)置照明設(shè)備，差異化照明布局以提高照明能源的利用率。第四，提高空間采光面積。充分利用室內(nèi)白色墻面等受光面的反射性，增加光照反射效率。對(duì)人員停留時(shí)間短暫、使用頻率低的區(qū)域，設(shè)置聲控或光敏感應(yīng)開關(guān)以避免能源浪費(fèi)。

2.6 節(jié)能設(shè)計(jì)中變壓器的選擇原理

變壓器在節(jié)能設(shè)計(jì)中的地位十分重要，在選擇時(shí)應(yīng)將材質(zhì)、電阻、負(fù)載率等方面作為是否高效節(jié)能的判斷標(biāo)準(zhǔn)。電阻率小的變壓器對(duì)電能的浪費(fèi)更小。在采制方面應(yīng)選擇銅制變壓器，對(duì)電能的利用率更高。變壓器的負(fù)載率應(yīng)在75%～85%之間。多方面條件共同匹配，可以高效的選擇出節(jié)能效果最優(yōu)的變壓器。但仍需注意挑選變壓器的方案應(yīng)具有實(shí)際操作性[1]。

2.7 有效抑制諧波

諧波問題在工業(yè)電氣生產(chǎn)中不容忽視。工業(yè)設(shè)備及電子設(shè)備之間的相互影響導(dǎo)致諧波電流的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)工業(yè)電氣生產(chǎn)造成極大的不利影響。除會(huì)降低電動(dòng)機(jī)4%～6%的生產(chǎn)效率外，還會(huì)加速線路損耗1.5到2.5倍。對(duì)變壓器產(chǎn)生過熱的不利影響，并大幅增加鐵損和銅損。諧波還會(huì)誤導(dǎo)繼電器，提高錯(cuò)誤動(dòng)作的發(fā)生概率。使電氣儀表的數(shù)值不準(zhǔn)確，產(chǎn)生2%～20%的誤差。因此諧波的存在對(duì)工業(yè)電氣生產(chǎn)危害巨大，不僅造成電氣資源的浪費(fèi)，還對(duì)電氣的生產(chǎn)安全造成威脅。解決諧波問題是節(jié)能設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題，應(yīng)從多角度予以著手。一方面可以通過設(shè)備解決諧波問題。通常的操作是在變壓器等特殊的用電設(shè)備上安裝濾波器。濾波器分為無源和有源兩種類型，二者混用將發(fā)揮最大的節(jié)能效果。通過濾波器能夠有效過濾相線和中性線中的諧波電流。減少電路損耗，增強(qiáng)能源利用的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果，對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行提供了有效的保障。另一方面，還可以與通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出專門的智能電氣控制系統(tǒng)。在各設(shè)備及設(shè)備中的重要零件上安裝電子元件，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的用電狀態(tài)。若發(fā)生用電狀態(tài)異常可及時(shí)予以警報(bào)，并對(duì)常見故障進(jìn)行智能化分析，提供可能的解決方案。提高工作人員的故障排查效率，避免逐一排查所導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi)。同時(shí)可設(shè)置預(yù)警狀態(tài)，對(duì)長(zhǎng)期偏離或大幅度偏離標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)予以警報(bào)提醒，幫助工作人員提前發(fā)現(xiàn)可能的故障風(fēng)險(xiǎn)并予以預(yù)防[2]。

2.8 降低電力運(yùn)輸中的能源損耗

電力在運(yùn)輸中一定會(huì)產(chǎn)生損耗，運(yùn)輸路徑越長(zhǎng)所產(chǎn)生的損耗越多。線路損耗不可能完全消除，但可以通過多種方式予以降低。首先，合理設(shè)計(jì)線路布局，在確保各項(xiàng)用電需求的基礎(chǔ)上，盡量縮短線路長(zhǎng)度，避免重復(fù)、無用線路的發(fā)生，提高電力運(yùn)輸效率。其次，選擇最合適的導(dǎo)線截面積。截面積越大的導(dǎo)線產(chǎn)生的電流損耗越小，選擇最合理的導(dǎo)線粗度，有效平衡生產(chǎn)所需電壓與電流損耗之間的關(guān)系以達(dá)到資源最優(yōu)配置。

2.9 減少空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗

為滿足不同的生產(chǎn)需求，應(yīng)采取不同的節(jié)能措施。若生產(chǎn)規(guī)模較大且對(duì)溫度控制需求較高，應(yīng)選擇多臺(tái)空調(diào)協(xié)同工作。更方便于自動(dòng)化設(shè)計(jì)，通過信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化控制以達(dá)到電力配置最優(yōu)方案。同時(shí)還可以避免大功率電氣同時(shí)啟用所導(dǎo)致的超負(fù)荷故障，能夠有良好的節(jié)能效果。若生產(chǎn)規(guī)模不大或?qū)囟瓤刂菩枨筝^低，空調(diào)使用非常態(tài)化的情況下，可以選擇大功率的空調(diào)電氣，這類空調(diào)具有變頻調(diào)節(jié)功能，對(duì)冷水機(jī)組能夠自動(dòng)檢測(cè)或手動(dòng)設(shè)置在低頻模式上，能夠有效的減少整體空調(diào)的能源消耗[3]。

3 結(jié)語

工業(yè)電氣是我國(guó)工業(yè)發(fā)展的重要能源保障，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐力量。然而目前電氣資源緊張問題已愈發(fā)凸顯，加快工業(yè)電氣生產(chǎn)中的節(jié)能設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。行業(yè)人員應(yīng)提高認(rèn)知，充分認(rèn)識(shí)到節(jié)約資源的緊迫性，加大對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的探索。在保障現(xiàn)有的工業(yè)電力需求的同時(shí)，投入足夠的人力物力研發(fā)可持續(xù)發(fā)展的新路徑。為相關(guān)專業(yè)科研人員提供更好的發(fā)揮空間，通過物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)激發(fā)其自我提升。全行業(yè)多角度共同發(fā)力，組成電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的良好閉環(huán)。為我國(guó)解決能源危機(jī)問題提出行之有效的方案，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的發(fā)展。