淺談降低工業(yè)站場配電設計中的電能消耗方案

山東萊克工程設計有限公司 孟凡竹

為積極響應國家“碳達峰、碳中和”的目標，如何在保障生產需求的同時，有效降低電能消耗，成為當前工業(yè)領域亟待解決的問題。通過本文的研究，期望能夠為工業(yè)站場的綠色發(fā)展和能源利用效率的提升貢獻一分力量。

1 針對不同要因制定對策并模擬實施

1.1 現(xiàn)狀調查及原因分析

以本公司參與設計的、已運行5～10年的某項目為基準進行調查，包括長輸管道、油田內、陸地油氣處理這三類項目25個站場，共統(tǒng)計導致電能消耗大的原因有四個：缺少相應的節(jié)能降耗方案、配電線路配置不合理、電機運行損耗大、三相電源不平衡。通過頻率累計找到了導致市電電能消耗大的主要問題癥結為缺少相關節(jié)能方案，大部分站場僅考慮建設，未考慮遠期投運后的長期耗電。從人、機、料、法、環(huán)5個方面進行分析查找導致電能消耗的因素，如圖1所示，從不同角度出發(fā)，找出了導致站場電能消耗大的9條末端因素和2個要因：無降低市電電能消耗方案；空調負荷大。

圖1 電能消耗大原因分析圖

1.2 探索其他形式供電方案（針對要因1：無降低電能消耗方案）

以廣西桂林地區(qū)的輸氣站為例，溫濕度大，最大連續(xù)無光日為6天，站內總用電負荷26.84kW，年用電量為23.51×104kWh，進行市電與太陽能方案比選，比選結果如表1所示。綜合對比，市電方案占地面積小，運行成本逐年增加；離網(wǎng)太陽能方案供電可靠性差、占地面積大，但能實現(xiàn)自發(fā)自用，兩種方案均無法達到節(jié)能降耗的目的。將一部分市電用綠電提代的方案：即采用以市電供電為基礎，利用有限的位置設置并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置，站內自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。

表1 供電方案比選表

更改主接線配置：在原有市電、發(fā)電機進線雙電源切換的基礎上，增加光伏進線回路，如圖2所示；空間布置：工業(yè)站場的無人值守站內，除裝置區(qū)外所有設備成橇，利用預裝式變電站和橇裝機柜間兩個橇體上方的空間，做光伏棚[1]，即可遮陽擋雨，也無需額外征地，還可以利用光伏發(fā)電并網(wǎng)減少站內用電消耗。

圖2 光伏并網(wǎng)主接線圖

1.3 對空調外橇體外殼進行保溫(針對要因2：空調負荷大)

空調負荷大原因：使用溫度測量儀器對環(huán)境溫度進行測量和記錄，結合現(xiàn)場空調所在位置、運行狀態(tài)、溫度變化的情況進行調研。經(jīng)廣西、四川、陜西、黑龍江四個省橇裝設備運維人員反饋，多站的橇裝結構的屋體均無法滿足其內設備運行溫度要求，為了達到設備及人員操作的環(huán)境溫度（26℃）需要空調進行降溫或升溫，空調大功率運行時噪音大、空調表面溫度高，空調均按75%以上的功率運行，大功率運行時的耗電量大。

探索新材料：空調容量的選型依據(jù)包括房間面積、朝向、橇體內部設備的散熱量和橇體隔熱性，前三者對于站場工程而言無法調整，那么橇體的隔熱性能則直接影響空調負荷在電力系統(tǒng)中用電負荷的占比。目前反射型輻射制冷膜在多個領域有應用，例如工業(yè)領域的戶外柜體，將反射膜貼在橇裝設備的表面，可以讓溫度較高的柜體外殼向外輻射的能量不與大氣層進行熱傳遞，從而降低能耗。

實施效果：采用反射型輻射智冷模，將空調所處橇裝設備外殼進行包裹，利用反射膜的反射原理，實現(xiàn)了空調所處橇裝設備的外殼保溫。室內外溫差減少了8～11.4℃，減少了空調長時間大功率運行的情況，大大降低了電能消耗。實施前后空調負荷占比如圖3所示。

圖3 各地區(qū)橇裝設備內外溫差及空調負荷占比

圖4 分輸站太陽能光伏棚布置圖

2 工業(yè)站場降低電能損耗的應用分析

2.1 站場并網(wǎng)光伏設計

光伏發(fā)電裝置的空間布置：與地面光伏發(fā)電系統(tǒng)設計不同，工業(yè)站場的光伏發(fā)電系統(tǒng)方陣設計受到面積限制，需要根據(jù)所在地的氣候環(huán)境特點，重點分析該地區(qū)太陽能資源情況、周圍建筑和工藝裝置的遮擋等因素，最終合理確定發(fā)電功率配套系統(tǒng)[2]。光伏系統(tǒng)的裝機容量很大程度上取決于安裝的太陽能電池板的面積，因此要確保有足夠的可利用面積來安裝光伏板。以廣西地區(qū)一站場為例，在SmartPlant 三維軟件中進行3D 建模，利用兩橇上方空間布置光伏棚，立柱安裝，無需額外征地，光伏棚面積18m×5m=90m2。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的組成：光伏組件。太陽能光伏板是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能轉換為電能。太陽能光伏板的質量直接關系到整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉換效率。考慮檢維修通道等尺寸，共可放540Wp 光伏組件24塊，安裝容量為12.96kWp；逆變器。是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責將太陽能電池板產生的24V 直流電轉換成220V 交流電，以便接入站內低壓電網(wǎng)進行補充供電[3]；并網(wǎng)柜。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過逆變器整流后轉換成AC380V 50Hz 電源，光伏電源需與正常電網(wǎng)之間設置合理的并網(wǎng)方式，保證電源的可靠運行。并網(wǎng)接入點一般選擇在站場低壓母線上，并網(wǎng)柜與低壓母線的總配電進線處設置雙電源轉換開關和防逆流裝置，防止向市電電網(wǎng)反送電，實現(xiàn)站內電能的自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。

計算年輻射量：利用PVsyst7.2軟件計算年輻射量，輸入地理坐標、采光面傾角和方位角，經(jīng)計算廣西地區(qū)年輻射總量為1194kWh/m2。發(fā)電量計算如下：Ep=Ha×PAZ/ES×K，其中：Ha為水平面太陽能總輻照量（kWh/m2，峰值小時數(shù)）；Ep為上網(wǎng)發(fā)電量（kWh）；ES為標準條件下的輻照度（常數(shù)=1kWh/m2）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數(shù)，光伏裝置發(fā)電量Ep=1194×12.96/1×0.821=1.27×104kWh。本站年用電量23.51×104kWh，實施前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。經(jīng)過光伏并網(wǎng)裝置的實施，使工業(yè)站場每年的市電電能消耗降低了5.4%。

表2 年用電量對比表

2.2 對空調所處橇體外殼貼附反射膜

在廣西地區(qū)進行試驗，反射膜的材料應該具有高反射率，以確保能夠將太陽光有效地反射到光伏板上；同時使用也需要注意安全問題，避免因為反射膜的安裝或使用不當導致人員傷害或其他安全隱患[4]。橇裝機柜間內設置1臺12kW/380V 壁掛式空調，通過對比安裝反射膜前后的溫度數(shù)據(jù)，效果如表3所示。經(jīng)過粘貼反射膜的實施，使空調的電能消耗降低了25.37%。

表3 安裝反射膜前后情況匯總表

3 經(jīng)濟效益分析

通過本文兩種對策的實施，均降低了市電電能的消耗，年用電量共降低了2.63×104kWh/a，降耗11.19%，結果如表4所示。

表4 實施前后的年用電量對比表

對于工業(yè)站場，通過降低電能消耗，企業(yè)可以減少能源成本支出，提高經(jīng)濟效益，本次課題成果中，年用電量降低了2.76×104kWh，地方電網(wǎng)電價為0.7215元/kWh，直接經(jīng)濟效益減少1.99萬元；而對于整個地球的環(huán)境保護，工業(yè)站場使用的電能往往來自燃煤發(fā)電，碳排放量每年減少了25.99t。

除此之外的效益分析如下：減少企業(yè)的運營成本。如果能夠降低電能消耗，就意味著可以減少企業(yè)的運營成本，提高企業(yè)的盈利能力，這對于企業(yè)的長期發(fā)展具有積極的影響[5]；有助于提高企業(yè)的競爭力。在當今的市場競爭中，企業(yè)的成本控制能力成為了衡量企業(yè)競爭力的重要指標之一，有效地降低電能消耗就具備了更強的競爭力，可以在市場中獲得更大的份額；有助于推動社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著全球能源危機的加劇和環(huán)境污染問題的日益嚴重，節(jié)約能源已經(jīng)成為了社會發(fā)展的重要議題。降低電能消耗不僅可減少能源的消耗和浪費，還可以降低環(huán)境污染和碳排放，推動社會的可持續(xù)發(fā)展[6]。

4 結語

本文提出了針對性的節(jié)能措施和解決方案。降低電能消耗對于經(jīng)濟效益的提升和社會的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。在實際操作中，工業(yè)站場可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的雙贏。通過本文的研究和探討，希望能夠為工業(yè)站場的節(jié)能減排工作提供有益的參考和借鑒，為推動我國工業(yè)領域的可持續(xù)發(fā)展做出積極的貢獻。