钢铁企业电气节能设计的一般方法的建设

　　0 概述
　　钢铁企业是高能耗产业，年耗电量占全国总用电量的8%左右，居各行业前位，因而钢铁企业的节能有着十分重要的意义。做为钢铁设计单位的专业人员，应充分了解、掌握钢铁各生产工艺段的工况、过程、特点，选用最优化的设计方案，同时应严格贯彻执行国家节能环保、减排等产业政策，为企业及社会带来明显效益。
　　本文仅对钢铁企业电气设计过程中常用的节能措施进行一般性阐述，未做深入的理论计算，目的是为了提高电气设计人员的节能意识及业务水平，并运用在工程实践之中。
　　1 电气主要节能措施
　　1.1 电力变压器的节能
　　电力变压器既是重要的变电设备，也是主要的耗电设备，在电力系统中数量庞大，占有重要地位，合理地选择各类变压器的数量、型号、容量、负载率及运行方式等，对于电气节能有着十分重要的意义。
　　1.1.1 变压器选型
　　油浸式变压器选用S11系列及以上，干式变压器选用S10系列及以上的节能、环保、低损耗、低噪音型新型变压器，该类变压器铁芯一般均采用高导磁的优质冷轧晶粒取向硅钢片。
　　同容量S11系列变压器空载损耗比S9系列降低30%，年综合电量损耗降低35%以上，节电效果明显，采用S11系列变压器替代S9系列同容量变压器，设备投资增加15%～20%，一般3年左右通过节省的电能费用可平衡增加的设备成本，而变压器工作年限一般为25～30年，因而其运行3年后节电量为净节电量。企业用量庞大的为低压配电变压器，如一台10/0.4kV 1250kVA的低压配电变压器，采用S11系列比采用S9系列年节省电能约5000kWh，合人民币3150元（按工业用电平均0.63元/ kWh计算），在其正常工作寿命期内共节省电能约125000 kWh，折合人民币78750元。一个中型冶金企业此类配电变压器数量一般为几十台，节电效益明显。
　　1.1.2 变压器负载率
　　变压器在低负载率状态下不仅造成设备自身投资增大，而且运行功率因数低，造成较大的有功及无功损耗，因而当变压器负载率低于30%时应及时更换为小容量。变压器的经济运行点为负载率75%左右，设计、选型时应予以考虑。变压器并非在电气工作寿命完全终结时才予以更换，对于电气寿命仅剩余2～3年时，应经技术经济比较后确定是利旧还是更换为新型节能变压器。少数钢铁企业还有铝芯变压器运行，年代久远，从节能及用电安全角度考虑，应予以及时更换。
　　1.1.3 变压器工作环境
　　变压器工作环境温度对变压器出力、绝缘、安全运行及寿命有着较大的影响。变压器长期运行在98℃时，使用寿命为20年，当长期运行在在104℃时，使用寿命为仅为10年。油浸式变压器只有其上层油温不超过85℃，才能保证其正常的使用寿命。
　　部分钢铁企业总降变电所要求夏季时在主变压器室内设置移动风机对主变进行散热冷却，因而在主变压器室设计时，应考虑在满足主变压器安装、进出线便利等条件下，尽可能将主变压器室布置于空气畅通，少阳光直射的位置。
　　当低压干式配电变压器与低压配电柜贴临布置于低压配电室内时，由于变压器均配有IP40等级防护外壳，造成其散热不畅，故在设计此类配电房时可考虑在室内配置空调以降低变压器温升，此举虽增加了部分空调设备投资及其耗电量，但却降低了变压器工作温度，从而降低了变压器阻抗，减少电能损耗、降低变压器绝缘老化速度，延长了变压器使用寿命。
　　1.1.4 变压器出线线路
　　变压器与配电装置应尽可能靠近布置，以减少出线线路压降及节省电力电缆或铜排等耗材长度，降低电气投资。
　　1.2 软起动器的节能
　　1.2.1 电气软起动的特点
　　较大容量的电动机直接起动时起动电流大，功率因数低，无功需求高，会造成电网电压波动甚至使母线电压下降到影响其它用电设备的正常运行及电机自身的起动。采用电气软起动设备，可降低起动电压及起动电流从而使大容量电动机得以平稳起动，并且维持系统供电电压的稳定。在此过程中，软起动器仅起变压作用，不能进行变频调节。
　　为减小对电网的冲击，可根据负载特性选用软起动器功能中的限流型、电压斜坡型、重载型中一种做为起动方式， 软起动设备一般做仅为电动机起动时所用，在其起动完毕后做为旁路运行，但在电动机设备负载率低时，软起动器输出较低电压，减小输出电流，从而减少电机的功率损耗，起到节能作用。
　　1.2.2 电气软起动器节能的一般要求
　　软起动器的节能是有条件的，当电动机负载率小于35%时，节电率可达20%～50%，当负载率在35%至50%之间，节电率显著减小，仅10%～15%，当负载率大于50%时，节电率几乎为零甚至为负值。如一台50kW的电机采用软起动控制，负载率在35%时，年节电量约3000度，节省电费合人民币1900元， 4年左右收回软起动装置投资成本。但选择容量偏大、负载率低的软起动器本身也是一种浪费，所以利用电气软起动器节能不是值得推荐的方式。钢铁企业利用软起动器做为节能设备适用的负荷数量较少，一般为配套的机械、加工车间内冲床、剪床等。
　　1.3 变频器节电技术
　　1.3.1 钢铁企业适用于变频调速的主要负载
　　变频器是利用电力半导体器件的通断将工频电源变换成其它频率、电压电源的电力装置，是目前最先进的异步电机调速装置，能实现电动机的软起、软停、无极调速、特殊增、减速功能，具有显著的节能效果。
　钢铁企业适用于变频器控制的主要为风机及水泵类负载如高炉出铁场风机、高炉冲渣泵、电站锅炉送、引风机、锅炉给水泵、转炉一次除尘风机等，该类负荷一般为高压负荷，电动机容量大，电气特性为：流量与转速成正比关系，电气转矩与转速为正比平方关系，轴输出功率与转速为正比立方关系。变频器通过改变自身的输出频率、电压，从而改变风机、水泵等负荷电气转矩及轴输出功率，在低负载率时变频器降低其输出频率、电压从而降低输出功率，达到节能的目的。如当变频器输出频率为40Hz时，其输出功率只有额定功率的51.2%，具有非常明显的节能作用（但做为变速调节作用的如轧机系统用变频器其节能效果有限）。
　　1.3.2 变频器节电效果
　　采用变频控制的风机、水泵类负载一般节电率均在25%～30%左右。如一台9000kW高炉电动鼓风机采用变频控制后，其平均功率为5000kW左右，年节电量约2400万度，折合人民币约1600万元，而一台9000kW合资品牌变频器 设备投资约550万元左右。一台中等容量如10kV 400kW除尘风机采用变频控制，年节省电能约60万度，折合人民币40万元，该变频器设备投资24万元。变频设备在一年左右就能回收成本，余下年份为净节电量，数量巨大，效益十分可观。
　　1.4 无功补偿及滤波节电技术
　　无功补偿及滤波技术是电力节能的一项重要措施，在各工业行业生产中应用十分广泛，采用该技术，既可节省大量有功损耗，又可改善电能质量，节能效果十分明显。
　　1.4.1 高压滤波补偿技术
　　在6～35kV供电母线装设电容器、电抗器元件，构成高次谐波的低阻抗通道，滤除谐波的同时，补偿无功，有效地滤除电网中的高次谐波，减小电网元件的附加谐波损耗，降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗从而实现节能。在负荷平稳的用电场合可以实现供电母线月平均功率因数≥0.92。根据负荷大小和性质，确定装置的容量，一套装置投资一般在60～150万元。因其结构简单，维护方便，投资相对较低，可在负荷平稳的用电场合加以应用。
　　1.4.2 低压滤波补偿技术
　　主要是在配电变压器或整流变压器二次侧0.4～1kV电压母线装设电容器、电抗器元件，实现低压侧就地滤波补偿功能。采用接触器投切或晶闸管过零投切方式，在负载处就地解决谐波滤波和无功补偿问题，大大降低谐波和无功通过变压器造成的损耗，适合在负荷容量较小的场合，单套安装容量100～1000kVAR，投资在4～30万元。
　　1.4.3 高压动态无功补偿（SVC）技术
　　利用晶闸管串联、相控技术，快速调节相控电抗器的感性无功功率的大小，使动补系统实时跟踪负载无功的变化，实现供电母线的无功自动补偿。减少供电系统向用电负荷提供无功功率。响应时间≤10ms。在负荷冲击较大、对电能质量要求较高的场合（如电弧炉、精炼炉、直流传动和交交变频传动轧机等），应用动补系统可有效抑制电压波动和闪变，滤除谐波，使电能质量指标满足国家标准，供电母线月平均功率因数≥0.95，且无功不倒送。根据安装容量的大小和电压等级的不同，投资约150～1000万元。经过测算，节能所带来的经济效益可在一至二年内收回投资。
　　1.4.4 低压动态无功补偿（SVC）技术
　　是对高压动态无功补偿系统的小型化和简单化。在0.4～1kV电压等级的配电变压器或整流变压器二次侧，通过对无功功率的无级调节，实现连续自动地补偿无功。在低压负载端进行电能质量的治理，减小配电变压器或整流变压器的谐波损耗和无功损耗，延长使用寿命，同时稳定系统电压，增加电机的出力。在小容量的应用中可发挥其简单可靠的优势。单套投资在20～50万元。
　　1.4.5 高压无功发生器（SVG）技术
　　运用瞬时无功功率理论，应用全控型电力电子器件，使电压源逆变器输出电压的相位和幅度可控，从而输出感性或容性的无功功率。是SVC技术的升级。响应时间≤5ms。应用于电压波动较大，安装面积较小的场合，与滤波补偿装置配合使用可有效抑制电压波动和闪变，滤除谐波，供电母线月平均功率因数≥0.95，且无功不倒送。减小由供电系统输送无功功率造成的损耗，同时也降低了谐波损耗。投资约200～1200万元。
　　1.4.6 低压无功发生器（SVG）技术
　　在0.4～1kV电压等级的配电变压器或整流变压器二次侧应用SVG技术，就地补偿无功。可与其它电气柜布置在同一配电室内，就近治理电压波动和谐波等问题，对单台变压器负荷的效果尤为明显。单套投资在30～60万元。
　　1.5 低压接触器节电技术
　　低压交流接触器在电气系统中应用广泛，数量十分庞大，是除低压断路器外应用的最多的低压电气元件，但其有噪声大、电耗大、铁芯温度高等诸多缺点。
　　永磁式接触器是稀土永磁应用技术与智能型微电子技术有机结合，较普通产品节电99.9%以上，产品运行无噪音，工作时既不受网电压波动的干扰，也不会对周围电子设备造成影响。临界吸合释放动作一次完成。无振颤现象，触头接通分断速度比电磁式交流接触器提高3-5倍。同时还具有对外无漏磁，线圈工作时无温升等诸多优点。是传统交流接触器的较好替代产品。
　　一台传统的低压115A交流接触器年耗电量约661kWh，而同样载流量的节能型永磁接触器年耗电量仅2.3kWh，节电658.7 kWh，一台传统的低压400A交流接触器年耗电量约1649.7kWh，而同样载流量的节能型永磁接触器年耗电量仅2.3kWh，节电1647.4 kWh。
　　1.6 照明节电技术
　　钢铁企业照明系统耗电量占钢铁企业总用电量比例不大，但仍有一定数量规模，照明节电符合国家节能减排产业政策，也是国家节能措施审查的主要内容之一。
　　1.6.1 工业厂房照明用电量占企业全部照明用电量的比例最大，传统的金属卤化物灯具等采用电感式镇流器能耗高，新型节能型工矿灯具均采用节能型电感镇流器，荧光灯具采用节能型电子镇流器，使得镇流器节电率达灯具额定功率的10%～12%，同时延长灯具使用寿命及降低了环境温度。
　1.6.2 LED灯具为半导体节能型新型光源，是一种廉价的发光二极管材料，能耗极低，其照明效率为传统钨丝灯泡的12倍，荧光灯的3倍，其持续点燃时间为10万小时，且无频闪。可应用于钢铁企业办公楼、辅助间等层高不高场所及民用、市政及家庭场所，但由于光通量有限，在工业厂房内暂未推广应用。
　　1.6.3 钢铁企业道路照明可逐步推广采用太阳能光伏照明灯具，最大限度利用光能，节省电能，太阳能灯具一般5年左右收回投资成本，但光伏产业面临着投入成本高、环境污染问题。
　　1.6.4 照明设计应充分利用自然光，大面积照明区域采用分区照明控制方式，满足国家照明标准。
　　1.7 节能型电机应用技术
　　节能型电机的选用在钢铁企业自身及设计单位均未得到足够的重视及推广，这与Y系列电机在钢铁企业的广泛使用现状及企业业主、设计单位对国家、地方相关政策的不清晰、不了解有较大关系，国家、地方均已出台须采用新型节能电机的规定。Y系列电机已被国家明文规定为淘汰型电机，生产厂家不允许再生产，销售商不得再销售，现有运行的Y系列电机须逐步淘汰。
　　新型节能电机如YX、HJN、XYT系列比现在广泛使用的Y系列电机效率约提高2%～5%，对一台长期运行的电机，年节电量可观。
　　如一台 90kW异步电动机采用节能型，其效率比Y系列提高3%，按年工作6500h计， 节电达17000kW，合人民币11000元，一年之内可收回两种电机差价成本。
　　新建工程项目应选用节能型电机而不再采用Y系列电机，这在总承包工程中更应引起重视，以免引起总包方与甲方间由于验收问题产生纠纷。
　　1.8 其它电气节能措施
　　电气节能的措施是多样的，上述各项措施不能一一概全，还有其它电气节能措施如电力电缆合理布局敷设、节能桥架应用、电能的分时、分地计量等，在工程设计中应选择性选用，使电气设计真正达到安全、经济、节能、环保要求。
　　2 电气节电技术应用应注意的问题
　　虽然电气节能技术值得大力推广，但也不能为节能而节能，企业应根据自身的特点、资金状况、现时运行工况、所在区域实情等条件，尽可能选择符合自身情形的节能措施同时必须考虑如下几个前提：
　　1）不能影响产品的质量、产量；
　　2）不能造成环境的破坏，或恶化；
　　3）选用节能设备额外增加的投资应在短期内收回，一般期限不超过3～4。
　　【参考文献】
　　[1]卓乐友.电力工程电气设计手册[S].北京：水利电力出版社，1991.
　　[2]陈延镖.钢铁企业电力设计手册[S].北京：冶金工业出版社，1996.
　　[3]方大千.电气设备节电技术与工程实例[M].北京：金盾出版社，2011.