水泥行业的电气节能

一.水泥行业电气节能技术 

节约能源是我国的基本国策，国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此规划目标，国家发改委最近启动了十大重点节能工程，节能工程包括节约和替代石油、燃煤工业（窑炉）改造、区域热电联产、余热余压利用、电机系统节能、能量系统优化、建筑节能、绿色照明、政府机构节能以及节能监测和技术服务体系建设工程等。作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业， 在“十一五”期间国家十大重点节能工程中和水泥行业有关的有：燃煤工业（窑炉）改造、余热余压利用、电机系统节能、能量系统优化等项，通过实施专项规划,水泥单位产品综合能耗要求下降20%，生产每吨水泥电耗控制在100kW.h内，如按我国水泥年产12亿吨计算,如达到节能指标，则每年可节约百万吨煤，节电百亿度，并且可使废气排放量降低，有利于保护环境，同时也降低了企业成本。电能是各种能源中最为经济实用、清洁方便，且容易传输、控制和转换的能源，电气节能技术推广将有助于显著减少一次能源的消耗和环境污染。水泥厂电气节能的就是要从电网开始，在供、配、用电的各环节上挖掘节电的潜力，其中有：线路和变压器的节能，尽量降低供电系统的损耗；电机系统的节能，采用高效的传动系统，提高电动机系统的效率；大力推广“绿色照明工程”，使用高效节能电光源；低温废气的余热综合利用，实现纯低温余热发电和供热工程；在运行过程中，还要对整个电网实施在运行管理技术上的节能技术。 

一条日产5000吨新型干法水泥熟料生产线，主要用电包括石灰石矿山，石灰石皮带机运输，一直到水泥散装发运为止的主生产流程，以及空压机、水泵站、水处理、厂前区 机电修等辅助流程， 据常州某日产5000吨熟料水泥厂统计：整条生产线总装机容量约为38000kW，设计计算负荷约26000kW，如功率因数COSф以0.92计，视在容量则约28000kVA，为此水泥工厂必须设置总降压变电站,选用一台容量为35000 kVA 主变压器，如双电源进线，则用两台16000 kVA变压器。由于每条水泥熟料生产线接入的电网和工艺状况不同，上述数据和配置则是某一实例。另据综合信息，一座日产5000吨熟料水泥厂共有电机约700台左右，双向运转电机约为15台，阀门数量约为80个，其中电动控制阀门为70台左右，还有其他用电设备等约300台组。由总降压变电站接入的电能，必须经由若干个开关站和马达控制中心组成的供配电系统才能输送到各用电设备。本文将从水泥生产线供、配、用的各环节上论述水泥厂电气节能的可行性及相应措施，有关纯低温余热发电的技术和节电不在本文讨论范围。水泥工业节能和自动化的关系笔者已在其他文章另有论述。 

二. 供配电系统的节能  

一个大型干法水泥厂的供配电系统是指从国家电网将高压引人总降压变电站到各用电设备间的全部线路、变压器、开关、控制和保护装置等设备，要设法降低供配电的线路与变压器的损耗是其节能的主要措施，它包括需要增加一定投资对设备进行改造的硬措施，也包含不需增加投资，仅需改善运行管理的软措施。 

1. 采用节能型的供配电设备 

1）    合理选择供配电电压 

在额定电压允许情况下，提高引人的高压电压等级，是降低线损率的有效措施，一般在35kV 及以上供电电网中，每提高运行电压1%，可降损1.2% ,5000t/d干法水泥厂应直接用110kV或220kV（东北地区66kV）引入总降压变电站，取消35kV，它既可提高输送容量，又可大大降低线损率。对于配电网，供电电压等级越高，线损也越低，而线损是随电压平方成反比而下降，目前有些新建的水泥厂已将供电电压升为10kV，将传统的6kV提升了一级，一次投资可能梢有增加，但运行成本将降低。 

2）选用节能型变压器，合理选择变压器的容量 

水泥厂每个电力室设置变压器若干台，在传递功率过程中要产生损耗，分别为空载损耗和负载损耗，在确保变压器安全和可靠运行的基础上，要选用损耗低的变压器。我国节能型变压器在质量方面已达较高水平，目前新投运水泥厂大多选用了S9系列节能变压器，其损耗值与S7系列相比，空载损耗可降低10%，负载损耗可降低10%，另新低损耗产品S11型卷铁心变压器以及非晶合金铁心变压器都已进入市场，由于价格还偏高，今后将逐步推广。 

合理选择变压器的容量，使变压器的负荷率最佳，其运行效率也最高，损耗则最低。一般认为配电变压器负荷率为额定容量的70%~80%较合适，而对主变压器则应尽量按最大需求量选择容量，并以此来计算基本电费，确保变压器在经济、安全可靠的状态下运行。 

3）采用节能型无功补偿装置，实现无功分散和就地补偿 

无功补偿就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗。为改善电网电压质量，电力部门对水泥厂总降压变电站功率因数有总体要求，目前大多数水泥厂的无功补偿设备做到了分级补偿和集中补偿，但分散就地补偿还不够，如有的负荷波动较大的用电设备未装就地补偿装置。 

现在新型的节能型无功补偿装置已开始应用，如SVC型无功补偿装置，它可根据实际需要自动投入等量或不等量电容，实现三相对称或不对称补偿功能，另外它带有RC吸收回路，能滤除高次谐波。 

4）    用节能型金具，合理选择导线截面 

一个非节能型金具可引起的损耗约为10~15W，一个大的水泥厂配电网络上的连接金具数以千计，由金具造成的损失是非常可观的，因此在配电网络中，采用节能型金具是一个有效的技术措施。对温度差异大或过高的连接点应处理、改进或更换节能型金具。 

2. 运行管理的电气节能 
对已投运的水泥厂，供配电系统的经济运行是降低系统损耗和节能的有效途径，通过合理的运行管理和方式使电网的损耗降为最低。 

1）    调整系统总体负荷平衡 

配电系统负荷应做到总体和分级的逐级平衡。变压器的三相负荷不平衡时，特别是低压网络，有的相电流较小，有的相电流接近甚至超过额定电流，这就是三相电流不平衡，在这种情况下，不仅影响变压器的安全经济运行，而且造成有功功率的损失，必须定期进行三相负荷测定和调整，力求变压器三相电流的平衡。在高压系统中，如辊压机系统等负荷波动较大，易引起三相电流的不平衡，建议装设就地无功动态补偿装置。 

2）    合理利用峰谷电力资源 

所谓负荷率是平均负荷与最大负荷之比，提高负荷率是电力系统重要指标，电力部门实行峰谷不同电价，就是为了降低电能损耗，一般峰时电价是谷时电价的3倍，如山东省峰时电价为每度0.72元，谷时电价为每度0.24元，水泥厂应合理安排用电时间，将水泥磨系统生产尽量安排在谷时，既节省了成本，又节约了电能。 

3）    减少空载损耗 

对暂不用供电回路，应及时断开电源线路，以减少线路上的空载运行损耗，一般可达3%~5%。 

4）    实行经济调度，提高变压器运行效率 

变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10~15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3，为改善水泥厂的功率因数，应使变压器的负荷率最佳，实现经济调度。各电力室的配电变压器的负荷率在设计时已基本确定，经济调度的重点应是一些非连续运行的用电设备、辅助流程的用电设备以及照明、空调等。 

5）    实现全集成能源管理如电站综合自动化系统  

它不是水泥厂专用的,近年来电力行业各级调度都采用了电网调度自动化系统，它就要求各级变电站具备相应的系统与之通讯，在各级调度站能监控企业变电站的运行情况。在这大环境中，现新建水泥厂采用电站综合自动化系统，这种系统除前台装有各种形式的综合保护器外，还有后台监控系统，保护定值在后台系统修改，可以方便对水泥厂各个配电站的定值进行修改，另对电机的保护功能大大加强，充分体现系统调度功能的优越性。目前国外有些公司提出了全集成能源管理，如西门子公司推出了TIP的理念，实际操作是选用智能、节能、效率高、损耗低的变压器、开关、控制和保护装置等设备，通过各级通信，传递运行信息， 
并有一优化控制软件，实现电能全集成管理，这也是我们今后努力的方向。 

6）    加强计量管理 

已采用电站综合自动化系统的水泥厂，主要工作是及时查找电量损失原因，进行局部和全面的统计分析；未采用电站综合自动化系统的应加大计量装置的投入，提高计量精度，保证计量的准确性，并定期校验电能表。 

三. 选用节能型用电设备 
 
水泥厂电动机的装机容量占全厂总装机容量90%以上，电动机系统的节能包括电动机本体的节能，电动机传动系统的节能。例如风机、水泵类变频调速系统节能，采用高效的传动系统，如高效的减速机以及适合于各种主设备的传动系统，如大型磨机的双传动系统等。水泥厂的照明也占有一定负荷，选用节能型用电设备对水泥厂整体节能有举足轻重的影响。 

1.    选用节能型高效电动机 

目前我国水泥厂主要采用Y系列和Y2系列电动机，其平均效率分别是87.3%和86.3%，平均功率因数分别是0.84和0.846，基本符合国家标准GB18613-2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》中能效限定值的要求。而有些外资水泥厂采用ABB或SIEMENS技术引进的高效电动机，其效率能提高2~3%，损耗可下降20%左右，虽然价格要高出约30%，但对于年运行时间超过5000小时，负荷率大于70%的负荷电动机采用高效电动机还是合算的。据统计某厂装机2万kW电动机，如改用平均效率提高1%的节能型高效电动机，年平均运行时间按5000小时计，年节电可达100万度。我国新研发的YX、Y2-E系列高效电动机与Y系列相比损耗可下降20%~30%，效率提高1~3%，相信不久的将来我国水泥厂在工艺改革前提下，也会逐渐使用节能型高效电动机。 

2.    交流变频调速系统节能 

1）大功率高压变频器 

一条新型干法生产线风机的耗电量约占整个厂用电量30%，另增压水泵和循环水泵的装机容量也不小。由于风机和水泵是属于平方率负载，如换成交流调速系统，把消耗在档板和阀门上的能量节省下来，节能效果是很可观的，据统计平均节能在20%左右。 由于控制要求不高，只要选型正确，各类变频器都可用于泵类和风机中；目前小功率通用型变频器在国内水泥厂已普遍应用：大功率高压的泵类和风机负载也开始采用了大功率高压变频器，如有的5000t/d的水泥厂功率为2500kW窑尾高温风机也采用了高压变频器，高压变频器可供选用有几种方案，选用原则是可靠安全，对电网产生谐波干扰小，价格适中。根据一些信息反馈，采用由低压半导体器件组成功率单元串联的高压变频器是较理想的，如西门子下属的罗宾康型高压变频器。对于启动转矩大、运行时转矩变化大的负荷如窑传动，笔者认为没有必要采用了高压变频器。 ． 

2)    交流调速装置应用事项 ： 

a.交流变频调速传动装置对电网会产生谐波干扰，应按中国的谐波标准GB/T14549-93加谐波滤波器或电抗器，使其对电网干扰最小。.  

b.为使变频调速器受外界干扰影响最小,控制电缆，电源电缆与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。不要把它们放在一个电缆线槽中或电缆架上；输入和输出信号回路必须用屏敝对绞线，.根据需要还可考虑加隔离变压器和进线电抗器，使其受干扰影响最小。 

C．在低速运行时，须防止轴系的震荡；在高速运行时，须防止超速。 

3．推广应用节能型照明电器 

绿色照明的核心是推广和应用高效节能型照明电器，在办公楼、电力室、控制室、中控等推广使用自整流式紧凑型荧光灯，取代白炽灯，如采用T8型荧光灯取代T12型荧光灯，节约能耗及电费约20%，若采用节能型电感整流器，节能效果也十分明显；在水泥厂厂区则应积极推广高压钠灯和节能灯。在推广节能型照明电器同时也应加强照明设施的维护管理，大力做好节电宣传等。 
纯低温余热发电是国家重点扶植的项目，“十一五”期间实现低温余热水泥生产线将达40%，它对水泥厂节能、降低成本、清洁生产有十分重要的作用。此专题在各种场合已有很多论述，本文就不再化篇幅了。 

四．结束语 

水泥行业面临宏观调控，也面临GDP能耗降低20%的硬指标，在环保和保护生态方面也有较大压力，为此水泥行业要应把节能降耗作为很重要工作去实施。 

电能作为最经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，水泥厂的电气节能技术推广将有助于显著减少一次能源的消耗和环境污染，也降低水泥厂运行成本。