水泥生产企业供配电节电技术措施_钱建荣.pdf

106 中国水泥 2022.05 应用实践 Application Practice 标准更改了抗压强度试验机的要求、成型及抹平操作、 试样的编码方法、抗折及抗压强度数据的取舍规定等内 容，并增加了水泥样品试验前混合均匀、试样养护期间需 加盖盖板、养护期间换水≤50%等规定要求。 能力验证的目的在于帮助实验室发现问题并进行改正 以 提 升 检 验 水 平。以 下 从“人、机 、料 、法 、环 ”五 个 要 素 方 面分析水泥胶砂抗压强度检验注意事项。试验人员必须精 准掌握标准中操作要求，特别是装模、脱模、刮平、养护、 破型等关键步骤。水泥胶砂强度的检验需使用电子天平、 胶砂搅拌机、振实台、恒温恒湿养护箱、养护水池、抗折抗 压强度试验机等仪器设备，日常检验工作中，要按周期对其 检定校准并定期进行检查，保证其性能满足标准要求 [6] 。水 泥胶砂抗压强度检验用到的物料有水泥、标准砂、水三种， 按照新标准要求，水泥需在试验前混合均匀，标准砂一定 要符合基准物质要求且应妥善放置，以防受潮、破损或污 染，检验用水应满足饮用水或三级水要求。为保证水泥胶 砂强度检验结果的准确性和可靠性，建议各具备检验资质 的实验室尽快组织相关试验人员学习即将实施的新标准， 准确掌握新标准检验方法的变化点、步骤及操作要点。实 验室温湿度条件、养护箱温湿度条件、养护水池温度条件 对水泥强度检验结果均具有重要影响，实验室的温度一定 要保持在20±2℃，相对湿度≥50%，养护箱的温度一定要 保持在20±1℃，相对湿度≥90%，养护水池温度一定保持在 20±1℃，并按照标准要求记录控制各环境条件。 参考文献： [1]陈海湘.影响水泥胶砂强度试验结果因素的分析[J].延安职业技术学 院学报，2019，33（1）：99-101. [2]杨倩妮.从检验试验方面谈影响水泥强度的因素[J].中国水泥，2022 （1）：8 7- 8 9 . [3]CNAS-GL 003：2018《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》 [S].北京：中国合格评定国家认可委员会，2018. [4]CNAS-GL 002：2018《能力验证结果的统计处理和能力评价指 南》[S].北京：中国合格评定国家认可委员会，2018. [5]毛燕，赵立群，张宁，等.Origin软件在能力验证数据报告图示制作上 的应用[J].食品安全质量检测学报，2016，7（11）：4569-4575. [6]金英伟.试论影响水泥强度检测的因素及应对措施[J].四川建材， 2 0 2 1，4 7（5）：4 1 - 4 2 . 0 引言 水泥生产企业特别是新型干法水泥生产的用电量 大，如一条带有余热发电的5 000t/d生产线、正常生产情 况下的年用电量为1.5亿kWh左右，其中因电力变压器 和供配电线路产生的损耗占用电量的5%左右，因此关 注供配电系统的运行损耗并采取相应的节电技术措 施，是做好水泥生产企业节能降碳工作的一个方面。从 上几年认证中心对水泥企业的专项节能诊断反映，大 部分企业因每月和供电部门的电费结算，较为关注供 电外线的损耗并对提高全厂（电网的）用电功率因数 采取有效措施，但分析厂区内变配电系统运行合理性 和相应电力损耗的较少。本文介绍了水泥生产企业供 配电系统有关的节电技术措施，供企业能源管理和电 气技术人员参考。 水泥生产企业供配电节电技术措施 钱建荣 1 ，王 桓 2 ，岳喜宇 3 ，曲光宇 1 ，袁俣铖 1 ，许婷婷 1 （1.北京国建联信认证中心有限公司，北京 100831；2.建筑材料工业技术监督研究中心，北京 100024； 3.威信得云建材有限责任公司, 云南 昭通 657900） 中图分类号：TQ172.8 文献标识码：B 文章编号：1671－8321（2022）05－0106－04 摘 要： 介绍新型干法水泥生产企业在供配电电压选择、中压配电深入用电负荷中心和电缆选择、电力变 压器选择和经济运行、用电功率因数分级补偿等供配电节电技术措施。 关键词： 水 泥 企 业 ；供 配 电 ；节 电 措 施 107 2022.05 CHINA CEMENT 1 供配电电压的选择 供配电线路有功功率损耗的计算公式为： Δ P=3I 2 R； I=P/（ 3Ucosφ）； Δ P=P 2 R/（ U 2 cos 2 φ） （1） [1] 式 中 ：Δ P— — 有 功 功 率 损 耗 ，k W； I—— 线 路 工 作 电 流 ，A ； R— — 线 路 每 相 的 电 阻 ，Ω ； cosφ——功率因数。 公式（1）反映出：对一定配置不变的供配电线路， 在输送相同的用电功率情况下，线路的电能损耗和电压 的平方成反比。以厂区内配电压分别为6kV和10kV为 例，根据公式（1），如配电电压由原6kV上升到10kV，则 电流下降1/ 3 ；因功率损耗和电流的平方成正比，配 线路的功率损耗是原来的1/3，同样的变压器有功损耗 也低，因此为降低供配电线路和变压器的损耗： （1）2 500t/d及以上新型干法水泥生产线宜采用 110kV电压供电；水泥粉磨站宜采用10kV及以上电压供电。 （2）厂区内的中压配电应采用10kV电压，逐步淘汰 变配电损耗较大的6kV配电电压。 （3）大中型电动机宜选用10kV电压等级。 实用案例：目前止不少水泥生产企业对185~250kW中 型电动机的电压选择较难把握，对使用10kV中压还是低 压供电缺乏细化的技术经济比较，也有现场安全性的疑 虑，由设备供应商配套选择电机或由设计单位决定的情 况较多。本文以200kW电动机从配变电所到电机端供电 距离100m为例，分别列出有关技术参数、配电线路电能 损耗，设备投入和损耗电费如表1和表2。 从 表 1 可 知 ：① 采 用 6 k V 电 压 等 级 时，配 电 电 缆 的 线 路 电力损耗明显偏大，如前所述，对一些因早期建厂的现 有6kV电压等级的供配电系统应逐步淘汰。②相同负载率 （75%）情况下，采用10kV电压等级时配电电缆的电力损 耗比采用0.4kV时减少4.85kW（下降32.5%）。 表2反映在采用低压电机和10kV中压电机两个方案 中，采用中压电机的主要设备一次性投入比低压电机高 出4.35万元，但年配电线路电力损耗降低4.85万kWh；年 节约电费2.42万元（按平均电价0.5元/kWh计），两年内 可 回 收 所 增 加 的 设 备 投 资 。此 外 从 安 全 用 电 角 度 ，我 国 推出10kV中压电机已近30年，在安装和维护时做好应有 安全措施情况下、设备的绝缘和安全性能是有保障的。 2 中压配电深入用电负荷中心和供配电用电线 电缆的选择 2.1 中压配电到负荷中心附近 为减少低压供配电线路的电力损耗，宜根据用电负 荷的容量和分布情况，在厂区内设置若干10kV配变电站， 使低压配电干线的供电距离控制在200m以内。新型干法 水泥生产线的石灰石矿山、原料破碎、生料制备和烧成 窑尾、烧成窑头、水泥粉磨车间宜分别在其用电负荷中心 附近设置配变电站。 上述供配电设计原则已在大部分新型干法水泥生产 线的设计和运行中得到实施，但对煤磨系统的供配电设计 能否采用10kV中压深入负荷中心，一些设计单位和水泥企 业的电气技术人员存在较多疑虑，为求保险，从窑头或窑 尾（由煤磨系统的工艺布置决定）车间变电所以低压电缆 对煤磨系统供电。作为探讨、本文提出以下参考意见。 ①以2 500t/d生产线为例，在不计煤磨主电机（中压 电机）情况下，煤磨系统的低压计算负荷在400kW左右、 计算电流700A左右。按配电距离100m计，如采用两路 YJV-1-3×185+1×95电缆供电，电缆线路的有功功率损 失为7.4kW，按年运行6 500h计（和窑系统的相对运转率 90%）、年电能损耗48 000kWh。如采用10kV中压配电， 在煤磨电气控制室设置SCB型630kVA干式变压器并采用 YJV-10-3×95电缆配电，相同用电负荷时电缆配电线路 的有功功率损失为4.1kW，年电能损耗26 650kWh，每年可 减少电耗2.14万kWh。5 000t/d及以上生产线的煤磨系统 如采用低压配电时的线路损耗和年电能损失更大。 ②在水泥生产线的煤磨及煤粉计量输送车间、煤 粉属于IIIC级导电性粉尘，对气防爆其主要危险源 是煤粉的泄漏和在空气中的混合悬浮，以及温度较高 时可能泄漏的CO等可燃气体。其爆炸性气体或粉尘环 境的危险区域应依据GB50058-2014《爆炸危险环境电 表1 有关技术参数、配电线路电能损耗 电动机 电压 /V 额定电流/ 工作电流/A 配电电缆 100m电缆 的电阻/Ω 电缆有功 损耗/kW YE3-315L2 -4 380 352/264 YJV-1-3 ×185+1×95 0.009 9 20.72 YKK3552-4 6 000 24.4/18.3 YJV-6-3×50 0.038 7 38.91 YKK3552-4 10 000 14.6/11.0 YJV-10-3×50 0.038 7 13.99 表2 设备 投入和损耗电费 电动机 市场参考价/万元 电缆年 电能损耗 /（万 kW h） 损耗 电费 /万元 电动机 电缆 电气控制 设备 YE3-315L2-4 4.8 4.95 2.5 14.92 7.46 YKK3552-4 9.0 1.6 6 10.07 5.04 注：电机年运行时间按7 200h；电费单价按0.5元/kWh计算。 108 中国水泥 2022.05 应用实践 Application Practice 力装置设计规范》，按爆炸性混合物出现频率、车间的 工艺布置、设备设施状况如良好除尘装置和工艺机组 的联锁停车、粉尘释放源的状况等具体分析和划分， 并不是所有位置都属于20、21区或0、1区。同时、依据 以上规范的5.3.4条第1款：当为正压室时，变电所、配 电所（包括配电室）和控制室也可布置在1区、2区内。 另一方面，在爆炸性气体环境中发生爆炸除了存在可 燃气体、可燃液体的蒸气或薄雾，以及浓度处于爆炸极限 范围外，还需存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电 弧或高温。配电变压器是“静止”设备、除故障外运行中无 电火花或电弧，加上其控制用高压断路器一般设在上级 变电所或配电室中，需设置于现场的检修用隔离闸刀因无 负荷操作，产生电弧的概率极低（带负荷误操作除外）。从 火灾险环境的电气防护措施，一是电气配电（控制）室自 身需做好防尘措施；二是采用SCB型干式变压器时变压 器封闭在金属箱体内，正常运行条件下外壳温度不超过 90℃，且有温度检测可设置超温自动报警和切除，故障情 况下不超过 110℃；三是火灾危险环境不采用 TN-C接地 方式。因此，在控制用接触器较多、易产生电火花或电弧 而需做好防爆防火措施的煤磨电气控制室内，设置SCB 型干式配电变压器可符合防爆防火安全要求。 2.2 电线电缆选择 为降低供配电线路的电力损失，在满足技术要求和 经济合理基础上，电线电缆宜优先采用电导率高的铜导 体和较大的导体截面积。对电缆的经济标称截面积，推 荐采用“经济电流范围”或“经济电流密度”计算并选 择，当经济标称截面积（主要是热稳定性）和技术条件截 面积不一致时、应选取芯线截面积较大的电缆。 3 电力变压器的选择和经济运行 新型干法水泥企业厂区内一般采用10kV配电，除了受 电变压器（大部分采用110/10kV）外，一条生产线通常分别 设置石灰石矿山、生料粉磨和窑尾、窑头、水泥粉磨等生 产车间和生活区配变电站，对中压电机由10kV电压供电； 低压设备设施通常由8台左右的10/0.4kV配电变压器供电， 如有2条及以上生产线，厂区内配电变压器更多。新型干 法水泥企业变压器的运行损耗占全厂用电损耗的40%左 右，因 此 需 关 注 电 力 变 压 器 的 选 择 和 经 济 运 行，主 要 有： （1）变压器的能效指标应符合现行国家标准 GB 20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》的 规定，并优先采用1级能效的高效节能变压器。 （2）变压器容量的选择宜综合考虑用电要求、用电负 荷特性、降低综合能耗、供电电价和设备投资等因素，其 中：总降压变压器以年运行总费用较低为主要选择依据， 兼顾降低变压器损耗；车间配电变压器以计算负荷接近经 济运行点、降低变压器运行的电能损耗为主要选择依据。 变压器的经济运行点（损耗最小）负载率计算式为公 式2中①；考虑无功当量后的综合功率经济运行点计算式 为公式2中②： ① β jP = P O P k ；② β jZ = P O +K Q Q 0 P k +K Q Q k （2） [2] 式中： Po、 Pk、 Io%、 Uk%分别为变压器的空载损耗、负载 损耗，空载电流、阻抗电压百分比； S N 为变压器额定容量、 K Q 为 无 功 当 量 ，其 中 ： S 0 =I 0 %S N ×10 -2 ， Q 0 = S 0 2 -P 0 2 ， S k =U K %S N ×10 -2 ， Q K = S k 2 -P k 2 。 近年推广的节能型变压器空载损耗大幅降低， 其经济运行点负载率较低，以S13-1250变压器为 例： P 0 =0.98kW、 P k =12.0kW、 I 0 %=0.5、 U k %=4.5、 S N = 1 2 5 0 k VA ，经 济 运 行 点 负 载 率 β jP 为 2 8 . 4 % ；考 虑 无 功 当 量 K Q =0.125kW/kvar后的综合功率经济运行点负载率 β jZ 为50.5%。因此为降低厂区内配电变压器运行损耗、其负 载率宜控制在60%以内。从投入角度S13-1250/10和S13- 1600/10变压器的差价为2万元左右。 前几年对水泥生产企业的专项节能诊断情况反映， 不少企业对配电变压器的经济运行情况关注和控制不 够，除了仍在使用能效较低的S9系列变压器外，生产线各 配电变压器用电负荷分配不均衡，个别配变的负载率低于 30%、部分配变的负载率高于90%，造成运行损耗偏大。 总降压（受电）变压器降低损耗和电价的综合权衡： 现行电价对大工业用户实行两步制计算，电费的主要组 成为：基本电费（按变压器容量或最大需量计）+电度电 费（按月度用电量 计）+调整电费（按峰谷电量、功率因数 增 减 ）等 。其 中 基 本 电 费 按 月 固 定 计 算 ，由 此 不 少 企 业 因 变压器容量较大时基本电费占比高，对主变容量的选择 取较小值，造成主变容器运行负载率过高（90%），运 行损耗大；严重时会引起超温进而影响主变压器使用寿 命 。对 上 述 矛 盾，在 现 行 电 价 规 定 下 用 电 企 业 可 行 的 解 决 办法为：鉴于大工业电价中的基本电费有两个选项，一是 按变压器装机容量计算，一般为30元/kVA.月；二是按申 请的最大用电需量计算，一般为40元/kW.月（各地有些差 异），在用户对用电负荷把握较好时，可申请按最大用电 需量计算基本电费，当申请量为变压器装机容量的70% 以下时、其基本电费低于按变压器容量计算的收费额，此 109 2022.05 CHINA CEMENT 时主变容器的运行损耗也较低。从总降压变电所的投资 角度，当主变压器容量从负载率取90%放大到70%时（如 从31.5MVA放大到40MVA），变压器差价不大（1级能效 的SZ18-31500/110和SZ18-40000/110差价24万元左右）， 且输配电设备设施的工程造价可基本不变，在同样供 出25 000kW平均用电负荷情况下，两者的运行损耗相差 14kW，年电能损耗相差122 000kWh。由此宜使主变压器 容量接近经济运行点，并保留一定的备用容量。 （3）供电电压35kV的降压变电所宜采用有载调压变 压器；当35kV降压变压器的电压偏差不能满足要求时应采 用有载调压变压器。生产车间10kV配电变压器一般采用无 励磁调压，当供电线路距离较长、电压波动大时，水泥粉 磨站或石灰石矿山的受电变压器宜采用有载调压，以稳定 低压用电电压。 4 用电功率因数的分级补偿 提高各级用电的功率因数，除了全厂总的用电功率因数 需符合全国供用电规则和当地供电部门要求，以减少电网的 供配电损耗外，对降低厂区内的变配电损耗有积极作用。 提高功率因数可减少供配电线路和变压器的电力损 耗，设三相电力线路的导线每相电阻为 R： Δ P=3I 2 R×10 -3 = P 2 R U 2 cos 2 φ ×10 -3 （3） [1] 式 中 ：Δ P— — 有 功 功 率 损 耗 ，k W； U— — 线 电 压 ，V ； I—— 线 电 流 ，A ； R— — 线 路 每 相 的 电 阻 ，Ω ； cosφ——功率因数。 由公式3可知，在有功功率一定的情况下，功率损 耗Δ P和功率因数的平方成反比，提高功率因数可减小 Δ P。对水泥生产企业、如用电功率因数从原有0.8提高到 0.95，各级供配电线路和变压器的功率损耗可分别降低约 46%。提高用电功率因数的具体措施有： （1）通过合理选择电动机和变压器容量，降低厂内 配电线路感抗，采用同步动机或选用带空载切除的间 歇工作制设备等措施，提高用电自然功率因数。 （2）通过实施无功补偿提高用电功率因数，补 偿 后总变（配）电 所 受 电侧 的用电 功 率 因 数 宜 控 制 在 0.92~0.95；厂区内配电变压器和大功率异步电动机受电 侧的用电功率因数宜控制在0.90~0.95。 宜采用并联电力电容器作为无功补偿装置。采用并 联电容器作为无功补偿装置时，宜就地平衡补偿并符 合：①低压部分的无功功率应由低压电容器补偿；②高 压部分的无功功率宜由高压电容器补偿；③容量较大、负 荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜单独就地 补偿；④补偿基本无功功率的电容器组、应在配变电所 内集中补偿；⑤在环境正常的用电场所、低压电容器宜分 散设置。新型干法水泥企业常用无功补偿方式设置见图1。 ①总变（配）电 所 宜 在 10 kV侧 设 置 电 容 集中 补 偿 装 置，并采用自动控制分组投切或手动分组投切方式。 ②低压部分的无功功率应由低压电容器补偿。宜在 各配电变压器低压侧装设微机控制低压自动补偿电容器 柜，实现低压无功的就地平衡。其中：对空压机站、循环水 泵、篦冷机风机群等低压用电负荷比较集中的用电区域， 如在配变电所以外设置电动机控制中心或控制柜，宜就地 采用低压无功补偿装置，以减少低压配电干线的损耗。 ③低压电容器无功补偿一般采用共相补偿方式，对 三相负荷不平衡较严重（中性线电流＞10%）的供电线路 宜采用分相补偿方式。 ④对大中型交流异步电动机宜采用无功就地补偿装 置，但接在电动机控制设备侧的无功补偿用电容器的额 定电流不应超过电动机励磁电流的0.9倍，此时过电流保 护装置的整定值应按电动机-电容器组的电流确定；高温 风 机 、窑 头 、窑 尾 风 机 等 带 有 变 频 调 速 装 置 的 电 动 机 ，且 调速装置内部已对用电功率因数实施补偿者除外。 ⑤对破碎机、辊压机、联合储库桥式起重机和码头起重 吊机（如有）等冲击性用电负荷，宜采用动态无功补偿装置， 动态无功补偿装置的响应速度应＜20ms。对采用高频电子镇 流器的气体放电灯和LED灯，因其功率因数低是谐波引起， 不能使用外部电容补偿，应选用内置补偿装置的灯具。 参考文献： [1]中国航空工业规划设计研究院组编，工业与民用供配电设计手册 [J].北京：中国电力出版社，2016.12.第四版. [2]《钢铁企业电力设计手册》编委会，钢铁企业电力设计手册[J].北 京 ：冶 金 出 版 社 ，2 0 1 4 .1 . 第 11 次 印 刷 . 图1 新型干法水泥企业常用无功补偿方式示意图 C1-总变电所集中补偿；C2-车间变配电站集中补偿；C3-配电变压器 高压侧补偿；C4-低压侧补偿；C5-大功率电机就地补偿