水电厂厂房顶照明优化分析

张 豫

(中国三峡集团有限公司中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

某水利枢纽是长江干流上修建的大型水利水电工程，电站内的照明灯有钠灯、金卤灯、无极灯和节能灯，其中厂房内发电机层照明多为无极灯，风洞层照明多为钠灯，廊道内照明有节能灯和钠灯，厂房顶为金属钠灯。厂房外景观灯为节能灯和无极灯。

目前厂房顶灯的功率较大，使厂用电率较高，如果为了降低厂用电率而少开灯，则厂房照明亮度不够，另外，灯具数量多、位置高，灯具出现故障需要更换时，很难及时发现和处理。因此为了节能降耗，对厂房顶灯进行照明优化设计。

1 LED工矿灯与钠灯、金卤灯综合比较

1.1 高压钠灯、金卤灯

根据统计工厂照明在我国工厂照明耗电中占30%的比例。传统高压钠灯光源的灯具可以提供90-102 lm/W以上的发光效率，但是其本身的缺憾也较为明显：

1)光源的光谱成分偏黄，显色指数极低，影响正常的工厂生产；

2)灯具的寿命较短，更换工作量大；

3)不便于对灯的功率进行调节；

4)高压钠灯、金卤灯在工作状态下，灯具温度高，在温度急剧变化时，容易导致灯具玻璃爆裂的情况发生，容易引起爆炸性环境的爆炸燃烧等事故。

5)由于高压钠灯、金卤灯的功率较大，所使用的电缆横截面积大，投入成本高。

1.2 LED工矿灯

LED 灯以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使LED光源成为防爆照明理想的绿色节能光源。LED显著的优点为：

1)光效高。目前LED防爆灯光效已达到100 lm/W左右，预计2年内能达到200 lm/W以上。

2)寿命长。目前LED防爆灯寿命大于50 000 h，比传统光源寿命要长10～20倍。

3)同等照度下，由于LED灯具的功率小，所使用的电缆横截面积与高压钠灯相比要小，电缆投入相对低。由于功率小控制箱和变压器设置相对少，从而减少灯具配套设备的使用量。

4)LED灯具由于其发光特性而言，在温度急剧变化时，不存在突然爆裂的情况，LED光源也不会发生瞬间熔断的情况。

5)维护费用大大降低。LED做成防爆照明光源，可以工作30 000～50 000 h(10年)无需更换光源，大大节省了日常的维护更换费用。

6)模块化升级。随着科学技术的进一步发展使LED光效不断提高，LED灯可实现模块化升级，在同等照明亮度情况下升级为功率更小的光源。

7)LED光源光谱集中在可见光光谱内，不含紫外线和红外线，能有效保护被照射物体不发生质变。

8)LED灯具发光时不会发生频闪现象，工厂工作人员不会因为频闪出现眼睛暂时的不适应，而发生生产事故。

9)LED光源的反应时间为钠秒级，远远优于其他光源的反应时间，且频繁启动不受影响。

10)配光。可以附加二次光学配光，最大限度地利用LED的光能，满足各种应用场合特定的照度与光强分布。

1.3 二次光学系统介绍

工厂照明系统不同于一般的照明灯具，其被照明的区域较不规则。根据不同工厂照明标准，和实际厂房安装灯具高度以及安装间距，LED灯具可选择不同类型的配光以满足照明需要。

由于高压钠灯、金卤灯为全角360度发光，通常在光源背面加上一个反光装置使发出的光照射到地面上以提高能量利用。但是由于高压钠灯、金卤灯光源庞大，缺乏有效的光学装置，在地面上形成的光斑通常是一个不均匀的圆斑：中心处很亮，而在径向衰减很快。为了达到工厂照明标准的均匀性要求，通常不得不提高输出功率使得周围暗斑的照度达到最低的照明需求，然而大量的能量则浪费在灯具的正下方中心处，从而降低了总的能量利用率。

LED发光源是光强分布近似朗伯源的点光源，通过光学级透镜进行二次配光，根据工厂照明实际布灯情况和照明要求选择不同的透镜，将LED芯片发出的光合理的分配所需照明地面，在地面上面形成一个均匀照度的圆形区域，则可以在低的发光效率下实现高于高压钠灯、金卤灯的能量利用率。

1.4 高压钠灯或金卤灯与LED工矿灯参数对比

以400 W的钠灯、金卤灯和180 W的LED灯为例，其相关性能参数比较如表1。

2 水电厂厂房照明节能分析

2.1 厂房区域照明现状

一分厂房顶灯布置为6路，第一行4盏，第二行6盏，依此类推。左安装场有8行，第一行4盏，合计40盏。右安装场4行，第一行6盏，合计20盏。每台机组是5行，每台机组24盏灯具，14台机组共336盏。总计灯数396盏。

二分厂房顶灯布置为5路，安装场有7行，合计35盏灯具。每台机组是4行，每台机组20盏灯具，7台机组共140盏。总计灯数175盏。

原先灯具都是采用400 W的金卤灯，存在功耗高，功率因数低，光衰大等问题，已经不能满足现场照明需求。

2.2 节能改造方案

针对原厂房，照明光源能耗高、维护费用高等原因所有灯具进行节能替换改造。具体替换方案如下：

选择用180 W功率的LED工矿灯替换原400 W功率的金卤灯。

2.3 经济技术指标分析

2.3.1 亮度指标分析(仅针对厂房区灯具光源)

LED灯单瓦发光效率≥120 lm/W，整灯光效≥110 lm/W，显色指数Ra>80，灯具效益95%，光通量180 W×120 lm/W×95%=20 520 lm，金卤灯单瓦发光效率=90 lm/W，显色指数45～55，灯具效益56%，光通量400 W×90 lm/W×56%=20 160 lm，因此更换LED灯后厂房内照明的照度不会降低。

通过DIALux照明模拟软件模拟结果，替换后地面实际照度较现有光源可以提高20%～30%，因LED灯具的高显色指数所以厂房区域空间以及设备等事物得以更加清晰的显现，可以充分达到国家对厂房照明规范要求，生产安全保障可以大幅提高。同时灯具防护等级均达到IP67外界环境对灯具工作不产生任何影响。

2.3.2 节能分析

以选择LED光源替换上述现用传统光源的实际数据分析：

使用400 W汞灯(或金卤灯)的系统功率为480 W，用180 W的LED工矿灯替代后系统功率为198 W，可以节省用电功率282 W(59%)。

表1 钠灯、金卤灯和LED灯的相关性能参数比较

2.3.3 安全运行分析

LED灯具光源使用寿命一般可以达到50 000 h，远远高于汞灯(金卤灯)的使用寿命，配合灯具在二次配光、光学透镜的选择、散热、灯体结构设计等方面的技术保障与提升，大功率LED灯具目前已经可以做到长时间连续安全稳定工作运行，不需要安排人员日常维护检修，其超高的安全性尤其体现在连续生产作业区、重点作业厂房、仓库照明区域、隧道、高速公路、跨江大桥等特殊场所的使用上。

3 系统运行节能效益分析

厂房照明(金卤灯)571盏(400 W)，新厂区替换功率计算如表2。

表2 新厂区厂用照明替换功率计算

厂区全部替换LED照明灯具后总功率为113.058 kW，较原灯具降低161.022 kW。

总体可以节省60%的用电量，若考虑光衰、使用年限及整体系统运行功耗等因素，采用上述LED照明灯具可以达到系统整体节约用电量60%以上。

厂区照明综合维护费用仅以较低财务成本考虑，上述传统光源年平均维护费用(包括维修更换光源、配件以及人工成本)20元/单灯计算。

厂区照明用电计量时间以冬修期间每天24 h计算，非冬休期间每天12 h计算；全年灯具工作时间以360 d计算；电价成本以0.195元/度计算；具体节能数据分析如表3。

表3 厂用照明节能数据分析

4 结 语

1)厂房全部更换LED灯具后，每年可以节约费用在21.489万元左右。

2)LED灯具理论寿命50 000 h以上，选择质量可靠、配光、散热、结构设计合理的LED产品实际寿命可以达到80 000 h以上，相当于更换LED工矿灯可以安全使用超过10年时间，仅照明系统的节能收益就相当可观。

3)使用LED光源产品，能够确保厂房区域照明高效、长寿命、绿色环保、低碳运行，企业生产安全性将得到大幅提升。灯具及电源的防护等级均可升级达到IP67标准要求，防触电保护达到I类，且灯具具有更好的防眩性能。

通过对水电厂厂房顶照明的优化设计，能够在降低厂用电率、节能减排的同时，提高厂房照明亮度，优化检修环境，并且节省维护成本。