铜加工企业电气节能方法探讨

许红兵 胡铜生 俞显平 操莉 彭辉

1.铜陵金威铜业有限公司

2.中南大学自动化学院

0 引言

铜加工企业的能源主要有电力和天然气，因工艺要求，天然气主要用于步进式加热炉、气垫式退火炉和钟罩式退火炉。其他生产线黄铜炉、无氧铜炉等加热动力采用电力中频炉。除此之外，工厂动力均采用电力供应。电能的应用广泛，因此，电力的有效利用率和杜绝浪费对每个企业而言是重要的节能工作。企业制定有效的技术措施和提高管理水平，充分利用国家节能优惠政策，全员参与节能降耗。基于有关电气节能方面的思考，采取节能降耗方法对低碳经济和碳中和进行探索。

1 企业电气节能的一般原则

可靠性：由于铜加工企业生产工艺的要求，其电力负荷属于一类负荷，在主要设备和关键设备上采用国际一流的设备和元器件，以保证生产的连续性和安全性，并依照相关的用电设备使用规定制定合理的电能利用方案。

经济性：在辅助设备和工厂照明系统，要因地制宜，优先选用节能材料及节能设备，以节约成本、实现利益最大化。

节能性：运用国家鼓励的节能减排政策和科技措施，生产中要排查电力线和电气设备的异常电能消耗，做到安全和节能并举。

2 工业企业电气节能的主要措施

2.1 照明部分节能设计和改进

照明设备在铜加工企业中由于工艺要求三班制作业，能耗比重在0.2～0.3之间。新厂房设计，采用大面积玻璃窗户，钢结构顶部采用透明玻璃钢采光提高厂房内部的采光，提高绿色照明比重。在二次装修中，采用具有较高光反射的材料，提升建筑物整体的照度。

对于照明部分开展节能设计的改进和改造，主要利用照明光源、设备的科技进步和发展以及国家政策大力推荐，提高照明效果和降低能耗。近20年来，传统的白炽灯已逐步被节能灯替代，同样功率节能约3倍。能耗高且维护量大的普通日光灯被新一代的LED日光灯淘汰，改造仅需要将启辉器和镇流器去掉，选择两端LED日光灯即可，改造简单，照明效果更好，使用周期长，维护量少,同样功率可节能约3倍。

对于照明线路的电能损耗而言，技术上通过测量负载三相负荷的实际情况，调整三相负荷，尽量平均分配，将三相五线制供电方式运用到建筑照明系统中，尽可能降低线损。

在不同的工作场所，照明要求也不尽相同，有的根据分时段光线采用感应开关，有的根据人员出入采用声控开关以切换照明。结合传感器、智能开关和总线控制等先进技术[1]，进行科学节能环保控制。比如在铣面机的抽铜屑出风口安装风力发电机，既可以产生电能来照明，节约能源，又能让人了解机组此时此刻正在生产。

2.2 公共直流母线应用

在设备订货之前，根据掌握的技术，采用交流变频技术中的交流-直流-交流变频方式来控制一条生产线的全部或者大部分电机。在铜加工企业的生产线，可以充分利用开卷机的倒拉反转产生的电能，将其应用到其他电机上。公共直流母线技术是采用一个公共的整流和回馈或者制动装置。回馈因为装置复杂，价格昂贵，维修量大而逐渐被淘汰，制动电阻因为装置简单，价格便宜，维修非常少，使用较为普遍。公共直流母线网络如图1所示，所有调速逆变器直接挂接在直流母线上。处于电动状态的电机，从母线上获取电能，处于发电状态电机，能量回馈母线可以供其它电机使用。相对于交交变频器，此装置可以节省设备造价20%，节电20%，相对于直流变频器可节电30%[2]。

图1 公共直流母线

2.3 电气设备运行时的过温过载

在点检中观察电气设备运行中外观有无损坏，如通过嗅闻设备运行时的气味，判断设备中是否有线路烧损，通过测温枪和红外线检测仪检测设备和线路发热状况，一旦发现设备线路温度异常，应着手进行分析和判断。如图2所示，三相接头螺丝发现两侧较松，现场增加弹簧垫圈紧固导线接头，更换变质零部件。对线路问题进行改进，既能解决设备故障和隐患，提高设备运行安全，又能节约发热接头电能的损耗。

图2 红外线摄像仪检测端子的结果

2.4 投入无功补偿，优化功率因数，优化变压器使用性能

功率因数是衡量用电设备（如电网的变压器）传输线路等用电功率的数据，提高功率因数可以降低线路损耗。安装10 kV和380 V两侧无功补偿装置，能够充分利用变配电设备以及用电设备等的容量，以增加输电能力，降低不必要的电能损耗。一般在10 kV采用集中补偿，380V采用分散补偿，从而有效减少电能损耗，提高供电品质。在110 kV变电所采用不是绝对提高功率因数，而是根据负载和变压器情况，优化功率因数，达到最佳，cosφ=0.95只是高压电容器无功补偿的经济运行的起点[3]，每台主变需要具体计算，使损耗最小。同时根据110 kV变电所实际工况，在用电负载和电压分接头，主变并列运行上进行优化调整，对于8 000 kVA主变，年节电5.89万kWh达到节能效果[4]。

2.5 削峰填谷

每个企业用电量基本是固定的，但是负荷分配时间却不同，合理根据分时电价的价格差异，调整用电负荷，合理运用多种方式对电负荷进行有效的调节。在高峰时段，应该优化用电设备的运行管理，削峰填谷可以取得较好的效益。根据安徽省峰谷分时电价表，其中，峰0.928 7元/kWh，平0.624 2元/kWh，谷0.388 7元/kWh，峰谷比达到2.4倍。同样的用电负荷，在不同的时间段却可以产生最大2.4倍的用电成本，对于铜加工企业大功率高耗能的热轧机设备，促使企业下大力气进行调整，热轧机功率达到2 500 kW峰谷比电价，安排在大夜班生产，选择削峰填谷节约电费，节约电费=18 574-7 774=1.08万元，以一个月生产20天计算，则每年节约241.92万元。用电设备的运行根据时间段设定，安排设备运行的优先级，对于电力用户可取得经济效益，对于发电企业可减小线损，提高设备利用率。

2.6 淘汰落后电气设备

为贯彻落实国家及有关部门在企业动力设备节能新技术、新措施方面的政策与具体要求，遵照国家及相关政府在这方面的节能政策与技术要求，做好以下几个方面的工作：一是企业要及时关注国家及有关部门在企业节能方面的新规划；二是企业要依据节能新要求落实对动力设备的改造；三是企业管理层要重视对动力设备节能新技术与新措施的研究与完善；四是要坚持理论与实践相结合，通过可控的动力设备改造来实现节能效率的提高。

在工厂设计阶段，选择安装变压器时，推广使用干式变压器，通常干式变压器维护的工作量和费用相对低于油浸变压器，工作环境较好。如果已经在使用油浸变压器，则在有条件的情况下建议对其进行改造。改造虽花费较大，但从长远看，对其进行维护的工作量与费用将有效地降低。对一些持续24小时工作的电机，采用节能电机来替代。比如某生产线的油泵电机型号为Y160M-4，11 kW，效率88.4%，现替换为YX3-160M-4,效率为91%，每年节约电费=11×24×30×12×（91%-88.4%）×0.624 2=1 542.42元，效益可观。

2.7 谐波

企业生产中由于非线性负载和整流等装置不可避免产生一些谐波，如何采取合理的方法消除谐波的影响，减少谐波产生的损耗和对电气元器件的影响，对于最大效率提高节约能源有重要意义。在工厂设计阶段，对于整流变压器和中频炉变压器，选择合理的变压器接线方式，变压器三角-星接法的使用有效消除5次和7次谐波，产生的11次和13次谐波,可以采用滤波装置，工厂中谐波含量11次谐波电流7.76 A到2.28 A,实际滤除效果62.89%，13次谐波电流5.851 A到2.28 A,实际滤除效果61.03%[5]，效果显著。非线性负荷通常采用价格便宜、维修量少的无源滤波器，少数采用价格高的有源滤波器加以消除或者减弱。

2.8 管理节能潜力

企业能源部门通过专职人员和电气工程师进行统筹规划，结合国家发展规划、能源定额管理制度，制定能够降低企业能源消耗总量办法和措施，在企业每条生产线和重要设备安装远程电能计量装置，对能源利用状况进行实时监测和诊断分析，对能源管理进行优化，可以达到全企业节能2%～5%的效果。其次，从全国相关企业二次能源回收利用情况来看，大多数企业对于二次能源综合利用认识不足，利用水平比较低，余热、余能节能装置配备率较低，节能潜力较大。

3 结束语

科技进步提高了电能的使用率，积极推行国家节能政策，在工厂设计阶段，优化供配电系统的节能设计，生产线传动采用公共直流母线方式，减少线路损耗，提高动能合理利用；在工厂运行阶段，提高和优化供配电系统的功率因数，照明的节能更新换代和电动机节能替代等方面进行革新，通过利用国家的各项政策削峰填谷等节约电能，降低损耗，为企业带来更大的经济效益。因此，对企业而言，所有人既要参加TPM全员维护，也应该全员参加能源的节约。通过不断的完善，多管齐下，以节约能源为主，制定出合理的方法，提高节约的经济效益，有利于企业更好的发展。