探討水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加劇了能源供需間的矛盾，各行各業(yè)均需落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，開展綠色設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工作?；诖?，文章以水利水電工程電氣環(huán)節(jié)為研究對(duì)象，分析電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的重要性，并闡述多項(xiàng)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提升水利水電工程設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；電氣節(jié)能設(shè)計(jì)；電氣；節(jié)能設(shè)計(jì)

同冶金、化工、建筑等行業(yè)相比，水利水電工程的能耗較低，如果對(duì)其用能工藝、節(jié)能設(shè)備、節(jié)能管理等重視不夠，導(dǎo)致水利水電工程在發(fā)揮功能過程中難以做到高效節(jié)能。尤其電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，易導(dǎo)致能源的不合理消耗。可見，在水利水電工程電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入綠色節(jié)能理念，具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)重要性

長(zhǎng)期以來，水利水電工程在城市防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、居民生活、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。特別是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，水利水電工程的數(shù)量增多、規(guī)模擴(kuò)大。電氣設(shè)備是水利水電工程運(yùn)行的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)若存在能源損耗大的問題，工程在整個(gè)運(yùn)用期間將處于低效、高耗運(yùn)行狀態(tài)，造成極大的浪費(fèi)。由此可見，水利水電工程電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，節(jié)能手段的應(yīng)用是很有必要的。無論從微觀，還是宏觀角度，水利水電工程建設(shè)，均需落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，注重能耗控制，推動(dòng)行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[1]。

2水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在開展電氣節(jié)能設(shè)計(jì)前，相關(guān)單位需掌握節(jié)能減排的原則，規(guī)范相關(guān)工作。（1）合法性原則，節(jié)能設(shè)計(jì)需遵循國(guó)家相關(guān)政策法規(guī)和規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)準(zhǔn)入條件，落實(shí)節(jié)能減排規(guī)程規(guī)范；（2）可行性原則，需結(jié)合工程特點(diǎn)，明確電氣能耗指標(biāo)，開展針對(duì)性節(jié)能設(shè)計(jì)，保障方案的可行性；（3）經(jīng)濟(jì)性原則，提供多項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案，結(jié)合節(jié)能效果、投入成本等要素，選擇最優(yōu)方案；（4）先進(jìn)性原則，優(yōu)先選用先進(jìn)工藝與技術(shù)，替換能耗過高的老舊產(chǎn)品?；谏鲜鲈瓌t，在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中注重如下要點(diǎn)。

2.1貫徹全方位節(jié)能設(shè)計(jì)方法

電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)與其他專業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，配合工程規(guī)劃與總布置節(jié)能設(shè)計(jì)；水工建筑物、生產(chǎn)用房、管理生活用房等建筑物節(jié)能設(shè)計(jì)；水力機(jī)械及輔助設(shè)備以及金屬結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)，共同構(gòu)建一個(gè)有機(jī)的節(jié)能體系。無論是工程施工期，還是運(yùn)行期，節(jié)能設(shè)計(jì)還應(yīng)通過加強(qiáng)技術(shù)管理（安裝完備的能源計(jì)量器具，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗量的統(tǒng)計(jì)、考核）、建立健全能源管理體系等措施，構(gòu)建系統(tǒng)化的能源管理體系。

2.2優(yōu)化用能工藝

具體分析工程所在地電源供應(yīng)情況，合理確定供電電壓等級(jí)；優(yōu)先選用距離近的電源點(diǎn)與供電距離短的線路路徑；變電所的位置盡可能設(shè)在負(fù)荷中心，減小低壓供電半徑；選用一級(jí)能耗的用能設(shè)備。（1）合理選擇輸電線路路徑，使線路最短，節(jié)省投資和運(yùn)行成本。按經(jīng)濟(jì)電流密度法選擇導(dǎo)線截面，降低線路損耗。線路選用電阻率小的導(dǎo)電材料，導(dǎo)線截面按使線纜初始投資和經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)線路損耗費(fèi)用之和最少選擇，即選擇經(jīng)濟(jì)電流，有資料顯示可減少35%~42%的線路損耗。（2）選擇合理的供電電壓等級(jí)，使電氣設(shè)備投資與運(yùn)行成本總費(fèi)用最低。例如機(jī)組容量較大的泵供電電壓由35kV改為110kV，線路損耗僅為35kV供電的1/9.87。（3）合理選用電氣設(shè)備容量，提高負(fù)載系數(shù)，保證變壓器的負(fù)荷率在75%~80%，使變壓器運(yùn)行在最高效率點(diǎn)。尤其是在水利水電工程中，升壓變壓器易出現(xiàn)滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行，合理選擇變壓器的容量與變比，確保發(fā)電機(jī)始終在額定參數(shù)下運(yùn)行，減少能源損耗。變壓器是電氣工程的主要耗能設(shè)備，其能源損耗占發(fā)電量的1/10，選擇節(jié)能型變壓器，是電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。按照變壓器的制造標(biāo)準(zhǔn)，空載損耗負(fù)載損耗低選擇變壓器容量時(shí)，負(fù)載率一般控制在65%~85%之間，使變壓器運(yùn)行在高效區(qū)范圍，以農(nóng)村水電站改造工程為例，將原本的S7系列變壓器，更換為S11系列變壓器，能源損耗有顯著降低，二者對(duì)比結(jié)果如表1所示。觀察表1可知，S11系列變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗較小。S11系列變壓器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)顯著。（4）根據(jù)水利水電工程建筑物的布置位置及周圍地質(zhì)、地形條件，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，10kV變電站推薦采用戶內(nèi)成套設(shè)備的布置方案；110kV開關(guān)站推薦采用在六氟化硫氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的布置方案。在技術(shù)方面，戶內(nèi)成套設(shè)備或GIS配電裝置方案的運(yùn)行可靠性、使用壽命、設(shè)備檢修、運(yùn)行維護(hù)等多方面均優(yōu)于敞開式配電裝置方案；在經(jīng)濟(jì)方面，敞開式配電裝置方案雖然電氣設(shè)備投資較少，但占用土地面積較大，對(duì)林木植被、周圍環(huán)境影響較大。因此，推薦采用戶內(nèi)成套設(shè)備或GIS配電裝置方案，可減少資源浪費(fèi)和增加環(huán)保效益。（5）配電設(shè)備布置根據(jù)具體情況，盡可能縮短母線和電纜長(zhǎng)度；動(dòng)力電纜采用銅芯絕緣電纜，電纜的截面按經(jīng)濟(jì)電流密度法計(jì)算選取，從而有效降低了線纜損耗。異步電動(dòng)機(jī)采用并聯(lián)電力電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以減少電能輸送過程中無功功率造成的電能損耗，改善電能質(zhì)量?？刹扇≡诮K端設(shè)備處就地分散補(bǔ)償，也可在母線處集中補(bǔ)償，根據(jù)用電負(fù)荷變化，自動(dòng)投入相應(yīng)容量的電力移相電容器組進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償后將電機(jī)功率因數(shù)提高到0.9以上。同步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償是通過同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置將功率因數(shù)維持在0.9以上，減少電網(wǎng)無功輸送量，減少電能損耗。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或負(fù)荷變動(dòng)較大的泵組采用變頻器驅(qū)動(dòng)。（6）采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控變配電系統(tǒng)設(shè)備。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)和管理融為一體的系統(tǒng)。對(duì)變配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙調(diào)、遙控和遙信；可以隨時(shí)察看電能消耗情況，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，降低運(yùn)行成本，提高故障的分析、預(yù)警，減少事故的發(fā)生，加快故障的排除；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度，與上一級(jí)管理部門通訊，既可高效運(yùn)行，也可充分利用水能。

3可再生能源利用

3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)解決部分管理設(shè)施用電

利用水利水電工程較大面積的屋頂、堤岸空地，可以用來設(shè)置太陽能光伏組件，所發(fā)電能就地消納，余電上網(wǎng)。既解決水利水電工程部分管理設(shè)施的用電，也有一定的發(fā)電收益。以大型泵站為例，在主副站房屋頂布置一套多晶硅太陽能光伏電池組，模塊面積1580mm×808mm×36mm，轉(zhuǎn)換效率15%，最大輸出功率150W，開路電壓43.4V。該系統(tǒng)選用上述型號(hào)模塊12串30并，共360只模塊；并選用三相逆變器，額定電壓為交流380V，可單獨(dú)或并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)際功率54kW，光伏陣列面積459.6m2，太陽能發(fā)電系統(tǒng)多年平均發(fā)電量約47600kWh。

3.2控制照明系統(tǒng)能耗

照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于，保障照明系統(tǒng)的照度，減少光能損耗。常用的照明系統(tǒng)能耗控制措施為自然光的開發(fā)、綠色環(huán)保設(shè)計(jì)與高效光源的選擇三項(xiàng)。在自然光的開發(fā)方面，可將電氣工程與土建工程配合，開發(fā)利用自然光，減少照明系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。例如，對(duì)于地下部位的施工，可通過光導(dǎo)光照明系統(tǒng)的應(yīng)用，將太陽光引入導(dǎo)管內(nèi)，發(fā)散到地下區(qū)域，用于照明。在綠色環(huán)保設(shè)計(jì)方面，全面考慮照明系統(tǒng)的能耗與環(huán)境污染現(xiàn)象，通過系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)能耗的同時(shí)，避免燈光危害周邊居民的正常生產(chǎn)生活。例如，對(duì)于工程施工的一般場(chǎng)所，可選擇220V照明設(shè)備；對(duì)于存在導(dǎo)電灰塵的高溫施工環(huán)境，照明設(shè)備電源電壓需低于36V；對(duì)于潮濕用電環(huán)境，照明設(shè)備電源電壓需低于24V等，保障施工的安全性。在高效光源的選擇方面，遵循顯色性能優(yōu)異、發(fā)光效率高與壽命周期長(zhǎng)等要求，根據(jù)水利水電工程的不同電氣場(chǎng)所需求，選擇合適的光源，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的最大化利用，減少能源損耗。例如，針對(duì)辦公室室內(nèi)，可選擇節(jié)能熒光燈；針對(duì)機(jī)械車間，可選擇高頻無極熒光燈；針對(duì)科研場(chǎng)所，可選擇高壓鈉燈。同時(shí)，對(duì)于不同照明場(chǎng)所的特殊性，需適當(dāng)調(diào)整照明光源。例如，對(duì)于顯色要求較高的場(chǎng)所，優(yōu)先選用陶瓷金鹵燈；對(duì)于安裝高度高、維修難度大的場(chǎng)所，優(yōu)先選用高頻無極熒光燈，實(shí)現(xiàn)燈具的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行[2]。

4優(yōu)化設(shè)備配置

在水利水電工程中，設(shè)備優(yōu)化配置包括設(shè)備選型與設(shè)備布設(shè)兩方面。以水電站增容改造為例，分析電氣設(shè)備選型與布設(shè)要點(diǎn)。（1）將以往的定子鐵芯D42硅鋼片材料，替換為取向硅鋼片，減少鐵磁損耗，提高磁感應(yīng)強(qiáng)度；（2）選擇F級(jí)環(huán)氧分云母帶作為定子線圈的絕緣，從原本的B級(jí)絕緣改造為F級(jí)絕緣，強(qiáng)化絕緣效果，提升散熱效果，提高輸出功率；（3）保障器件功能不變（包括通風(fēng)冷卻性能、運(yùn)行安全性能等）的基礎(chǔ)上，提升轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的匝數(shù)或截面，減少銅線損耗；（4）改進(jìn)發(fā)電機(jī)的風(fēng)路系統(tǒng)，優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)，將原本的通風(fēng)損耗從額定容量的2%~5%，降低到0.4%，降低通風(fēng)損耗，提高發(fā)電機(jī)的輸出效率，實(shí)現(xiàn)增容的建設(shè)目標(biāo)[3]。水輪機(jī)由原本的HL220-LJ-225（0°）更換為HL220-LJ-225（+2°），更換器件包括導(dǎo)葉、傳動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)輪，提升水輪機(jī)的出力和抗氣蝕性能。在電氣設(shè)備布設(shè)方面，將發(fā)熱量大的設(shè)備布置于通風(fēng)口部位，為設(shè)備提供自然散熱環(huán)境，減少機(jī)械通風(fēng)的應(yīng)用，降低能耗。對(duì)于變壓器室等熱量較多的場(chǎng)所，施工單位在土建工程中應(yīng)用隔墻隔熱措施，強(qiáng)化熱量散發(fā)效果，減少空調(diào)系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

5結(jié)語

綜上所述，水利水電工程電氣節(jié)能設(shè)計(jì)不僅可以減少能耗，還可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)工程使用壽命。通過本文的分析可知，優(yōu)化供配電方案，選用節(jié)能高效電氣設(shè)備，多途徑利用可再生能源，強(qiáng)化電氣節(jié)能設(shè)計(jì)成效，提升水利水電工程的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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作者：費(fèi)章貴 單位：安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院