水泥生产企业供配电节电技术措施

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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 0032018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 0022018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 P3I 2 R； IP/（ 3Ucosφ）； Δ PP 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185250kW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-1-3185195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-10-395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 185195 0.009 9 20.72 YKK3552-4 6 000 24.4/18.3 YJV-6-350 0.038 7 38.91 YKK3552-4 10 000 14.6/11.0 YJV-10-350 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 P3I 2 R10 -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 0.920.95；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0.900.95。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