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【摘要】企业通过原有S7变压器升级为S13变压器、风机和泵的阀门控制改造为变频控制来实现能量系统的优化。通过对该方案的优化效果做进一步测算和研究，验证其可行性和节能性。
【关键词】能量系统优化;变压器;电机;节能
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
10.147
某玉米淀粉加工企业原有S7变压器电损量大，可靠性低，达不到《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》（GB20052-2013）中能效限定值要求，已列入《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第一批）》。另外，厂区风机和泵未采用变频控制，存在不易调节、耗能严重等问题。根据国家节能降耗的原则，对原有35kV变配电与电机系统进行升级改造。
1、35kV变配电及电机系统能量优化方案
（1）能量系统优化：选用5台S13-2500/35与2台SCB12-2500/35变压器替代原有3台S7-2000/35、3台S7-2500/35与1台S9-2500/35变压器。
（2）电机系统节能改造：新增变频器79台等。
2、能量优化方案的节能效果研究
2.1变压器损耗技术水平研究
2.1.1变压器的选型
企业现有S7型电力变压器属于高耗能变压器，新选用的S13型开口式立体卷铁心变压器铁心呈三角形排列，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少70～85%，提高功率因数，降低了电网损耗，空载损耗降低20～45%。
2.1.2变压器容量计算
企业统计全厂合计用电设备总功率24538.49kW，同时用电系数取0.4，则用电设备功率约为9815.4kW。根据计算公式：S=P/cosφ（取用电设备平均功率因数cosφ为0.85）计算可得，用电设备视在功率S=9815.4/0.85=11547.52kVA。
改造后共有2500kVA新变压器为7台，总额定容量Se=17500kVA。
变压器的负载率η=S/Se*100%=65.99%，能够达到变压器的最佳负载率60%～80%之间，不仅能够满足现在容量的需求，且能为将来负荷的增长预留了发展空间。
2.1.3变压器损耗技术水平
（1）变压器年消耗电量计算式
W=（8600×P0+2200×Pk）+0.05（8600×i%×Se+2200×Uk%×Se）
式中：P0——空载损耗，kW;Pk——负载损耗，kW;i%——空载电流百分数;Uk%——阻抗电压百分数;Se——变压器容量，kVA;8600、2200——变压器全年平均空载、负载小时数（h）;0.05——无功当量。
（2）新旧变压器技术参数与节电量计算
新旧变压器技术参数与节约电量计算表
据以上计算结果可知改造后变压器年节约电量9.18万kWh，节电率=9.18万kWh/72.66万kWh=12.63%。
2.2变频器节能技术水平
2.2.1风机水泵节能原理及计算式
生产中对风机﹑水泵常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果用变频器对风机﹑泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗将大为减少，根据生产经验可知，采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板﹑阀门之类来调节可节电20%～50%。本方案拟新增变频器79台，所对应的电机功率为9074kW，变频调速节约电量的计算如下：
风机水泵特性：H=H0-（H0-1）×Q2
式中：H——扬程;Q——流量;H0——流量为0时的扬程。
管网阻力：R=KQ2
式中：R——管网阻力;K——管网阻尼系数;Q——流量。
风机水泵轴功率：P=KpQH/ηb
式中：P——轴功率;Q——流量;H——压力;ηb——风机水泵效率;Kp——计算常数。
流量、压力、功率与转速的关系：
Q1/Q2= n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2 =（n1/n2）3
注：上述变量均采用标准值，以额定值为基准，数值为1表示实际值等于额定值
2.2.2改造前后风机水泵節能计算
35kV变电站升级改造项目拟新增变频器79台，所对应的电机功率为9074kW。假设风机水泵的效率=98%、变频器的效率=97%。额定流量时的风机水泵轴功力为9074kW。
风机水泵特性：风量Q为0时，扬程H为1.4p.u（标准值，以额定值为基准）;设曲线特性为H=1.4-0.4Q2。年运行时间为：8600小时。
风机水泵的运行模式为：流量100%，年运行时间的30%;流量70%，年运行时间的50%;流量50%，年运行时间的20%。
（1）变阀调节控制流量时
假设P100为100%流量的功耗，P70为70%流量的功耗，P50为50%流量的功耗：
P100=9074/0.98 =9259.18kW
P70=9074×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.98=7803.64kW
P50=9074×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.98=6018.47kW
年耗电量为：
8600×（9259.18×0.3+7803.64×0.5+6018.47×0.2）/10000=6779.61万kWh
（2）变频调节控制流量时
假设P100为100%流量的功耗，P70为70%流量的功耗，P50为50%流量的功耗：
P100=9074/0.98/0.97=9548.55kW
P70=9074×0.73/0.98/0.97=3274.12kW
P50=9074×0.53/0.98/0.97=1193.19kW
年耗电量为：
8600×（9548.55×0.3+3274.12×0.5+1193.19×0.2）/10000=4076.63万kWh
每年节约电量6779.61万kWh-4076.63万kWh=2702.98万kWh，折合标准煤3321.98tce。
节电率=2702.98万kWh/6779.61万kWh=39.87%
3、方案综合节能效果
本方案通过更换节能变压器，对大功率设备增加变频器以及变压器升级改造后年节约电量为2712.16万kWh，其中，更换变压器节电9.18万kWh，节电率为12.63%;新增变频器节电2702.98万kWh，节电率39.87%;综合节能效果达到36%以上。
结语：
本方案为变配电及电机系统的节能升级改造，通过研究分析，方案节能效果显著，实现了节能减排、保护环境的目的，符合国家节能减排的政策和有关规定，符合中国节能技术政策大纲和行业节能设计规范。
参考文献：
[1]刘屏周，卞铠生，任元会等.工业与民用供配电设计手册（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2016
【关键词】能量系统优化;变压器;电机;节能
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
10.147
某玉米淀粉加工企业原有S7变压器电损量大，可靠性低，达不到《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》（GB20052-2013）中能效限定值要求，已列入《高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第一批）》。另外，厂区风机和泵未采用变频控制，存在不易调节、耗能严重等问题。根据国家节能降耗的原则，对原有35kV变配电与电机系统进行升级改造。
1、35kV变配电及电机系统能量优化方案
（1）能量系统优化：选用5台S13-2500/35与2台SCB12-2500/35变压器替代原有3台S7-2000/35、3台S7-2500/35与1台S9-2500/35变压器。
（2）电机系统节能改造：新增变频器79台等。
2、能量优化方案的节能效果研究
2.1变压器损耗技术水平研究
2.1.1变压器的选型
企业现有S7型电力变压器属于高耗能变压器，新选用的S13型开口式立体卷铁心变压器铁心呈三角形排列，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少70～85%，提高功率因数，降低了电网损耗，空载损耗降低20～45%。
2.1.2变压器容量计算
企业统计全厂合计用电设备总功率24538.49kW，同时用电系数取0.4，则用电设备功率约为9815.4kW。根据计算公式：S=P/cosφ（取用电设备平均功率因数cosφ为0.85）计算可得，用电设备视在功率S=9815.4/0.85=11547.52kVA。
改造后共有2500kVA新变压器为7台，总额定容量Se=17500kVA。
变压器的负载率η=S/Se*100%=65.99%，能够达到变压器的最佳负载率60%～80%之间，不仅能够满足现在容量的需求，且能为将来负荷的增长预留了发展空间。
2.1.3变压器损耗技术水平
（1）变压器年消耗电量计算式
W=（8600×P0+2200×Pk）+0.05（8600×i%×Se+2200×Uk%×Se）
式中：P0——空载损耗，kW;Pk——负载损耗，kW;i%——空载电流百分数;Uk%——阻抗电压百分数;Se——变压器容量，kVA;8600、2200——变压器全年平均空载、负载小时数（h）;0.05——无功当量。
（2）新旧变压器技术参数与节电量计算
新旧变压器技术参数与节约电量计算表
据以上计算结果可知改造后变压器年节约电量9.18万kWh，节电率=9.18万kWh/72.66万kWh=12.63%。
2.2变频器节能技术水平
2.2.1风机水泵节能原理及计算式
生产中对风机﹑水泵常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果用变频器对风机﹑泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗将大为减少，根据生产经验可知，采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板﹑阀门之类来调节可节电20%～50%。本方案拟新增变频器79台，所对应的电机功率为9074kW，变频调速节约电量的计算如下：
风机水泵特性：H=H0-（H0-1）×Q2
式中：H——扬程;Q——流量;H0——流量为0时的扬程。
管网阻力：R=KQ2
式中：R——管网阻力;K——管网阻尼系数;Q——流量。
风机水泵轴功率：P=KpQH/ηb
式中：P——轴功率;Q——流量;H——压力;ηb——风机水泵效率;Kp——计算常数。
流量、压力、功率与转速的关系：
Q1/Q2= n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2 =（n1/n2）3
注：上述变量均采用标准值，以额定值为基准，数值为1表示实际值等于额定值
2.2.2改造前后风机水泵節能计算
35kV变电站升级改造项目拟新增变频器79台，所对应的电机功率为9074kW。假设风机水泵的效率=98%、变频器的效率=97%。额定流量时的风机水泵轴功力为9074kW。
风机水泵特性：风量Q为0时，扬程H为1.4p.u（标准值，以额定值为基准）;设曲线特性为H=1.4-0.4Q2。年运行时间为：8600小时。
风机水泵的运行模式为：流量100%，年运行时间的30%;流量70%，年运行时间的50%;流量50%，年运行时间的20%。
（1）变阀调节控制流量时
假设P100为100%流量的功耗，P70为70%流量的功耗，P50为50%流量的功耗：
P100=9074/0.98 =9259.18kW
P70=9074×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.98=7803.64kW
P50=9074×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.98=6018.47kW
年耗电量为：
8600×（9259.18×0.3+7803.64×0.5+6018.47×0.2）/10000=6779.61万kWh
（2）变频调节控制流量时
假设P100为100%流量的功耗，P70为70%流量的功耗，P50为50%流量的功耗：
P100=9074/0.98/0.97=9548.55kW
P70=9074×0.73/0.98/0.97=3274.12kW
P50=9074×0.53/0.98/0.97=1193.19kW
年耗电量为：
8600×（9548.55×0.3+3274.12×0.5+1193.19×0.2）/10000=4076.63万kWh
每年节约电量6779.61万kWh-4076.63万kWh=2702.98万kWh，折合标准煤3321.98tce。
节电率=2702.98万kWh/6779.61万kWh=39.87%
3、方案综合节能效果
本方案通过更换节能变压器，对大功率设备增加变频器以及变压器升级改造后年节约电量为2712.16万kWh，其中，更换变压器节电9.18万kWh，节电率为12.63%;新增变频器节电2702.98万kWh，节电率39.87%;综合节能效果达到36%以上。
结语：
本方案为变配电及电机系统的节能升级改造，通过研究分析，方案节能效果显著，实现了节能减排、保护环境的目的，符合国家节能减排的政策和有关规定，符合中国节能技术政策大纲和行业节能设计规范。
参考文献：
[1]刘屏周，卞铠生，任元会等.工业与民用供配电设计手册（第四版）[M].北京：中国电力出版社，2016