劉福春

（天津市水務規(guī)劃勘測設計有限公司，天津 300204）

1 問題的提出

黨的二十大報告提出，積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和，是國家關于節(jié)能減排的重大決策部署。目前，我國綠色、循環(huán)、低碳的發(fā)展理念逐步落地見效，資源節(jié)約集約利用水平向好。但資源約束趨緊、環(huán)境容量不足等問題依然突出，生產生活方式綠色低碳轉型存在多重困難挑戰(zhàn)。要消除可持續(xù)發(fā)展的制約因素，必須扎實推進“雙碳”工作，提高能源利用效率，形成綠色生產及生活方式，實現經濟社會可持續(xù)發(fā)展［1］。

踐行綠色低碳理念，節(jié)約1 kW·h電是節(jié)能減排工作的有效手段之一。1 kW·h 電可以讓節(jié)能燈點亮100 h，可以給1部手機充電100多次，可以讓家用冰箱運作36 h，可以讓電視播放10 h電視劇，可以讓洗衣機清洗50 kg 衣服，還可以生產100 多個醫(yī)用口罩、10 副醫(yī)用手套、10 L 消毒液等等。為生活守護一份平安，1 kW·h 電的作用真的超乎我們的想象。1 kW·h 電的產生很不容易：水力發(fā)電需要630 m3的水，才能產生1 kW·h電；光伏發(fā)電需要1塊250 W的光伏板在陽光下曬4 h的等效時長，才能產生1 kW·h電；火力發(fā)電需要燃燒400 g左右的煤，才能產生1 kW·h電！現在大部分電能是通過火力發(fā)電燒煤發(fā)出來的，我們少用1 kW·h電相當于減少400 g煤的燃燒，就能減少997 g 二氧化碳、272 g 的碳粉塵、15 g 的氮氧化合物、3 g 的二氧化硫排放，就能為節(jié)能降耗多助一份力。我們可以讓1 kW·h電在不經意間溜走，也可以選擇節(jié)約每1 kW·h 電讓它發(fā)揮價值。地球資源是有限的，我們想要長久地生存下去，就得切實行動起來，從現在做起，從點滴做起，一起節(jié)約用電、節(jié)省能源，守護美麗家園。

截至2021年底，天津市現有大、中、小型水利泵站共計3890座，其中大型水利泵站12座、中型水利泵站263 座（裝機容量為1000～10000 kW）。數千座泵站在保障全市供水、灌溉、排澇等功能發(fā)揮的同時也消耗了大量電能，產生了大量電費的運行成本。因此，在踐行節(jié)約用水責任的同時，節(jié)約用電亦可降低管理單位的運行成本，減少碳排放，提高管理單位經濟效益和社會效益。節(jié)約用電的一般途徑有：①減少泵站功率損耗，提高電能利用率；②采用新技術、新材料和新工藝；③加強設備的維護與檢修，減小能量損耗；④通過信息化手段實現智慧泵站優(yōu)化調度。本文主要介紹水利泵站通過改善用電設備功率因數、減少泵站功率損耗、提高電能利用率來實現水利工程節(jié)約用電，完成運行管理單位節(jié)能減排目標。

2 功率因數基本概念

水利泵站配置的變壓器、水泵電機等感性電氣設備多是通過建立磁場才能正常工作，磁場所具有的能量是由電源供給的，當用電設備激磁電流增加時從電源吸收能量，激磁電流減小時將能量釋放回電源。衡量與電源能量交換速率的物理量稱為無功功率。正常工況下，電機等用電設備要從電源同時取得有功功率及無功功率。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場就要消耗無功功率。感性負荷自電網吸收無功功率，容性負荷向電網發(fā)出無功功率。接于同一正弦交流電壓的電感和電容電流反相，吸收、釋放能量互相抵消，故無功功率互相抵消。在電路中交流電壓和交流電流之間相位差角φ的余弦為功率因數cosφ，數值上是有功功率與視在功率之比，即：

式中：cosφ為功率因數；P為有功功率（kW）；S為視在功率（kVA）。

3 功率因數與節(jié)約電能

3.1 功率因數的影響因素

當泵站中的水泵電機有功功率一定時，無功功率上升，功率因數下降。功率因數下降的影響因素有：①泵站使用感應水泵電機和感性用電設備；感性用電設備不匹配或使用不合理，造成長期輕載或空載運行；②變壓器容量選擇過大，使之常年低負載率運行；③未配置電容器等無功補償設備。

功率因數下降將產生以下影響：①增加供電系統(tǒng)線路和變壓器等設備材料的容量和投資；②增大線路和變壓器的功率和電能損耗，增加年運行費；③電網電壓損失增大，供電電壓質量下降。電力部門規(guī)定各用電企業(yè)功率因數不能低于0.9，并制定了相應的獎懲標準，這對電網的經濟運行和保證供電質量都是非常必要的。

3.2 節(jié)約電能意義

功率因數的高低對泵站節(jié)能至關重要，提高泵站的總功率因數，節(jié)約電能，具有積極的意義：①緩和電力供需矛盾。在天津市的水利行業(yè)，甚至全市各個行業(yè)、全國各個領域開展節(jié)約電能的活動，可使有限的能源用于更多的生產部門，為社會創(chuàng)造更多的財富。②提高電能使用的經濟效益。在工程運行階段會節(jié)約大量電能，降低管理單位運行成本。③加速工藝、電氣設備的改造，促進科技進步。節(jié)約電能工作的不斷深度開展，在工程前期建設階段可節(jié)約設備投資，在工程運行數年后必將促進對舊設備、落后工藝的更新換代和升級，從而大幅度提高生產效率，降低能耗［2］。

4 提高功率因數舉措

改善水利泵站水泵機組、輔機等用電負荷功率因數，核心問題是減少用電負荷的無功功率，主要方法是調整自然功率因數和人工補償提高功率因數。

4.1 提高自然功率因數

提高泵站水泵電機運行效率的最基本方法是合理選擇和使用電動機，確定最經濟的運行方式和降低電動機的能量損耗。異步電動機的功率因數和效率是水泵電機2個重要的技術參數，它們相互關聯、互相影響，改善水泵電機效率的同時也改善了其功率因數。一般異步電動機的額定效率和功率因數按負荷系數在75%～100%的范圍內設計，所以電動機額定輸出功率應為選擇負荷功率的1.10～1.15 倍為宜。因為水泵電機、變壓器等感性負荷是吸收無功功率較多的用電負荷，選型時確定的容量越大，無功功率需要越大。如果這些設備經常處于“大馬拉小車”即空載或輕載運行工況時，功率因數和工作效率都會下降，違背了節(jié)約的原則。

對于長期運行的大型泵站采用同步水泵電機為宜；變頻供水泵站選擇輸入功率因數大于0.95 的變頻器，無需配置功率因數補償裝置。

4.2 人工補償提高功率因數

泵站的高壓電源線路及變壓器輸送無功功率，亦可能導致損耗電能和電壓，降低電氣設備的工作效率。因此，除減少用電負荷無功功率消耗、提高自然功率因數外，還需在末端對無功功率進行人工補償?？茖W合理使用水泵電機、變壓器等設備，以及利用電容器并聯補償來提高功率因數，是人工提高功率因數通常采取的方法。當單相電容器的額定電壓與電網額定電壓相同時，三相電容器應采用三角型接線型式；當單相電容器的額定電壓低于電網額定電壓時，應采用星型接線型式，或幾個電容器串聯后、使得每相電容器組的額定電壓高于或者等于電網的額定電壓，再采用三角型接線型式。在短路容量較小的變電站，多采用三角型接線型式電容器組。為提高泵站補償裝置的經濟效益，減少無功功率的傳送，盡量就地補償。在泵站的配電系統(tǒng)中，通常采用的補償方式有高壓集中補償、低壓成組補償和低壓就地補償3種型式［3］。

在水利泵站中，用電負荷基本以電感性和電阻性負荷為主，總電流相位將滯后電壓1個角度φ。若裝設電容器并與負載并聯，電容器電流將抵消一部分電感電流，總電流相位差φ減小，相應提高了功率因數。如果電容器容量選擇得當，可把φ減小到0，即cosφ提高到1。

4.2.1 電機的合理使用

對水泵電機進行補償時，補償電容器容量的計算應按水泵電機空載的功率因數補償約至1計算補償容量，不要按水泵電機帶負荷時的功率因數計算補償容量。因為，若帶負荷時補償至cosφ=1，則空載時將會出現過補償現象。若出現過補償情況時斷開電機電源，水泵電機勵磁接收到電容器放電，使運行的水泵電機變成感應發(fā)電機，此時的工作電壓超過額定電壓多倍，有損于電容器和水泵電機的絕緣。

對于輕負荷的水泵電機，適當降低電壓，則電動機的轉矩減少，輸出功率降低。但由于電壓降低，空載電流減少，鐵損減少，因而水泵電機功率因數和效率基礎維持不變。對于中小型異步電動機，當負荷低于50%時，常采用改變電動機定子繞組接線（由△接線改為Y 接線）的方法，使電動機降壓運行，從而減少電動機無功功率需用量，提高功率因數，達到節(jié)約電能的目的［4］。

電動機空載運行時輸出功率為零，但此時鐵損、機械損耗仍然存在，仍在消耗無功功率和有功功率。而在各種機械的生產過程中，空載間斷時間又是不可避免的。因此，限制異步電動機空載運行時間，合理使用電動機，使其經濟運行，可達到節(jié)能減排的目的。

其他降壓運行方法還有采用自耦變壓器降壓、調壓器調壓、電抗器或電容器降壓和改變電動機繞組接線法等。

4.2.2 變壓器的經濟運行

電網的經濟運行是指使整個系統(tǒng)中的有功功率損耗最小并能獲得最佳經濟效益的運行方式。泵站配置的變壓器經濟運行，是使變壓器總的有功損耗最小的運行方式。

泵站配電系統(tǒng)中的有功功率損耗與電氣設備的有功功率和無功功率均相關。因無功功率需求量的升高導致電流升高，電流經過變壓器和線路時產生較大的功率損耗，使配電系統(tǒng)中總有功損耗升高。為直觀表達上述工況，因而出現了“無功功率經濟當量”的說法。無功功率經濟當量表示了因裝設人工無功電容補償設備得到的直接經濟效益，其物理意義為每補償1 kvar無功功率，在配電系統(tǒng)中相應引起有功功率所增加的數值。無功功率經濟當量的大小與電力系統(tǒng)的容量、結果及計算點的具體位置等因素有關。距離電源越遠的泵站變電所，無功功率經濟當量值越大，亦即裝設無功補償設備后所得經濟效益越高。

變壓器工作需要消耗無功功率建立交變磁場，其消耗的無功功率約為其自身額定容量的15%左右，空載無功功率約為滿載時的1/3。從經濟運行的角度來說，并聯工作的變壓器要考慮有功功率損耗和無功功率損耗，因為電網供給無功功率時也會在電網和變壓器中引起有功功率的損耗。當總負荷一定時，泵站無論接入1 臺還是2 臺變壓器，變壓器所產生的功率損耗是一樣的。因此，應根據季節(jié)性負荷變化情況，確定泵站配置的變壓器最經濟的并聯運行臺數，減少電能損耗，達到最佳的經濟效益。

4.2.3 線路

由線路的對地電容電流所產生的容性無功功率，稱為線路的充電功率。電源線路空載或者輕載時電壓會高于電源電壓，因為導線間及對地存在電容，輸電線路相當于1個無功電源，這時電流相位超前于電壓相位。輸電線路輕載時，其容性充電功率將超過線路本身所消耗的感性功率，會導致功率因數降低并提高末端電壓。這將對用電負載造成危害，尤其是電纜線路，電纜線路的相間電容約為架空線路的18 倍，對地電容約為架空線路的幾十倍，因此，長距離電纜線路中電容電流增大，將產生過多的充電功率，引起輸電線路的電壓升高，當電壓升高到一定程度后會造成電纜線路本身和其他相關設備的損害，危及電力系統(tǒng)安全［5］。

為解決長距離電纜輸電線路的過電壓問題，可將電容器與線路串聯，改變線路參數，減小線路的電壓損失，提高末端電壓水平和線路輸送能力，減少電網損耗；也可將逆變器（電壓型）在電網上并聯電抗器，調節(jié)逆變器交流側輸出電壓的相位與幅值，迅速吸收無功功率，實現快速動態(tài)調節(jié)無功功率，達到改善功率因數的目的。

5 結語

我國生態(tài)文明建設已進入以降碳為重點戰(zhàn)略方向的關鍵時期，必須扎實推進“雙碳”工作，發(fā)揮降碳對生態(tài)環(huán)境質量改善的源頭牽引作用，大力實施節(jié)能減排，全面推行清潔生產，加快發(fā)展循環(huán)經濟，推進減污降碳協(xié)同增效，加快實現生態(tài)環(huán)境質量改善由量變到質變的根本轉變，守護好藍天白云、綠水青山，為人民群眾提供更加優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境，提高人民生活品質。

天津市在健全節(jié)能減排政策機制的同時，為助力實現碳達峰碳中和目標，不斷滿足人民群眾天藍、地綠、水清良好生態(tài)環(huán)境的需要，必須推動天津水利泵站工程綠色升級，這對促進全市經濟社會綠色低碳、資源集約發(fā)展具有重要意義。