袁 輝

（山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心壽光管理站）

0 引言

水利水電工程中，泵站需要供配電運(yùn)作需求耗費(fèi)大量的電能，而這部分能耗支出占據(jù)了水利水電工程運(yùn)行成本支出的重要部分，因此，為了縮減水利水電工程運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)水利水電運(yùn)行的節(jié)能增效，需要積極探索泵站供配電節(jié)能設(shè)計，并采取有效的設(shè)計手段，降低泵站供配電的能耗，深入優(yōu)化水利水電工程的運(yùn)行水平，助力水利水電工程領(lǐng)域的發(fā)展。

1 案例概述

案例泵站為某水利水電工程的泵站，泵站裝機(jī)容量為1177.4Kw，該泵站主要作用是抽水灌溉，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但在泵站的長時間運(yùn)作中，工作者發(fā)現(xiàn)泵站的耗電量較大，為當(dāng)?shù)氐墓┡潆娤到y(tǒng)帶來了較大的運(yùn)行壓力，因此，為了深入優(yōu)化泵站的性能，減少水利水電工程運(yùn)行支出，擬對泵站供配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并借助節(jié)能設(shè)計，降低供配電環(huán)節(jié)的電能損耗，提高泵站的運(yùn)行效率。

2 水利水電工程泵站供配電節(jié)能設(shè)計思路

泵站作為水利水電工程運(yùn)行中不可或缺的設(shè)施，其需要長時間不間斷地運(yùn)行，這使得泵站的能耗支出占據(jù)了水利水電工程總能耗量的大部分。在此背景下，雖然泵站運(yùn)行本身的能耗支出無法避免，但在供配電環(huán)節(jié)，存在較多的電能損耗情況，使得所供給的電能未能充分地應(yīng)用到泵站的運(yùn)行中，因此，需要針對供配電階段，會造成電能損耗的因素，采取相應(yīng)的節(jié)能措施，以縮減供配電環(huán)節(jié)的電能損耗，提高泵站的電能利用率［1］。

基于此，在相關(guān)的節(jié)能設(shè)計思路建設(shè)上，應(yīng)當(dāng)先明確造成供配電損耗的因素，再進(jìn)行針對性節(jié)能設(shè)計措施的設(shè)置［2］。就目前來看，造成供配電環(huán)節(jié)電能損耗的因素主要包括，管線、變壓器設(shè)計不合理，無功需求量過大、諧波危害，以及負(fù)荷設(shè)計不合理造成的輕載運(yùn)行。為此，在設(shè)計思路建設(shè)上，要立足于上述幾點(diǎn)，采取相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計方案，以實(shí)現(xiàn)泵站供配電節(jié)能［3］。

3 水利水電工程泵站供配電節(jié)能設(shè)計原則

為了讓供配電節(jié)能設(shè)計效果能夠有效達(dá)到預(yù)期，在案例泵站設(shè)計時遵循以下原則：

第一，合理性原則，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)有條件，選用合適的設(shè)計方案，以保證節(jié)能設(shè)計的可行性。

第二，準(zhǔn)確性原則，需要有效運(yùn)用相關(guān)的電能計算公式，推導(dǎo)出影響損耗量的具體因素，再立足于該因素開展節(jié)能設(shè)計，提高節(jié)能設(shè)計的準(zhǔn)確性。

第三，擇優(yōu)原則，在節(jié)能設(shè)計上，需要選擇最優(yōu)方案，優(yōu)先選用效率高、能耗低、性能優(yōu)的設(shè)備，以獲得更好的節(jié)能效果。

第四，合規(guī)原則，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計時應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，以確保節(jié)能設(shè)計方案的順利應(yīng)用［4］。

4 水利水電工程泵站供配電節(jié)能設(shè)計研究

4.1 供配電線路節(jié)能設(shè)計

在案例工程中，供配電系統(tǒng)電能的線路損耗，通常能夠占泵站設(shè)備額定功率的5%左右，所以，線路節(jié)能設(shè)計是泵站供配電節(jié)能設(shè)計的重要部分。在供配電過程中，線路的損耗遵循公式如下：

式中，ΔP為功率損耗（KW）、IΦ為相電流（A）、R為線路電阻（Ω）。

將上述公式展開可以得到公式：

式中，P為有功功率（KW），UL為線路電壓、Q為無功功率（KVаr）

由此可以看到，線路損耗量主要與RP2/U2L+RQ2/U2L有關(guān)。其中，RP2/U2L為有功功率引起的損耗，而RQ2/U2L為無功功率引起的損耗。而根據(jù)公式可以看到，這些損耗量的大小取決于，電流、電阻兩個因素，而在泵站的供配電中，電流是不能改變的，所以，要減少損耗，就需要從電阻入手，進(jìn)行線路的電阻節(jié)能設(shè)計。在此過程中，根據(jù)線路的電阻計算公式，R=P×L/s，其中，R為電阻、P為電導(dǎo)率、S為線路的截面，可以了解到，在節(jié)能設(shè)計中，可以通過增加截面積、降低電導(dǎo)率、減少導(dǎo)線長度，降低電阻，減少損耗。

為此，在節(jié)能設(shè)計中，首先，可以考慮適當(dāng)?shù)貙?dāng)前的導(dǎo)線截面積等級上升一級，由此增加截面積，但應(yīng)當(dāng)保持所增加費(fèi)用，與電能支出節(jié)省費(fèi)用之間的平衡，確保截面增加帶來的費(fèi)用小于節(jié)能設(shè)計節(jié)省的費(fèi)用。其次，應(yīng)優(yōu)化線路設(shè)置路線，盡量選擇直線布置，以縮短導(dǎo)線的長度，由此達(dá)到節(jié)能的效果。最后，應(yīng)當(dāng)選擇電導(dǎo)率較低的線路，以減少電能損耗。一般來說，電導(dǎo)率主要與材質(zhì)有關(guān)，目前常用的線路材質(zhì)電導(dǎo)率如表1。從表中可見，銅導(dǎo)線的導(dǎo)電率最小，因此，可優(yōu)先選用銅導(dǎo)線，但考慮到銅導(dǎo)線的成本較高，所以，也可以根據(jù)實(shí)際條件，選用鋁導(dǎo)線，以減少電能在線路上的損耗，達(dá)到節(jié)能的效果。

表1 各材質(zhì)導(dǎo)線的電導(dǎo)率表

4.2 供配電變壓器節(jié)能設(shè)計

在泵站的供配電環(huán)節(jié)，變壓器作為供配電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)將傳輸?shù)奖谜镜碾妷海D(zhuǎn)換為適合泵站設(shè)備使用的電壓，以保證泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。但在變壓器的運(yùn)行中，也會造成電力的損耗，所以，在節(jié)能設(shè)計中，也需要對變壓器進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，以提高供配電系統(tǒng)對電能的利用率。對于變壓器來說，其的運(yùn)行效率公式如下：

其中，η為變壓器運(yùn)行效率，P2為有功功率（KWh）、P1為無功功率（KWh）。

將上述公式展開可以得到公式如下：

其中，cosψ2為二次側(cè)功率因數(shù)，cosψ2為功率因數(shù)，為取值在0.8~0.9之間的常數(shù)，SN為變壓器額定容量（Kvа），β為負(fù)載系數(shù)，PFe為空載損耗（KWh），PCuN為負(fù)載損耗（KWh）。由該公式可見，變壓器的運(yùn)行效率主要與空載損耗和負(fù)載損耗有關(guān)，兩者越少，變壓器處的電能損耗越小，因此，在節(jié)能設(shè)計上，需要結(jié)合實(shí)際條件，秉承擇優(yōu)原則，先選擇能耗低、國家機(jī)構(gòu)確認(rèn)節(jié)能、符合國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的變壓器設(shè)備，然后對選中的幾種變壓器設(shè)備進(jìn)行節(jié)能效果的比較，并進(jìn)行這幾種變壓器空載損耗和負(fù)載損耗的對比分析，由此擇優(yōu)選用變壓器，以達(dá)到節(jié)能的效果。在本案例工程中，選擇了三種節(jié)能變壓器，這三種變壓器的空載損耗與負(fù)載損耗對比分析結(jié)果如表2。從表中可以看到，損耗最少的是SFZ8型號，所以，在節(jié)能設(shè)計中，需要選用SFZ8型號的變壓器，作為泵站供配電用的變壓器，以實(shí)現(xiàn)泵站供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計。

表2 三種節(jié)能變壓器的損耗對比分析表

4.3 供配電無功補(bǔ)償設(shè)計

在泵站的運(yùn)行中，有功功率是必須的，且不可改變，但泵站內(nèi)各類用電設(shè)備中的整流器均存在電感，導(dǎo)致滯后性無功的形成，此時，就需要從供配電系統(tǒng)中引入超前的無功加以抵消。在此過程中，這種用于抵消滯后性無功的，超前無功功率就會從供配電系統(tǒng)的高、低壓線路，傳輸?shù)奖谜镜脑O(shè)施，由此形成了有功損耗。這部分因感抗所產(chǎn)生的損耗，與泵站設(shè)備運(yùn)行用的有功損耗不同，是可以通過提高設(shè)備的自然功率因數(shù)改變的。在泵站的運(yùn)行中，通過提高設(shè)備自然功率因數(shù)，可以減少泵站設(shè)備對超前無功的需求，降低此部分無功損耗。

而在節(jié)能設(shè)計中，有專門用來補(bǔ)償因設(shè)備感抗而形成的滯后性無功的設(shè)施，即電容器，所以，可以為泵站的設(shè)備設(shè)置電容器，結(jié)構(gòu)如圖1，運(yùn)用其產(chǎn)生的超前無功，將設(shè)備感抗形成的滯后性無功加以補(bǔ)償，即可有效提高設(shè)備的功率因數(shù)，縮減其對無功的需求，達(dá)到節(jié)能的效果。在上述設(shè)計過程中，如果設(shè)備的自然功率因數(shù)過小，不滿足供配電系統(tǒng)的運(yùn)行要求時，可以通過設(shè)計一個并聯(lián)的電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，但案例工程的泵站自然功率因數(shù)已經(jīng)達(dá)到了供配電系統(tǒng)的要求，所以，可以直接通過在供配電系統(tǒng)的低壓部分，設(shè)置低壓電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，以減少供配電過程中的損耗，達(dá)到節(jié)能的效果。

圖1 電容器結(jié)構(gòu)圖

4.4 供配電諧波治理設(shè)計

在水利水電工程中，泵站的用電設(shè)備較多，尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉需求較大的時間段內(nèi)，泵站需要保持高負(fù)荷的運(yùn)作，而泵站設(shè)備的運(yùn)作或多或少會向供配電系統(tǒng)中注入一定的諧波，由此造成了供配電的損耗。就目前來看，諧波會導(dǎo)致電纜過熱、中性線電流增大、電力電容器介質(zhì)過熱等現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象會均會造成供配電損耗增加的情況。為此，在節(jié)能設(shè)計中，供配電諧波治理設(shè)計，也是一項(xiàng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

在節(jié)能設(shè)計中，為了有效實(shí)現(xiàn)諧波治理，需要采取以下幾項(xiàng)措施：

第一，在供配電系統(tǒng)設(shè)計中，將變壓器的繞組方式，設(shè)計為Dyn-11型聯(lián)結(jié)模式，這樣可以將3次，以及3倍數(shù)次的諧波隔絕在三角形繞組中，使其不再進(jìn)入輸入端系統(tǒng)，以免其對供配電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，增加損耗。

第二，在變電的低壓側(cè)，設(shè)計一個消諧電抗器如圖2，并采用串聯(lián)的方式，將其與電容器相連，以更好地消除諧波。

圖2 消諧電抗器圖

第三，對于供配電系統(tǒng)中諧波較為嚴(yán)重的位置，需設(shè)計使用專門的變壓器。

第四，在節(jié)能設(shè)計中，如果出現(xiàn)諧波難以預(yù)測的情況，那么則應(yīng)預(yù)留出一定的濾波設(shè)備空間，以便于有效地對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，保證節(jié)能設(shè)計效果。

第五，在此環(huán)節(jié)的節(jié)能設(shè)計中，也要遵循合理性原則，考慮到諧波問題可能存在于供配電系統(tǒng)的各個部分，所以，為了減少節(jié)能設(shè)計落實(shí)對泵站供配電運(yùn)行的影響，需要合理規(guī)劃設(shè)計上述諧波治理措施的實(shí)施順序和時間，保持泵站的穩(wěn)定運(yùn)行，深入優(yōu)化節(jié)能設(shè)計水平。

4.5 供配電的負(fù)荷計算

在節(jié)能設(shè)計中，需要先根據(jù)水利水電工程的運(yùn)行需求，以及泵站的作業(yè)情況，對供配電負(fù)荷進(jìn)行計算，然后根據(jù)計算結(jié)果，對現(xiàn)有的供配電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，確保供配電的設(shè)施參數(shù)符合泵站供電的需求，以免輕載運(yùn)行造成功率損耗。就目前來看，常用的負(fù)荷計算方法主要包括需要系數(shù)法、單位指標(biāo)法、利用系數(shù)法等。其中，需要系數(shù)法，可以通過直接將泵站設(shè)備功率與需要系數(shù)、同時系數(shù)相乘，得出符合，這種算法比較簡單，因此，其應(yīng)用較為廣泛。單位指標(biāo)法，則是用單位面積所需的電能參數(shù)乘以總面積，得出相應(yīng)的負(fù)荷計算結(jié)果，這種方法主要用于設(shè)計期間，用電設(shè)備數(shù)量和功率均無法確定的情況下，且多用于工業(yè)和民用建筑的負(fù)荷計算，所以，在泵站的負(fù)荷計算中不運(yùn)用此方法。利用系數(shù)法則是一種根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計法，構(gòu)建出的一種符合計算方法，其適用性較強(qiáng)，但計算操作較為繁瑣。為此，綜合來看，需要系數(shù)法相對較為適用，因此，在案例工程中，運(yùn)用了需要系數(shù)法，作為泵站供配電負(fù)荷計算方法。

在節(jié)能設(shè)計中，為了保證負(fù)荷計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要先做好現(xiàn)場勘察工作，并認(rèn)真收集所需的各類數(shù)據(jù)，然后借助計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行計算，以減少人的因素對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。待得出計算結(jié)果后，還要對計算結(jié)果進(jìn)行審核檢驗(yàn)，確認(rèn)無問題后，才能運(yùn)用負(fù)荷計算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的節(jié)能設(shè)計，以保證節(jié)能設(shè)計的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

綜上所述，借助合理、有效的供配電節(jié)能設(shè)計措施，可以降低水利水電工程泵站運(yùn)行能耗成本。在水利水電工程運(yùn)行中，通過對泵站進(jìn)行供配電的節(jié)能設(shè)計，可以緩解諧波、線路等因素帶來的電能損耗問題，減輕泵站的能耗負(fù)擔(dān)，提高水利水電工程的電力資源利用效率，由此助力水利水電工程的可持續(xù)發(fā)展，讓該工程能夠創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。