節(jié)約能源是我國的基本國策，國家制定了“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”，為落實此規(guī)劃目標，國家發(fā)改委最近啟動了十大重點節(jié)能工程，節(jié)能工程包括節(jié)約和替代石油、燃煤工業(yè)（窯爐）改造、區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用、電機系統(tǒng)節(jié)能、能量系統(tǒng)優(yōu)化、建筑節(jié)能、綠色照明、政府機構(gòu)節(jié)能及節(jié)能監(jiān)測和技術(shù)服務(wù)體系建設(shè)工程等。作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國家宏觀調(diào)控的重點，也是節(jié)能的重點行業(yè)，在“十一五”期間國家重點節(jié)能工程中和水泥行業(yè)有關(guān)的有：燃煤工業(yè)（窯爐）改造、余熱余壓利用、電機系統(tǒng)節(jié)能、能量系統(tǒng)優(yōu)化等項，通過實施專項規(guī)劃，水泥單位產(chǎn)量綜合能耗要求下降20%，生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在100kWh內(nèi)，如按我國水泥年產(chǎn)12億噸計算，達到節(jié)能指標，則每年可節(jié)約百萬噸煤，節(jié)電百億kWh，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護環(huán)境，同時也降低了企業(yè)成本。電能是各種能源中最為經(jīng)濟實用、清潔方便，且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源，電氣節(jié)能技術(shù)推廣將有助于減少一次能源的消耗和環(huán)境污染。水泥廠電氣節(jié)能就是要從電網(wǎng)開始，在供、配、用電的各環(huán)節(jié)上挖掘節(jié)電的潛力。其中線路和變壓器的節(jié)能，盡量降低供電系統(tǒng)的損耗；電機系統(tǒng)的節(jié)能，采用高效的傳動系統(tǒng)，提高電動機系統(tǒng)的效率；大力推廣“綠色照明工程”，使用高效節(jié)能電光源；低溫廢氣的余熱綜合利用，實現(xiàn)純低溫余熱發(fā)電和供熱工程；在運行過程中，還要對整個電網(wǎng)實施管理技術(shù)上的節(jié)能。
如：一條5000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，主要用電包括石灰石礦山，皮帶機運輸機械，一直到水泥散裝發(fā)運的主要生產(chǎn)流程，及空壓機、水泵站、水處理、機電維修等輔助流程。據(jù)常州某5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線統(tǒng)計：整條生產(chǎn)線總裝機38000kW，設(shè)計計算負荷約26000kW，如功率因數(shù)以0.92計算，容量則約28000kVA，為此水泥廠必須設(shè)置總降壓變電站，選用一臺容量為35000kVA主變壓器，如雙電源進線，則需兩臺16000kVA變壓器。由于每條水泥熟料生產(chǎn)線接入的電網(wǎng)和工藝狀況不同，上述數(shù)據(jù)和配置則是其中一例。另據(jù)綜合信息，一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線共有電機約700臺左右，雙向運轉(zhuǎn)電機約為15臺，閥門數(shù)量約為80個，其中電動控制閥門為70臺左右，還有其他用電設(shè)備約300臺組。由總降壓變電站接入的電能，必須經(jīng)由若干個開關(guān)站點和馬達控制中心組成的供配電系統(tǒng)才能輸送到各用電設(shè)備。本文將從水泥生產(chǎn)線供、配、用的各環(huán)節(jié)，簡述水泥廠電氣節(jié)能的可行性及相應(yīng)措施。
供配電系統(tǒng)的節(jié)能
一個大型水泥企業(yè)的供配電系統(tǒng)，是指從國家電網(wǎng)將高壓電引入總降壓變電站到各用電設(shè)備間的全部線路，包括變壓器、開關(guān)、控制和保護裝置等設(shè)備，要設(shè)法降低供配電的線路與變壓器的損耗是其節(jié)能的主要措施。
1.采用節(jié)能型的供配電設(shè)備
①合理選擇供配電電壓。在額定電壓允許情況下，提高引入的高壓電電壓等級，是降低線損率的有效措施，一般在35kV及以上供電電網(wǎng)中，每提高運行電壓1%，可降損1.2%，5000t/d干法水泥生產(chǎn)線應(yīng)直接用110kV或220kV引入總降壓變電站，它既可提高輸送容量，又可大大降低線損率。對于配電網(wǎng)，供電電壓等級越高，線損就越低，而線損是隨電壓平方成反比而下降，目前有些新建的水泥廠已將供電電壓升為10kV，將傳統(tǒng)的6kV提升了一級，一次性投資可能稍有增加，但運行成本將降低。
?、谶x用節(jié)能型變壓器，合理選擇變壓器的容量。水泥企業(yè)每個電力室設(shè)置變壓器若干臺，在傳遞功率過程中要產(chǎn)生損耗，分別為空載損耗和負載損耗，在確保變壓器安全和可靠運行的基礎(chǔ)上，要選用損耗低的變壓器。我國節(jié)能型變壓器在質(zhì)量方面已達到較高水平，目前新建的水泥廠大多選用了S9系列節(jié)能變壓器，其損耗值與S7系列相比，空載損耗可降低10%，負載損耗可降低10%，另外，新型低損耗產(chǎn)品S11型卷鐵心變壓器及非晶合金鐵心變壓器都已進入市場，但價格還偏高，今后將逐步推廣。
③采用節(jié)能型無功補償裝置，實現(xiàn)無功分散和就地補償。無功補償就是借助于無功補償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗。為改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，電力部門對水泥企業(yè)總降壓變電站功率因數(shù)有總體要求，目前大多數(shù)水泥廠的無功補償設(shè)備做到了分級補償和集中補償，但分散就地補償還不夠，如有些負荷波動較大的用電設(shè)備未裝就地補償裝置。
現(xiàn)在新型的節(jié)能型無功補償裝置已開始應(yīng)用，如SVC型無功補償裝置，它可根據(jù)實際需要自動投入等量或不等量電容，實現(xiàn)三相對稱或不對稱補償功能，另外它帶有RC吸收回路，能濾除高次諧波。
2.運行管理的電氣節(jié)能
對已投入運行的水泥企業(yè)，供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟運行是降低系統(tǒng)損耗和節(jié)能的有效途徑，通過合理的運行管理方式使電網(wǎng)的損耗降為最低。
①調(diào)整系統(tǒng)總體負荷平衡，配電系統(tǒng)負荷應(yīng)做到總體和分級的逐級平衡。變壓器的三相負荷不平衡時，特別是低壓網(wǎng)絡(luò)，有的相電流較小，有的相電流接近甚至超過額定電流，這是三相電流不平衡，在這種情況下，不僅影響變壓器的安全經(jīng)濟運行，而且造成有功功率的損失，必須定期進行三相負荷測定和調(diào)整，力求變壓器三相電流的平衡。在高壓系統(tǒng)中，如輥壓機系統(tǒng)負荷波動較大，易引起三相電流的不平衡，建議裝配無功動態(tài)補償裝置。
?、跍p少空載損耗，對暫不用供電回路，應(yīng)及時斷開電源線路，以減少線路上的空載運行損耗，一般可達3%~5%。
③實行經(jīng)濟調(diào)度，提高變壓器運行效率。變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%~15%，它的空載無功功率約為滿載時的1/3，為改善水泥廠的功率因數(shù)，應(yīng)使變壓器的負荷率最佳，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度。
?、軐崿F(xiàn)全集成能源管理，近年來電力行業(yè)各級調(diào)度都采用了電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，它就要求各級變電站具備相應(yīng)的系統(tǒng)與之配套，在各級調(diào)度站能監(jiān)控企業(yè)變電站的運行情況。在這大環(huán)境中，新建水泥廠采用電站綜合自動化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)除前臺裝有各種形式的綜合保護器外，還有后臺監(jiān)控系統(tǒng)，保護定值在后臺系統(tǒng)修改，可以方便對水泥廠各個配電站的定值進行修改，另對電機的保護功能大大加強，充分體現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度功能的優(yōu)越性。目前國外有些公司提出了全集成能源管理，如西門子公司推出了TIP的理念，實際操作是選用智能、節(jié)能、效率高、損耗低的變壓器、開關(guān)、控制和保護裝置等設(shè)備，通過各級通訊，傳遞運行信息，并有一優(yōu)化控制軟件，實現(xiàn)電能全集成管理，這也是我們今后努力的方向。
選用節(jié)能型用電設(shè)備水泥廠電動機的裝機容量占全廠總裝機容量90%以上，電動機系統(tǒng)的節(jié)能包括電動機本體、電動機傳動系統(tǒng)。例如風機、水泵類變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能，采用高效的傳動系統(tǒng)，如高效的減速機及適合于各種主設(shè)備的傳動系統(tǒng)，大型磨機的雙傳動系統(tǒng)等。水泥廠的照明也占有一定負荷，選用節(jié)能型用電設(shè)備對水泥企業(yè)整體節(jié)能，有舉足輕重的影響。
1.選用節(jié)能型高效電動機
目前我國水泥企業(yè)主要采用Y系列和Y2系列電動機，其平均效率分別是87.3%和86.3%，平均功率因數(shù)分別是0.84和0.846，基本符合國家標準GB18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》中能效限定值的要求。而有些外資水泥企業(yè)，采用ABB或SIEMENS技術(shù)引進的高效電動機，其效率能提高2%~3%，損耗可下降20%左右，雖然價格要高出約30%，但對于每年運行時間超過5000小時，負荷率大于70%的電動機，采用高效電動機比較合適。據(jù)了解某廠裝機20000kW電動機，如改用平均效率提高1%的節(jié)能型高效電動機，年平均運行時間按5000小時計算，節(jié)電可達100萬kWh。我國新研發(fā)的YX、Y2-E系列高效電動機與Y系列相比損耗可下降20%~30%，效率提高1%~3%，相信不久的將來我國水泥企業(yè)在工藝改革前提下，也會逐漸使用節(jié)能型高效電動機。
2.交流變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能
①大功率高壓變頻器。一條新型干法生產(chǎn)線風機的耗電量約占整個廠用電量30%，增壓水泵和循環(huán)水泵的裝機容量也不小。由于風機和水泵是屬于平方率負載，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計平均節(jié)能在20%左右。由于控制要求不高，只要選型正確，各類變頻器都可用于泵類和風機中；目前小功率通用型變頻器在國內(nèi)水泥廠已普遍應(yīng)用，大功率高壓泵類和風機負載也開始采用了大功率高壓變頻器，如5000t/d水泥生產(chǎn)線用功率為2500kW窯尾高溫風機采用高壓變頻器，高壓變頻器可供選用有幾種方案，選用原則是安全可靠，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾小，價格適中。根據(jù)一些信息反饋，采用由低壓半導體器件組成功率單元串聯(lián)的高壓變頻器是較理想的，如西門子下屬的羅賓康型高壓變頻器。
?、诮涣髡{(diào)速裝置應(yīng)用事項。a.交流變頻調(diào)速傳動裝置對電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國的諧波標準GB/T14549-93加諧波濾波器或電抗器，使其對電網(wǎng)干擾最小。b.為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小，控制電源電纜與電動機的連接電纜的走線，必須相互隔離。不要把它們放在一個電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號回路必須用屏敝對絞線，根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進線電抗器，使其受干擾影響最小。c.在低速運行時，須防止軸系統(tǒng)的震蕩，在高速運行時，須防止超速。
如：一條5000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，主要用電包括石灰石礦山，皮帶機運輸機械，一直到水泥散裝發(fā)運的主要生產(chǎn)流程，及空壓機、水泵站、水處理、機電維修等輔助流程。據(jù)常州某5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線統(tǒng)計：整條生產(chǎn)線總裝機38000kW，設(shè)計計算負荷約26000kW，如功率因數(shù)以0.92計算，容量則約28000kVA，為此水泥廠必須設(shè)置總降壓變電站，選用一臺容量為35000kVA主變壓器，如雙電源進線，則需兩臺16000kVA變壓器。由于每條水泥熟料生產(chǎn)線接入的電網(wǎng)和工藝狀況不同，上述數(shù)據(jù)和配置則是其中一例。另據(jù)綜合信息，一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線共有電機約700臺左右，雙向運轉(zhuǎn)電機約為15臺，閥門數(shù)量約為80個，其中電動控制閥門為70臺左右，還有其他用電設(shè)備約300臺組。由總降壓變電站接入的電能，必須經(jīng)由若干個開關(guān)站點和馬達控制中心組成的供配電系統(tǒng)才能輸送到各用電設(shè)備。本文將從水泥生產(chǎn)線供、配、用的各環(huán)節(jié)，簡述水泥廠電氣節(jié)能的可行性及相應(yīng)措施。
供配電系統(tǒng)的節(jié)能
一個大型水泥企業(yè)的供配電系統(tǒng)，是指從國家電網(wǎng)將高壓電引入總降壓變電站到各用電設(shè)備間的全部線路，包括變壓器、開關(guān)、控制和保護裝置等設(shè)備，要設(shè)法降低供配電的線路與變壓器的損耗是其節(jié)能的主要措施。
1.采用節(jié)能型的供配電設(shè)備
①合理選擇供配電電壓。在額定電壓允許情況下，提高引入的高壓電電壓等級，是降低線損率的有效措施，一般在35kV及以上供電電網(wǎng)中，每提高運行電壓1%，可降損1.2%，5000t/d干法水泥生產(chǎn)線應(yīng)直接用110kV或220kV引入總降壓變電站，它既可提高輸送容量，又可大大降低線損率。對于配電網(wǎng)，供電電壓等級越高，線損就越低，而線損是隨電壓平方成反比而下降，目前有些新建的水泥廠已將供電電壓升為10kV，將傳統(tǒng)的6kV提升了一級，一次性投資可能稍有增加，但運行成本將降低。
?、谶x用節(jié)能型變壓器，合理選擇變壓器的容量。水泥企業(yè)每個電力室設(shè)置變壓器若干臺，在傳遞功率過程中要產(chǎn)生損耗，分別為空載損耗和負載損耗，在確保變壓器安全和可靠運行的基礎(chǔ)上，要選用損耗低的變壓器。我國節(jié)能型變壓器在質(zhì)量方面已達到較高水平，目前新建的水泥廠大多選用了S9系列節(jié)能變壓器，其損耗值與S7系列相比，空載損耗可降低10%，負載損耗可降低10%，另外，新型低損耗產(chǎn)品S11型卷鐵心變壓器及非晶合金鐵心變壓器都已進入市場，但價格還偏高，今后將逐步推廣。
③采用節(jié)能型無功補償裝置，實現(xiàn)無功分散和就地補償。無功補償就是借助于無功補償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗。為改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，電力部門對水泥企業(yè)總降壓變電站功率因數(shù)有總體要求，目前大多數(shù)水泥廠的無功補償設(shè)備做到了分級補償和集中補償，但分散就地補償還不夠，如有些負荷波動較大的用電設(shè)備未裝就地補償裝置。
現(xiàn)在新型的節(jié)能型無功補償裝置已開始應(yīng)用，如SVC型無功補償裝置，它可根據(jù)實際需要自動投入等量或不等量電容，實現(xiàn)三相對稱或不對稱補償功能，另外它帶有RC吸收回路，能濾除高次諧波。
2.運行管理的電氣節(jié)能
對已投入運行的水泥企業(yè)，供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟運行是降低系統(tǒng)損耗和節(jié)能的有效途徑，通過合理的運行管理方式使電網(wǎng)的損耗降為最低。
①調(diào)整系統(tǒng)總體負荷平衡，配電系統(tǒng)負荷應(yīng)做到總體和分級的逐級平衡。變壓器的三相負荷不平衡時，特別是低壓網(wǎng)絡(luò)，有的相電流較小，有的相電流接近甚至超過額定電流，這是三相電流不平衡，在這種情況下，不僅影響變壓器的安全經(jīng)濟運行，而且造成有功功率的損失，必須定期進行三相負荷測定和調(diào)整，力求變壓器三相電流的平衡。在高壓系統(tǒng)中，如輥壓機系統(tǒng)負荷波動較大，易引起三相電流的不平衡，建議裝配無功動態(tài)補償裝置。
?、跍p少空載損耗，對暫不用供電回路，應(yīng)及時斷開電源線路，以減少線路上的空載運行損耗，一般可達3%~5%。
③實行經(jīng)濟調(diào)度，提高變壓器運行效率。變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%~15%，它的空載無功功率約為滿載時的1/3，為改善水泥廠的功率因數(shù)，應(yīng)使變壓器的負荷率最佳，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度。
?、軐崿F(xiàn)全集成能源管理，近年來電力行業(yè)各級調(diào)度都采用了電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，它就要求各級變電站具備相應(yīng)的系統(tǒng)與之配套，在各級調(diào)度站能監(jiān)控企業(yè)變電站的運行情況。在這大環(huán)境中，新建水泥廠采用電站綜合自動化系統(tǒng)，這種系統(tǒng)除前臺裝有各種形式的綜合保護器外，還有后臺監(jiān)控系統(tǒng)，保護定值在后臺系統(tǒng)修改，可以方便對水泥廠各個配電站的定值進行修改，另對電機的保護功能大大加強，充分體現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度功能的優(yōu)越性。目前國外有些公司提出了全集成能源管理，如西門子公司推出了TIP的理念，實際操作是選用智能、節(jié)能、效率高、損耗低的變壓器、開關(guān)、控制和保護裝置等設(shè)備，通過各級通訊，傳遞運行信息，并有一優(yōu)化控制軟件，實現(xiàn)電能全集成管理，這也是我們今后努力的方向。
選用節(jié)能型用電設(shè)備水泥廠電動機的裝機容量占全廠總裝機容量90%以上，電動機系統(tǒng)的節(jié)能包括電動機本體、電動機傳動系統(tǒng)。例如風機、水泵類變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能，采用高效的傳動系統(tǒng)，如高效的減速機及適合于各種主設(shè)備的傳動系統(tǒng)，大型磨機的雙傳動系統(tǒng)等。水泥廠的照明也占有一定負荷，選用節(jié)能型用電設(shè)備對水泥企業(yè)整體節(jié)能，有舉足輕重的影響。
1.選用節(jié)能型高效電動機
目前我國水泥企業(yè)主要采用Y系列和Y2系列電動機，其平均效率分別是87.3%和86.3%，平均功率因數(shù)分別是0.84和0.846，基本符合國家標準GB18613-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》中能效限定值的要求。而有些外資水泥企業(yè)，采用ABB或SIEMENS技術(shù)引進的高效電動機，其效率能提高2%~3%，損耗可下降20%左右，雖然價格要高出約30%，但對于每年運行時間超過5000小時，負荷率大于70%的電動機，采用高效電動機比較合適。據(jù)了解某廠裝機20000kW電動機，如改用平均效率提高1%的節(jié)能型高效電動機，年平均運行時間按5000小時計算，節(jié)電可達100萬kWh。我國新研發(fā)的YX、Y2-E系列高效電動機與Y系列相比損耗可下降20%~30%，效率提高1%~3%，相信不久的將來我國水泥企業(yè)在工藝改革前提下，也會逐漸使用節(jié)能型高效電動機。
2.交流變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能
①大功率高壓變頻器。一條新型干法生產(chǎn)線風機的耗電量約占整個廠用電量30%，增壓水泵和循環(huán)水泵的裝機容量也不小。由于風機和水泵是屬于平方率負載，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計平均節(jié)能在20%左右。由于控制要求不高，只要選型正確，各類變頻器都可用于泵類和風機中；目前小功率通用型變頻器在國內(nèi)水泥廠已普遍應(yīng)用，大功率高壓泵類和風機負載也開始采用了大功率高壓變頻器，如5000t/d水泥生產(chǎn)線用功率為2500kW窯尾高溫風機采用高壓變頻器，高壓變頻器可供選用有幾種方案，選用原則是安全可靠，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾小，價格適中。根據(jù)一些信息反饋，采用由低壓半導體器件組成功率單元串聯(lián)的高壓變頻器是較理想的，如西門子下屬的羅賓康型高壓變頻器。
?、诮涣髡{(diào)速裝置應(yīng)用事項。a.交流變頻調(diào)速傳動裝置對電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國的諧波標準GB/T14549-93加諧波濾波器或電抗器，使其對電網(wǎng)干擾最小。b.為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小，控制電源電纜與電動機的連接電纜的走線，必須相互隔離。不要把它們放在一個電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號回路必須用屏敝對絞線，根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進線電抗器，使其受干擾影響最小。c.在低速運行時，須防止軸系統(tǒng)的震蕩，在高速運行時，須防止超速。
