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試析中小型泵站電氣設計的環(huán)保節能與經(jīng)濟性
【論文摘要】文章根據泵站電氣設計的相關(guān)規范規程，結合實(shí)踐經(jīng)驗，提出在中小型泵站電氣設計的各個(gè)環(huán)節中要考慮環(huán)保節能與經(jīng)濟性之間的平衡，對不同的方案進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較，分析節能降耗及降低成本所要考慮的因素，對電氣設計方案確定及設備的選擇進(jìn)行綜合分析。【論文關(guān)鍵詞】中小型泵站 環(huán)保節能 經(jīng)濟性 平衡
隨著(zhù)農業(yè)現代化水平的不斷提高，農業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越依靠水利設施的運用，對于洞庭湖區來(lái)說(shuō)，電力排灌泵站的作用尤其重要。
中小型泵站有以下特點(diǎn)：靠近排灌區，排灌靈活：工程簡(jiǎn)易，投資省、見(jiàn)效快；以低壓機組為主，單機容量不大；裝機臺數不一，少到1臺，多到十幾臺；建設資金主要以國投為主，地方自籌為輔。
由于地方自籌資金到位的程度無(wú)法保證，中小型泵站的建設資金往往捉襟見(jiàn)肘，同時(shí)。為提高泵站運行的經(jīng)濟社會(huì )效率。在泵站建設中必須考慮環(huán)保節能，而這往往與經(jīng)濟性相矛盾。因此，在設計中需要認真考慮平衡環(huán)保節能和經(jīng)濟適用．使設計在滿(mǎn)足經(jīng)濟性要求的同時(shí)盡量采用環(huán)保節能設備及措施。以下根據自己多年泵站設計的經(jīng)驗。談?wù)勗陔姎庠O計中的幾個(gè)方面平衡環(huán)保節能及降低成本所要考慮的因素。
1電壓等級的確定
隨著(zhù)農網(wǎng)改造的完成，現在農用電供電半徑一般都不大。供電電壓等級主要有有35kV、10kV及0．4kV。其中0．4kV供電因電流大，線(xiàn)路損耗和用銅量顯著(zhù)增大，而10kV電壓供電能顯著(zhù)降低損耗，又較35kV供電經(jīng)濟，宜優(yōu)先選用。一般來(lái)說(shuō)，為節約投資，當泵站附近有10kV或35kV線(xiàn)路經(jīng)過(guò)時(shí)。宜通過(guò)T接的方式由系統取得電源，當附近沒(méi)有線(xiàn)路或無(wú)法滿(mǎn)足要求確需架設專(zhuān)線(xiàn)時(shí)，才考慮從附近變電站架設10kV專(zhuān)用線(xiàn)路。
2主接線(xiàn)的確定
中小型泵站主接線(xiàn)主要根據泵站的負荷性質(zhì)及運行特點(diǎn)決定。因中小型泵站負荷性質(zhì)均為三級負荷且容量較小，高壓電源側一般采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟的線(xiàn)路——變壓器組接線(xiàn)：當采用兩臺以上變壓器運行時(shí)，也可采用單母線(xiàn)結線(xiàn)，選用的變壓器的變比、阻抗電壓和接線(xiàn)組別應相同并且容量相同或相近(其容量比不應超過(guò)3：1)，同時(shí)，為避免變壓器問(wèn)因環(huán)流帶來(lái)的損耗和負荷分配的不平衡對變壓器造成的影響，盡量不要將多臺變壓器并列運行。
電動(dòng)機電壓側可采用單母線(xiàn)或單母線(xiàn)分段形式。當裝機臺數較多，考慮到運行的靈活性，電動(dòng)機電壓母線(xiàn)可采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)分別接多臺電動(dòng)機和其它受電設備。
3主要設備的選擇
(1)配電變壓器的選擇。
在設計中選擇配電變壓器時(shí)．除要充分考慮其性能參數外，應根據用電負荷，合理選擇變壓器的容量，使變壓器經(jīng)濟運行．不僅能節電，同時(shí)也能提高功率因數。理論上當變壓器在運行中的空載損耗等于負載損耗時(shí)，效率最高，這在實(shí)際運行時(shí)很難做到．實(shí)踐中可主要考慮使變壓器運行在經(jīng)濟運行曲線(xiàn)或最佳經(jīng)濟運行曲線(xiàn)中，而這與變壓器的臺數、容量和性能參數密切相關(guān)。
國家已明文規定淘汰高能耗變壓器。推廣S9系列、SIO、S11系列節能變壓器。SIO、S11系列變壓器與S9系列相比較：損耗更低(尤其空載損耗)、噪聲更低；價(jià)格與S9系列相差不大；購置S10、S11系列變壓器一般只需運行25年，就能通過(guò)節能回報補償價(jià)差。因此，設計中應優(yōu)先選用S10系列或S11系列配電變壓器。
變壓器的容量選擇要恰當，既不能過(guò)大(增加一次性投資，加大損耗)，也不能過(guò)小(無(wú)法滿(mǎn)足用電要求，損耗也往往偏高)。一般來(lái)說(shuō)，適當選擇變壓器的容量，使變壓器的負荷率31=o．5～0．6左右時(shí)，有功功率損失最��；當變壓器的負荷率13=0．75～0．8左右時(shí)，功率因數最大；當變壓器的負載率13-o．45加．75時(shí)效率較高，各個(gè)方面比較經(jīng)濟；因此．設計中應盡量使變壓器的負荷率31-_o．45加．8左右。
合理的確定變壓器的臺數�？梢约骖欖`活性和經(jīng)濟性?xún)蓚�(gè)方面。當泵站裝機臺數較多(一般多于5臺)，負荷波動(dòng)大且間隔的時(shí)間長(cháng)�；虻蛪簽�0．4kV的主變壓器容量大于1250kVA時(shí)(GB50053-94規定，主變壓器單臺容量一般不宜大于1250kVA)，可考慮選擇多臺變壓器，以提高運行的靈活性，減少低壓配電線(xiàn)路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬消耗量；在泵站單機容量較大、負荷集中且運行合理時(shí)，亦可選用較大容量的單臺變壓器；在泵站裝機容量小。負荷波動(dòng)大的情況還可以通過(guò)選用調容變壓器來(lái)減少電能損耗。
如果資金有限，只能選擇1臺變壓器時(shí)，宜根據不同負荷運行時(shí)間的不同，按最大負荷并考慮在最長(cháng)運行時(shí)間下的負荷使變壓器處于經(jīng)濟運行狀態(tài)的原則選擇變壓器的容量，在增加的成本較高時(shí)．則只按最大負荷來(lái)確定變壓器的容量，通過(guò)在運行中合理的調度來(lái)實(shí)現變壓器最大化的經(jīng)濟運行。
實(shí)踐中常選擇兩臺變壓器，兩套設備同時(shí)運行，這時(shí)每臺變壓器容量宜按計算負荷的60％-70％來(lái)選擇，兩臺變壓器互為暗備用。假定泵站為8臺同型號機組，8臺機運行時(shí)間最長(cháng)，變壓器在正常運行時(shí)的負載率B分別如下：
13=(40／70)％～(40／60)％一57．1％～66．7％
31=(10o／140)％～(10o，120)％71．4％～83-3％
基本上滿(mǎn)足經(jīng)濟運行的要求．一次增加的投資也不大．而且．在一臺變壓器故障的情況下，在不考慮變壓器的過(guò)負荷能力的情況下就能擔負起對大部分負荷供電的任務(wù)。
(2)電機的選擇。
減少電機的電能損耗的主要途徑是提高電動(dòng)機的效率和功率因數。因此，設計中首先應選用Y系列高效率電動(dòng)機：其次，電機電壓等級一般根據單機容量及技術(shù)經(jīng)濟比較確定，當單機容量低于200kW時(shí)選擇低壓電機，高于300kW時(shí)選擇高壓電機，單機容量(200～300)kW時(shí)選擇低壓還是高壓電機則經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定；最后，合理選擇電動(dòng)機的容量。使其負荷接近額定負荷并留有適當裕量，這時(shí)電機接近最佳工況點(diǎn)。運行效率和功率因數最高。
選擇何種結構的電機也是設計中應重點(diǎn)比較的：鼠籠式電機結構簡(jiǎn)單、耐用、可靠、易維護、價(jià)格低，而繞線(xiàn)式電動(dòng)機結構復雜、維護較麻煩、價(jià)格高，但繞線(xiàn)式電機轉子繞組可通過(guò)接價(jià)格平實(shí)、易維護的頻敏變阻器改善起動(dòng)性能，使電機平滑起動(dòng)，起動(dòng)力矩也較大，因此，許多中小型泵站都采用繞線(xiàn)式電機來(lái)提高起動(dòng)性能。但繞線(xiàn)式電機價(jià)格較鼠籠式電機價(jià)格貴不少，而且采用頻敏變阻器起動(dòng)時(shí)功率因數低。隨著(zhù)軟啟動(dòng)技術(shù)的成熟，價(jià)格下降．泵站如果采用鼠籠式電機結合軟起動(dòng)的方式，反而可能降低造價(jià)，提高起動(dòng)性能，并可節約能耗。因此，在設計選用中低壓異步電機時(shí)宜優(yōu)先采用鼠籠式電機(直接或軟起動(dòng))；對于大容量的高壓電機，在水泵轉速低時(shí)宜優(yōu)先選用同步電機，以提高功率因數。
(3)導體和電纜的選擇。
導體和電纜截面的大小，直接影響投資及電能損耗的大�。航孛孢x得小一些，可節約有色金屬和減少投資，但電能損耗增大；反之，電能損耗雖能減少，但有色金屬耗用量和投資都隨之增大。因此導體、電纜的截面除了滿(mǎn)足規范要求外．應在投資、有色金屬消耗與電能損耗之間達到一個(gè)最優(yōu)選擇。
導體材料一般按負荷性質(zhì)、環(huán)境條件并綜合考慮損耗及經(jīng)濟型等因素選擇銅或鋁；在絕緣材料的選擇上，對于低壓電纜，由于相同截面的YJV系列電纜一般較VV系列電纜載流量大一個(gè)以上等級。在電流較大時(shí)選用YJV系列電纜可能比選用VV系列電纜更為經(jīng)濟，同時(shí)也更為環(huán)保。
(4)開(kāi)關(guān)設備的選擇。
開(kāi)關(guān)設備的節能潛力相對不大，因此泵站在設計選擇開(kāi)關(guān)設備時(shí)主要從經(jīng)濟可靠及環(huán)保角度上考慮。
高壓開(kāi)關(guān)設備可采用跌落式熔斷器、斷路器或組合電器。一般來(lái)說(shuō)，按以下原則選擇經(jīng)濟上較優(yōu)：對于容量在400kVA以?xún)鹊淖儔浩�，設計中選用跌落式熔斷器。容量在(400—800)kVA以?xún)鹊淖儔浩�。選用一般型負荷開(kāi)關(guān)——熔斷器組合電器，容量在(800～1250)kVA以?xún)鹊淖儔浩�。選用真空斷路器或頻繁型負荷開(kāi)關(guān)——熔斷器組合電器。容量大于1250kVA的變壓器則選用真空斷路器。
當戶(hù)外變壓器容量在800kVA及以上須設置重瓦斯跳閘保護或泵站有遠方操作控制要求，設計采用組合電器時(shí)應配置分勵脫扣器以實(shí)現負荷開(kāi)關(guān)的自動(dòng)快速分閘，同時(shí)可供過(guò)載等保護跳閘用。這樣重瓦斯及過(guò)載時(shí)將通過(guò)繼電保護的方式使負荷開(kāi)關(guān)跳閘而無(wú)須燒毀熔斷器，具有一定的技術(shù)經(jīng)濟意義。
泵站低壓斷路器宜按經(jīng)濟可靠原則根據保護對象的不同來(lái)選擇：對于電動(dòng)機宜選擇經(jīng)濟可靠的Dwl5系列電動(dòng)機保護型萬(wàn)能式斷路器：對于變壓器低壓配電干線(xiàn)的主保護，宜選擇分段能力高的配電保護型萬(wàn)能式斷路器，如ME、AE等；對于小容量的電動(dòng)機以及其他小負荷則可選用塑殼斷路器。由于泵站為一級配電，一般選擇更為經(jīng)濟的熱磁式就能滿(mǎn)足正常的運行要求，因此不建議選擇電子式。萬(wàn)能式斷路器安裝方式可選擇固定式或抽屜式，選用抽屜式因可以取消刀開(kāi)關(guān)，所以經(jīng)濟性并不差。
4配電形式的確定
高壓配電設備可選用戶(hù)外或戶(hù)內設備．在實(shí)踐中，主要根據變電站用地范圍及主、副廠(chǎng)房空間的限制，考慮經(jīng)濟性來(lái)確定。無(wú)論采用何種形式，都必須考慮使配電設備盡量接近負荷中心，以縮短配電線(xiàn)路，降低線(xiàn)路的電能損耗、電壓損耗和有色金屬的消耗量。
由于箱變具有成套性強、體積小、占地少、能深入負荷中心、提高供電質(zhì)量、減少線(xiàn)路損耗、縮短送電周期、選址靈活、對環(huán)境適應性強、安裝方便、運行安全可靠及投資少、見(jiàn)效快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較后中小型泵站高壓配電設備可以考慮采用成套戶(hù)外箱式變電站。
低壓配電設備一般采用戶(hù)內低壓開(kāi)關(guān)柜的形式。由于GGD系列低壓開(kāi)關(guān)柜具有柜體標準化；價(jià)格低廉；運行安全、可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，對于中、小泵站，一般設計中可選用經(jīng)濟可靠的GGD系列作為低壓開(kāi)關(guān)柜。
5起動(dòng)方式的確定
直接起動(dòng)起動(dòng)設備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快，但是危害很大：造成對電網(wǎng)沖擊，給設備的安全可靠運行帶來(lái)威脅，縮短其使用壽命；同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì )使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命，并造成巨大的起動(dòng)能量損耗．尤其當頻繁起停時(shí)更是如此。
相對于傳統減壓起動(dòng)方式，軟起動(dòng)器以體積小，轉矩可以調節、起動(dòng)平穩、沖擊小并具有軟停機功能等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多的應用。由于無(wú)沖擊電流，可自由地無(wú)級調整至最佳的起動(dòng)電流，因此非常適用各種泵類(lèi)負載。
三相晶閘管調壓軟啟動(dòng)器是新型電子軟起動(dòng)器，相對于磁控式和自動(dòng)液體電阻式軟起動(dòng)器有較優(yōu)越的性能．相對于變頻器有較低的價(jià)格，具有起動(dòng)電流小(且可根據需要設定起動(dòng)電流倍數)，電壓可連續平滑調節的優(yōu)點(diǎn)。當設計采用軟起動(dòng)時(shí)應優(yōu)先考慮選擇功能簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、操作方便、有多種運行狀態(tài)的晶閘管調壓軟起動(dòng)器采用斜坡電壓起動(dòng)．除能實(shí)現軟起動(dòng)外，在泵站變負載工況、電動(dòng)機處于輕載運行時(shí)，還具有輕載節能的效果(不帶旁路接觸器)，在接觸器旁路工作模式還可用一臺軟起動(dòng)器去起動(dòng)多臺電動(dòng)機，從而大大減少一次性投入。
同時(shí)，三相晶閘管調壓軟起動(dòng)器還具有許多保護功能：過(guò)載保護功能，缺相保護功能，過(guò)熱保護功能及其它功能，可以省去熱繼電器等設備；可讀取電機的運行參數，從而可減少傳感器及儀表，這也在很大程度上降低了成本。
綜上所述，對于鼠籠式異步電機，當機組容量較低，滿(mǎn)足直接起動(dòng)要求時(shí)，可采用全電壓直接起動(dòng)，當不滿(mǎn)足直接起動(dòng)要求時(shí)．優(yōu)先采用三相晶閘管調壓軟起動(dòng)器軟起動(dòng)：對于繞線(xiàn)式異步電機優(yōu)先選用轉子回路串頻敏變阻器方式啟動(dòng)；對于同步電機則一般采用直接起動(dòng)。
6無(wú)功補償及其它
提高功率因素對降低電能損耗、提高供電質(zhì)量具有重要意義。一般情況下應通過(guò)合理選擇設備，提高自然功率因素來(lái)實(shí)現，在不能滿(mǎn)足要求時(shí)或者代價(jià)太高時(shí)，必須通過(guò)進(jìn)行無(wú)功補償，提高負載和系統的功率因數，減少設備容量和功率損耗，穩定電壓，提高供電質(zhì)量。
另外，由于轉速與流量成正比，功率與流量的三次方成正比，當水泵流量減少時(shí)，功率按流量的三次方大幅下降，采用電機的軟起動(dòng)方式與調速方式相結合可以進(jìn)一步降低能耗：在泵站照明方式及設備選擇上，采用一般照明與加強照明相結合的方式，選用成熟平價(jià)的高光效、長(cháng)壽命、顯色性好的光源、燈具和鎮流器(采用緊湊型熒光燈或T5、T8熒光燈，寬大場(chǎng)所使用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈)，也可以在節能與經(jīng)濟性上達到平衡。
同時(shí)．合理選擇控制保護及其他設備，采用交流操作電源(帶UPS)，在滿(mǎn)足泵站性能要求的同時(shí)，可以節約成本，使得在選用環(huán)保節能產(chǎn)品上有更大的余地。
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