吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了降低棉紡織廠能耗費用，利用能源管理系統(tǒng)獲取的大數(shù)據(jù)，對棉紡織廠電價形成機制中的電度電費、基本電費、功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費的影響因素進行了分析。通過合理生產(chǎn)調(diào)度、改造設(shè)備和提升設(shè)備管理水平等技術(shù)管理措施，年節(jié)約電度電費43.6萬元，基本電費14萬元，功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費51.2萬元，合計節(jié)約電費108.8萬元。認為：充分發(fā)揮能源管理系統(tǒng)的作用，對于降低企業(yè)能耗成本有著積極作用。

關(guān)鍵詞：棉紡織廠；能源管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；能耗成本；基本電費；功率因數(shù)；有功功率

0 引言

棉紡織廠能耗成本大約占生產(chǎn)成本的15%左右，特別是在當(dāng)前碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)實施階段，能源管理工作對于紡織廠來說顯得尤為重要。我公司新廠區(qū)2014年建成投產(chǎn)，在生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)引入了一體化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)服務(wù)于生產(chǎn)工序的各個環(huán)節(jié)，在能源供應(yīng)、調(diào)度、能耗分析、成本核算、故障響應(yīng)等工作中發(fā)揮著重要作用。能源管理系統(tǒng)（以下簡稱EMS）的核心是成本控制，服務(wù)于生產(chǎn)、生活，涉及到企業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、生活的各個環(huán)節(jié)。整個系統(tǒng)分為縱向控制和橫向控制。在管理模式上盡量減少了縱向?qū)蛹?，通過現(xiàn)代信息化手段使能源管理扁平化，時效化［1］。

1 能源管理系統(tǒng)

EMS是幫助工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在擴大生產(chǎn)的同時，以合理計劃利用能源，降低單位產(chǎn)品的能源消耗，提高經(jīng)濟效益，降低CO2排放量為目的信息化管控系統(tǒng)。我國的能源管理工作從20世紀80年代中期開始，通過“能量平衡測試"“能源審計"，督促用能單位規(guī)范安裝計量儀表，推動高耗能落后設(shè)備的淘汰、主要設(shè)備的節(jié)能改造、用能系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造工作。如今一個全員參與、整體全面、常態(tài)化的節(jié)能管理工作越來越得到國家和企業(yè)的重視。

EMS作為棉紡織企業(yè)自動化和信息化管理的重要組成部分，不僅對能源的統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化電力峰谷使用、減少蒸汽用量、提高水重復(fù)使用率、降低噸紗能耗和百米布能耗有重要作用，而且對于能源事故預(yù)案的制定和執(zhí)行、事故原因的快速分析和及時判斷處理、能源供需的合理調(diào)整和平衡，以及在客觀信息基礎(chǔ)上的能源實績分析、能源計劃編制、能源質(zhì)量管理、能源系統(tǒng)的預(yù)測等都是十分有效的，其具有以下特點。

完善能源信息的采集、存儲、管理和能源的有效利用。EMS對能源數(shù)據(jù)進行分析、處理和加工，能源調(diào)度人員和專業(yè)能源管理人員能實時掌握系統(tǒng)狀態(tài)，經(jīng)過系統(tǒng)的合理調(diào)整，確保系統(tǒng)運行在*佳狀態(tài)。能源統(tǒng)計全面。EMS從企業(yè)全局角度審視能源的基本管理需求，滿足能源工藝系統(tǒng)分散特性和能源管理需要集中的客觀要求，以適應(yīng)企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展需要。圖1為我廠電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)圖。電力數(shù)據(jù)通過不同計量層級的智能儀表進行采集、傳輸。及時掌握各車間、部門的能源利用水平，是企業(yè)層面進行能源生產(chǎn)調(diào)度的基礎(chǔ)。相比人工采集，EMS采集的數(shù)據(jù)是同一時間斷面的數(shù)據(jù)，更全面、準(zhǔn)確。通過對不同層級能源數(shù)據(jù)的匯總、分析對比，對企業(yè)能源平衡、能源利用和能源損耗的情況了解得十分具體。

圖1 電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

（2）能源統(tǒng)計及時準(zhǔn)確。針對不同計量層級EMS采集數(shù)據(jù)頻率有著不同的設(shè)置，層級越低采集的周期越長，*長不超過1h，*短1min。根據(jù)不同層級以日報和月報形式提供能源數(shù)據(jù)報表，使得企業(yè)獲取的數(shù)據(jù)更加客觀、及時。

2 EMS在降低用能成本中的作用

我公司電費電價執(zhí)行的是“大工業(yè)電價"，即兩部制電價，兩部制電價電費包括基本電費、電度電費和功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費，以1個月為結(jié)算周期。月總電費Z=基本電費J+電度電費D+功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費T。

2.1 EMS在降低電度電費D中的作用

電度電費計價：大工業(yè)生產(chǎn)采用峰平谷階段電價計算，目前峰值單價P峰為0.7324元/（kW·h）；平值單價P平為0.4672元/（kW·h）；谷值單價P谷為0.2020元/（kW·h）。平均電度電費D=0.7342×Q峰+0.4672×Q平+0.2020×Q谷，Q峰、Q平、Q谷分別為峰值、平值和谷值用電量。要降低平均電度電費D，在總用電量不變的情況下，消峰填谷降低Q峰占比，提高Q平和Q谷是重要的途徑，掌握全廠24h負荷分布情況，合理生產(chǎn)調(diào)度調(diào)節(jié)［2］。

棉紡織企業(yè)采用連續(xù)生產(chǎn)模式正常情況下峰平谷電均占生產(chǎn)總用電量1/3。平均電度電價Pˉ=（P峰+P平+P谷）/3=0.4678［元/（kW·h）］。我們利用EMS系統(tǒng)電力功率分布曲線不斷優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，使峰平谷電量占比不斷優(yōu)化，當(dāng)前達到了峰電32.74%、平電33.34%、谷電33.92%，平均電度電價Pˉ為0.4645元/（kW·h）。電價下降約0.0033元/（kW·h），月均用電1100萬kW·h，則月可節(jié)約電費3.63萬元，年節(jié)約電費43.56萬元。

2.2 EMS在降低基本電費中的作用

基本電費是按照變壓器容量（kVA）計算或*大需量（kW）計算，我廠選擇*大需量計算。*大需量MD（kW）以有功電表連續(xù)15min穩(wěn)定的*大負荷記錄為準(zhǔn)，西安地區(qū)基本電價為31元/kW，基本電費J=31×MD。在整個電費中基本電費占比也較高，約占10%。降低基本電費對于降低用電成本非常重要。

利用EMS系統(tǒng)對*大需量發(fā)生時段前后功率曲線進行對比分析，根據(jù)計量電表顯示某月*大需量達到了16012kW，通過EMS調(diào)取了*大需量發(fā)生時的全天功率曲線圖，*大值為16313kW，發(fā)生時間在10：26。調(diào)查得知當(dāng)天10：00左右開啟了冷凍機組YKR2k45DGG，冷凍機組額定功率1196kW，運行功率在600kW左右，對比當(dāng)天（A天）和前一天（B天）的功率曲線，10：00—16：00為電力負荷較高的時間段，冷凍機組啟動時全廠達到了峰值負荷。假設(shè)以前一天（B天）同時段未開啟冷凍機組時功率平均值作為基準(zhǔn)來計算峰值負荷，功率曲線10：00—16：00的平均功率在15200kW左右。通過對EMS所提供的A天功率曲線數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)冷凍機組在啟動階段（1h）后負荷就逐漸降低了，10：00—11：00平均功率15900kW；11：00—16：00平均功率15600kW。大功率機組啟動對于月*大需量有著重要影響。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，A天負荷*小值為12844kW發(fā)生在7：00—9：00的7：28，此時段平均功率13600kW，平均值為14200kW。如果將大功率設(shè)備開啟時間調(diào)整到此時間段，月*大需量將降低300kW~400kW。綜合安排，我們對冷凍機組和空調(diào)風(fēng)機等大功率設(shè)備檢修調(diào)試開臺時間作出調(diào)整，盡量安排在7：00—9：00。通過實際效果檢驗，*大需量下降400kW~500kW，月節(jié)約基本電費約12400元，年節(jié)約14萬元。

2.3 EMS在提高功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費中的作用

我公司供電電壓為110kV，根據(jù)相關(guān)規(guī)定功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.85，根據(jù)實測有功電量和無功電量計算當(dāng)月功率因數(shù)，再按照“功率因數(shù)調(diào)整電費表"所規(guī)定的百分數(shù)增減電費。表1為“功率因數(shù)調(diào)整電費表"。為了提高功率因數(shù)，經(jīng)濟用電，我們采取了以下措施。

表1 功率因數(shù)調(diào)整電費表

適度投用變壓器附帶的移相電容器，補償用電設(shè)備所需的無功功率，以提高其功率因數(shù)。但是投用變壓器移相電容器存在以下問題。一是，補償設(shè)備本身也有功率消耗，補償設(shè)備投用是需要能源的，投用的越多本身耗能也越多。二是，棉紡織廠由于設(shè)備密集，大量采用電力電子設(shè)備如整流器、變頻器、開關(guān)電源等，可飽和設(shè)備如變壓器、電動機等，電光源設(shè)備如日光燈等，這些設(shè)備均是諧波源，運行時將產(chǎn)生大量的諧波。而并聯(lián)到線路上進行無功補償?shù)碾娙萜鲗χC波會有放大作用，使得系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴重。并且，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會造成溫度升高，減少電容器的使用壽命［3］。

為此，通過EMS對全公司20臺投運變壓器進行實時監(jiān)測，動態(tài)了解各變壓器的功率因數(shù)變化情況。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)5臺變壓器投用移相電容器后諧波嚴重，過高的諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過熱、振動、噪聲增大、繞組附加發(fā)熱。并且諧波污染經(jīng)常導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域的機臺通訊故障，嚴重時甚至造成服務(wù)器端口燒毀?；贓MS提供的可靠數(shù)據(jù)，我們在這5臺變壓器上加裝了變壓器智能節(jié)能裝備。智能節(jié)電保護裝備融入了電磁平衡技術(shù)，使三相輸出電壓、電流趨于平衡穩(wěn)定，采用控制技術(shù)智能調(diào)整變壓器輸出的過剩和畸變電壓，降低設(shè)備啟動電流，削減回路中高次諧波，降低浪涌電流和閃變電壓，提高了變壓器功率因數(shù)，提升電能利用效率［4］。基于此項技術(shù)，2020年節(jié)電約120萬kW·h。表2為加裝變壓器智能節(jié)能裝備后EMS采集的功率因數(shù)。杜絕變壓器空載運行。通過EMS建立全公司各機臺品種能耗監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)低效率機臺并進行整改，從而降低機臺空載和低載運行時間。

表2 加裝變壓器智能節(jié)能裝備后各變壓器功率因數(shù)統(tǒng)計表

通過實施以上技術(shù)措施，全公司功率因數(shù)達到了0.92~0.93，相應(yīng)的電費下降了0.80%~

0.95%，按我公司年電費約6400萬元計算，年節(jié)約電費約51.2萬元。

3 AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺

3.1 平臺概述

AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺集變電站綜合自動化、電力監(jiān)控、電能質(zhì)量分析及治理、電氣安全、能耗分析、照明控制、設(shè)備運維于一體，為建立可靠、安全、高效的工廠能源管理體系提供數(shù)據(jù)支持。同時引入技術(shù)，配合廠務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化，簡化全廠管理，并利用實時數(shù)據(jù)，優(yōu)化能效并預(yù)防風(fēng)險，保障關(guān)鍵制造設(shè)備的穩(wěn)定運行和良品率，降低綜合成本，*終達到高效運營和制造的目的。

3.2 平臺組成

安科瑞AcrelEMS-SEMI電子廠房管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所綜合自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測系統(tǒng)、新能源充電樁、預(yù)付費系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對電子廠房的用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足廠房用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

4 平臺拓撲圖

5 平臺子系統(tǒng)

5.1 電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

5.2 電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

監(jiān)測各進線回路電能質(zhì)量，包括電壓暫降、諧波畸變、閃變等數(shù)據(jù)波形記錄，進而判斷配電系統(tǒng)擾動方向。

配置有源濾波裝置和無功補償裝置對0.4kV側(cè)電能質(zhì)量進行補償和治理，并監(jiān)測有源濾波裝置和無功補償裝置運行情況，確保電能質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。

5.3 變電站綜合自動化

變電站綜合自動化系統(tǒng)主要針對110kV變電站、10kV變電所和10kV柴油發(fā)電機部分，在變電站設(shè)置Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)子站，實現(xiàn)本地遙測、遙信、遙控、報警、報表等功能，并把數(shù)據(jù)上傳至AcrelEMS-SEMI能效管理平臺，實現(xiàn)集中監(jiān)測和報警。

5.4 電氣安全

AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

5.5 智能照明控制

單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式。

5.6 能耗分析

AcrelEMS電子廠房能效管理系統(tǒng)為工廠搭建計量體系，顯示能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助企業(yè)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、車間、生產(chǎn)工藝、工序、工段時間、設(shè)備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對工廠用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標(biāo)對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

5.7 充電樁管理

電動汽車和電瓶車充電樁管理，包括收費管理、資產(chǎn)管理。

5.8 職工公寓管理

對廠區(qū)內(nèi)職工宿舍進行負載管理，包括惡性負載識別管理、負載閾值管理，避免因為惡性負載引起火災(zāi)。對員工宿舍進行水電收費管理，支持微信、支付寶等繳費方式，采集職工宿舍能耗數(shù)據(jù)。

6 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

6.2 能耗管理系統(tǒng)硬件配置方案

6.3 智能照明控制系統(tǒng)硬件配置方案

6.4 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案

6.5 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案

6.6 防火門監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置方案

6.7 消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)硬件配置方案

6.8 電能質(zhì)量治理解決方案硬件配置方案

6.9 充電樁系統(tǒng)硬件配置方案

6.10 預(yù)付費系統(tǒng)硬件配置方案

7 結(jié)語

我公司充分發(fā)揮EMS功能和作用，通過合理調(diào)整峰谷平時段用電量，減少基本電費，提高用電功率因數(shù)，年節(jié)約用電費用約109萬元，取得了較好的經(jīng)濟效益。EMS在能源管理中可以發(fā)現(xiàn)問題，提供的數(shù)據(jù)或數(shù)值曲線對于棉紡織廠針對性地采取節(jié)能措施、降低能耗費用有著積極的作用。采用EMS后通過能源計劃、能源監(jiān)控、能源統(tǒng)計和能源消費分析，采取重點能耗設(shè)備管理、能源計量設(shè)備管理等多種手段，使企業(yè)管理者能夠準(zhǔn)確掌握企業(yè)能源成本比重和發(fā)展趨勢，將企業(yè)能源消耗計劃任務(wù)量化，并分解到各個生產(chǎn)部門，使節(jié)能工作責(zé)任明確，促進了企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

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［2］趙小崗.能源監(jiān)測系統(tǒng)在棉紡廠錯峰用電方面應(yīng)用研究［J］.棉紡織技術(shù)，2021，49（3）：16-19.

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［4］成都再光節(jié)能科技研究院.智能節(jié)電保護裝備使用手冊［Z］.成都：成都再光節(jié)能科技研究院，2019：5-9.

［5］趙小崗.王欽 利用能源管理系統(tǒng)降低紡織廠能耗成本的實踐.

［6］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者簡介：

吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司