发光二极管灯在电厂环保改造中应用的经济性分析

强晓峰

上海电气自动化设计研究所有限公司 上海 200023

1 课题背景

笔者在发电厂改造设计中发现，原有的机组及控制室等处大规模使用金属卤化物灯、荧光灯等传统光源，在长时间运行过程中产生了过多的能耗。

根据光的产生原理，电光源主要分为两大类。一类是以热辐射作为光辐射原理的电光源，包括白炽灯和卤钨灯，它们都是以钨丝为辐射体，通电后达到白炽温度，产生热辐射。这种光源称为热辐射光源，目前仍是重要的照明光源，应用数量大，但存在发光效率低、发热温度高、寿命短、能耗大等缺点。另一类是各种气体放电光源，它们主要以原子辐射形式产生光辐射。而根据这些光源中气体的压力，又可分为低压气体放电光源和高压气体放电光源，其缺点是光色稍差，重新启动慢，紫外线含量高，填充物含毒性。

随着发光二极管（LED）照明灯具的不断兴起，火力发电厂照明中应用LED灯具越来越广泛。LED灯具在电厂中的大量应用，提高了生产人员的工作效率，改善了工作环境［1］，同时降低了电厂用电率，减少了维护的工作量和成本，并提高了经济效益。可见，选择采用高效率的照明灯具是电厂照明设计中重要的节能措施［2］。

2 LED光源技术优势

LED光源利用固体半导体芯片作为发光材料［3］，目前广泛应用于各种照明场合。LED光源的技术优势有以下几个方面。

（1）发光效率高。LED灯经过几十年的技术发展，发光效率有了较大提高。白炽灯光效为12～24 l m／W，荧光灯光效为50～70 l m／W，钠灯光效为90～140 l m／W，它们大部分的耗电转换为热量损耗。而LED灯光效经改良后将达到50～200 l m／W，而且光的单色性好，光谱窄，无需过滤便可直接发出有色可见光。

（2）耗电量小。LED灯单管功率为0.03～0.06 W，采用直流驱动，单管驱动电压为1.5～3.5 V，电流为15～18 mA，反应速度快，可进行高频操作。

（3）使用寿命长，可靠性高。LED灯的使用寿命是普通灯管的十倍、白炽灯的百倍。LED灯体积小，质量轻，维护成本低，对环境友好，可控光强，能适应频繁的开关操作。

3 电厂环保改造经济性对比

在工程实际应用中，如何合理选择光源，应根据工程的具体性质、使用场所、人员视觉要求、照明数量和质量来确定。在满足显色性、启动时间等要求的条件下，常从发光效率高、显色性好、使用寿命长、启动可靠、方便快捷、性能价格比高等方面选择高效光源［4］。

3.1 改造环境

电厂环保改造中的照明设计包含室内和户外照明。室内一般为配电间和仓库等，楼层不是很高。户外为电厂新增环保装置的平台照明。环保装置附近的环境比较恶劣，为多尘、高温、蒸汽、振动和含腐蚀性气体环境。采用灯具要求为透光性强、防护等级高的尘密型灯具。

3.2 场所对比

环保系统中，照明主要是配套户外设备平台使用，多为钢平台的立杆灯照明。系统可通过用户自定义用电范围和时段、对比对象来进行负荷统计分析，并提供各类统计分析报表及图表。

3.3 灯具种类对比

早期建设发电设备厂房，多采用高压钠灯、金属卤化物灯等传统光源。环保改造时设计LED灯。可通过用户自定义用电范围和时段、对比对象来进行电量统计分析，并提供统计报表等。

3.4 成本分析

通过对改造区域灯具数量变化，以及单价和用电量成本进行计算，可以实现精确的成本分析和分配，从而确定实际的生产成本和分配。

4 应用分析

某电厂环保改造项目中，机组平台间隔高度为3 m，原有设计中采用了2.5 m金属卤化物灯，现计划采用LED灯。应用DIALux软件布置模拟照度进行对比。

4.1 灯具参数

尽量选择功率相近的不同光源灯具进行对比。由表1可以看出，光效等级从高到低排序为LED灯、金属卤化物灯、高压钠灯。另外，对显色性从高到低排序，同样为LED灯、金属卤化物灯、高压钠灯。

表1 灯具参数对比

根据我国道路标准，重要人行通道的平均照度维持值Eav为20 l x，电厂平台技术协议中要求Eav为30 lx。以广东阳西某电厂环保改造为例，两边新增环保平台，选取一层长25 m、宽7.6 m的钢结构户外平台分别模拟金属卤化物灯和LED灯的照明效果，进行分析。

4.2 光照强度

选择金属卤化物灯和LED灯极坐标配光曲线三个截面，分别如图1、图2所示。

图1 金属卤化物灯配光曲线

不同型号的灯具对应各自唯一的配光曲线，所选取的灯具为能适合工作平台的泛光立杆灯。对照图1、图2可见，0～180°所示红色曲线表面两种灯具照射范围及光强近似，其它角度分析表明金属卤化物灯局部照射点略强于LED灯，而LED照射范围略大。对于用作走道的平台照明而言，两种灯具皆能满足要求。

图2 LED灯配光曲线

4.3 等光强曲线和模拟照度

光源尺寸与光源到计算点之间的距离相比，小得多，因此可将光源视为点光源。点光源的照度Eh为：

式中：Iθ为照射方向的光强，cd；R为点光源至被照面计算点的距离，m；θ为被照面法线与入射光线的夹角。

在一定安装条件下，实际效能EV为：

式中：PL为灯具功率，W；N为灯具数量；S为工作面积，m2；I为工作面平均照度，lx。

考虑到计算出的值比较小，不方便引用和表达，因此可在等式两边同时乘以100，将数值放大，以便更直观地使用、表达并对比。实际效能既可以在灯具安装后经现场测试计算得出，也可以通过DiaLux专业照明设计软件模拟得出。金属卤化物灯与LED灯的等光强曲线分别如图3、图4所示，两者的模拟照度分别见表2、表3。

图3 金属卤化物灯等光强曲线

图4 LED灯等光强曲线

表2 金属卤化物灯模拟照度 lx

表3 LED灯模拟照度 lx

4.4 应用效果

由图3、图4、表2、表3可以看出，在相同大小与安装高度的情况下，LED灯等光强曲线范围略大于金属卤化物灯，这样在满足平均照度规范要求的前提下，原有三盏金属卤化物灯的照度值使用两盏LED灯就能满足。

在相同前提下，近200 m2的平台就能节省一盏灯具。单套LED灯较金属卤化物灯功率降低10 W，按每天开灯12 h、全年365 d计算，可减小电量43.8 k Wh。发电功率1 000 MW的改造项目，约需要1 800 m2的户外平台，采用LED灯具较金属卤化物灯数量能减少十盏，单套机组一年就能节省438 k Wh电量。

据有关统计，每节约1 k Wh电量，就相应节约0.4 kg标准煤，同时减少排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物［6］。这样，每年仅单套环保改造机组新建平台就能节省约500 k Wh电量，相当于节约200 kg标准煤，同时减少排放136 kg碳粉尘、499 kg二氧化碳、15 kg二氧化硫、7.5 kg氮氧化物，可见环保效果非常显著。

5 社会效益分析

电价时段分为高峰时段、普通时段、低谷时段，在高峰时段，大量耗电将产生高额的电费。通过合理设计和利用新技术，在电厂等照明控制简单的场合，能起到节能作用［7］。采用简单的时空光控器，就能避免过去无人操作长明灯的情况，实现对照明设备进行智能化控制，延长灯具使用寿命，并将照明设备的使用放在普通时段甚至是低谷时段。合理计划电能使用，优化用电配置，积少成多，可以节省相当部分的能耗［8］，所产生的社会效益显而易见。

6 结束语

在电能消耗中，照明用电量占发电总量的比例，发达国家为19%，我国为12%［9］。随着经济的进一步发展，照明用电量所占的比例必将进一步增大。各行业企业的利润与能源的合理使用有很大关联，电费可直接影响企业的最终利润［10］。如果期望具有较大的能源投资回报率，就应对企业的各类能源消耗进行优化，并进行积极管理。在保证生产任务开展的同时，在新增设备和厂房设计应用中，可以使用新兴低能耗设备，并在每年维护保养期间对其成本进行计算，同时对使用期限进行可行性分析。通过对照度要求进行分析，并执行优化控制，可以对照明设备进行合理优化，细化控制成本，提高厂区管理水平，进而加强整体能源优化调度与管理。