水利工程电气节能技术分析

张高略

（广东源利工程监理有限公司，广东 阳江 529500）

0 引言

水利工程建设对社会的发展具有重要影响，但在运作过程中也会产生大量能耗问题，相关数据显示，当前我国每年在水利工程方面所消耗的电能高达4000亿kW·h。因此，为保证降低工程能耗，实现高质量、高效率输出，务必寻找可行性高的技术和应用方案，针对水利工程电气节能技术的研究十分有必要。

1 水利工程电气节能技术应用目的及原则

1.1 电气节能技术应用目的

将电气节能技术应用于水利工程中的主要目的在于降低工程运行中的能源损耗，同时，规避环境破坏等问题，保证各个部分设备在完成基础性工作效率的同时兼顾功率的合理性。从实际应用角度来看，工程对于电能需求极高，尤其异步电动机有功损耗，节能技术结合电机额定功率值进行对异步电动机的控制，保证功率在75%~100%之间，同时负荷率设置在0.8~0.9，保证在负荷率的基准上是机器保持在最佳状态。此外，水利工程规模较大，在建设阶段需消耗大量人力物力资源，资金需求量大，而电气节能技术的应用能够有效控制成本，其材料具有节能性、多元化功能以及质量达标率高等优势，延长设备生命周期，帮助相关机构获取更多利润。

1.2 电气节能技术应用原则

在设计期间优先明确方案是否能满足基础功能，例如针对电动机功率筛选不仅要具备节能效果还要注重符合工程运作目标。开展节能设计期间还应秉持创新性原则，切忌盲目追求节能，需结合不同工序的具体损耗情况，同时融入绿色可持续理念，将能耗降到最低的同时关注环境效益。此外，还需满足经济性需求，设计低成本、高回报的节能方案。

2 资料背景

某市防洪工程管理单位辖区拥有水闸21 座、35孔；大型泵站5 座，机泵20 台，装机容量为13110kW；小型泵站8 座机泵28 台，装机容量3220kW。在建设过程中借助3DMAX 技术进行大坝内外部建模，结合图纸和地理信息系统平台经过编辑后呈现虚拟的水利枢纽图片，重点展示吸水泄洪、发电以及枢纽上下游水面高度浮动情况，形成互动式的浏览材料。其中重点部分在于电气节能技术的应用，包括机组展示、线路设计、蓄清排浑装置、结构内部的照明系统以及供配电启动方式等，最大限度发挥工程节能效果。

3 电气节能技术在水利工程中的具体应用

3.1 照明系统节能技术

在水利工程照明系统节能设计中，主体设计思想需要以满足运作需求为主，在此基础上关注经济性、智能性等，具体概括为以下内容。

（1）控制灯具高度扩大照明范围和亮度，根据现场需求进行灯具高度调整，降低照明损耗问题，保证眩光（UGR）、色温（UO）、显色度（Ra）均符合标准。在设计智能照明系统时，需要及时进行传感器数据的汇总与实时修正，具体计算公式为：照明日节能效益=额定日耗电基数－实际日耗电基数，利用数据模拟计算能耗值，再制定科学启停控制方案。系统还需具备记录学习功能，时刻记录照度情况进行调节，利用AI 智能装置选择合适的节能方案。系统控制权限优先级为手动＞控制模型＞AI 控制。

（2）确保运行安全性的基础上对不同区域配置不同亮度的灯具，例如设备较多的区域需要保证灯光亮度充足，走廊等区域维持正常亮度满足行走条件即可。针对水利工程中不同区域的照明用电标准可参考：办公室LPS 为11.1W/m2；自动化工作室为10W/m2；生厂工厂为 14W/m2；仓库为 9.1W/m2；停车场为 3W/m2。

（3）安装阶段应用电流镇流器了解照明系统的工作状态，保证其功率因数稳定，满足基本照明需求。

（4）充分利用地形、位置等优势进行方案规划，如水利工程中设备存储仓库朝向、地质因数等，充分发挥自然光的照明价值，维持功率因数。

在进行系统处理是可以利用变频调节灯光强度实现节能处理，如表1 所示，其中整理部分常规性变频调节结果对比，其中N1和N2表示灯具亮度，相应的P1、P2为有功功率，根据其结果和实际需求进行合理搭配，从而提升系统节能性[1]。可应用PLC 技术对电气控制装置进行编程，根据现场特定情况进行灯光亮度控制，配合现场手工调节提升运作稳定性。在灯具选择方面尽可能应用节能型LED 灯和高压钠灯，提供足够光源的同时实现绿色节能。表1 为变频节能性比较。

表1 变频节能性比较

3.2 电动机节能处理技术

电动机作为支撑和水利工程运作的重要主体，在运作过程中消耗的能量最大，其中，尤其大型泵站中针对电动机节能处理，应重点关注电动机性能和损耗情况，同时融入经济性和功能性原则的思考，做好设备间的经济比较。一般情况下，针对部分运行功率超过800kW 的设备需搭配与之相匹配的电网，供同步电机设备和异步电机设备运作，针对运行功率在1600kW 以上的电动机设备，在选择配套电网时需以异步电机设备为主要参考，如绕线型设备或鼠笼型设备等，有效提升泵站运行的节能性。

3.3 通风空调节能技术

暖通空调在水利工程项目中十分常见，且造成的损耗相对较大，因此节能技术在水利工程中的落实务必加强对通风空调系统的优化。具体可以根据工程内部建设情况，划分为地下厂房空调系统、独立通风系统、厂房去湿气系统。由于水利工程电力系统具有规模大、层级多、内部结构复杂的特点，使得其通风系统并不能完全依靠自然风，尤其针对一些发电机层及其夹层、母线洞以及水轮机组的位置。在设计过程中需要融入节能理念，如副厂房左侧设置直接进行外部通风的口，这一通风口还可作为消防通道，并分割为两部分，一侧为蓄电池室通风，另一侧为出入通道，并建立起风楼设置气流分隔板，合理区分进、排风避免交叉。还可在顶部设置包揽全长的送风管道。

地下厂房独立通风系统的节能设计可以在发电机组和水轮机组下游墙壁上安装轴流风机，利用风管进行空气排出，经过排风管的空气会经过母线洞排出厂外。为进一步满足节能设计，可以在主厂房顶部设置排烟管道，布置轴流式排风机，配合烟雾传感器实现自动排风，同时还需设计相应的防烟系统、通风井等。

去湿气系统需要在水轮机组安装除湿设备，主要应用于初期暖风空调尚未使用阶段，导致现场环境十分潮湿，对一些高精度设备、仪器带来一定伤害。因此需要应用移动式除湿设备，连接电源线了和电源箱，用软管收集凝结水并排出。

3.4 调节电气功率因数

电气系统是保证水利工程运作的保障部分，需要结合实际情况调整系统功率，降低损耗情况实现节能处理。具体可以参考以下几种方式。

例如，可利用电气自身功能实现无功补偿，从而提升供电器系统运行速度，改变原本电容器功率性质转有功为无功，消除一些不良作用力，从而降低运行损耗。利用补偿柜上的自动补偿控制装置，当电机开始运作时，若存在功率因数不达标，则可通过该装置进行自动投入，提升电网功率因数，避免由于线路问题而造成的变压器损坏。设计时可以采用电机分散就地补偿法改善启动条件，释放系统容量，也可采用母线集中补偿法设置补偿柜，对整个区域进行功率补偿，提升节能效果。通过低转速异步电动机所获取的能量相对有限，因此在施工建设过程中可以向相关供电部门提出补偿，一般来说补偿电动机为90%左右，为保证在补偿过程中电流的稳定性，需要采取一定防爆、防触电连接措施降低电流冲击影响。

在水利工程电气系统中，无功功率的形成因素主要包括相位角与高次谐波，高次谐波由电子设备非线性负载而产生，导致电力系统无功损耗被增加[2]。针对这一问题所应用的节能技术主要针对可能产生谐波的泵站，详细调查其启动装置，针对采用变频器的泵站节能处理技术需安装滤波装置、谐波监测装置，确保有效控制无功损耗，保证输出内容的合理性。

3.5 供电系统节能处理

在进行供电系统节能技术应用时，主要明确负荷等级和供电电压选择两部分入手。对不同设备的符合情况进行计算，明确后计算最佳负载系数，再根据结果进行系统容量设计，保证合理性。一般情况下负载率数值需要控制在0.75~0.90 之间，并为其搭配相应变压器设备，保证能耗和高功率区间的标准性，变压器始终保持在平衡状态，针对不平衡负载可以自动启动备用设备，避免故障造成的电气系统损坏。在负载计算方面的节能设计需要根据其额定功率“PN”对设备容量进行计算，此过程切忌盲目累加，需要结合设备工作时间等进行换算，计算设备容量“Pe”，长期工作制好短期工作制的设备容量为“PN=Pe”。针对用电设备组的负荷计算取用供电系统中半小时最大负荷Pca，在水利工程中用电设备组内的电气并不是同一时间运作的，且不会存在全员满负荷状态，加之电气设备自身的功率损耗情况，因此进行节能设计时可计算有功负荷，公式如下。

式中：KΣ——设备组最大负荷时设备容量与全设备容量比；KL——设备负荷系数；η——设备组平均效率；η1——配电线路平均效率。

针对供电电压选择方面落实节能技术，根据以往经验可以发现，水利工程中泵站设备运行电压数值越高，其存在的损耗量越小。在进行节能处理时可根据电机系统功率情况进行配套处理，若功率在200kW 以内，电压则选择380V；若配套电机系统在280kW 以上，供电电压选择10kV。在设计时可以将变电所设置在符合中心，降低供电距离缩短输送电线路，降低损耗的同时节约成本，与电气节能技术应用原则相一致[3]。为保证供电系统达到理想化节能，可以在变配电系统中应用智能化监控技术，借助监控掌握电气系统的实时数据，并利用大数据、云计算等进行汇总分析，根据结果明确运行状态，做到科学调控降低能耗。此外，还需置换水利工程中所应用的老旧变压器，根据当前市场情况来看，变压器普遍具备高效率作用，但部分变压器基站仍以老式为主，需要及时替换更新，提升节能效果。

3.6 基础参数控制

针对导向长度、电阻率以及导向材质等方面需要根据需求选择更具有节能性特征的物品，科学控制基础参数，具体注意以下3 点。

（1）在水利工程电气系统中针对线缆的选择尽可能使用铜芯线缆，具有电阻率小、节能效果更高的特点，用于能耗较高的泵站中。

（2）线缆长度参数预留一定长度即可，尽可能剪短长度，一方面由于水利工程电气系统的复杂性和设备多样性，会存在电缆线缠绕的情况，剪短后能够保证现场环境的整洁度，降低缠绕损坏风险；另一方面能够减少线路损耗问题。在实际落实时需按照线路顺序完成对变配电装置室的设计，区分高压装置和低压装置。为保证合理性需要确保主机柜与主电机、高压装置与终端杆位置靠近，确保电缆线路最短，控制线路损耗[4]。

（3）合理选择电缆和导线的截面，既要符合过载流量和电压损失等，又要融入经济性思考，在选择电缆线时结合不同设备电流密度选择合适的截面面积，降低电能损耗，同时对于有色金属资源方面能够起到节约作用，降低生产、施工成本，需综合考量工程实际、能源、使用周期、使用寿命等多种影响因素[5]。

4 结语

新时期我国水利工程设计和建设越来越关注节能方面的思考，在电气系统节能技术应用方面仍具有很高的上升空间。设计人员务必不断学习新技术，结合水利工程电气装置运行的实际情况展开分析，优先了解不同电气设备运作规律和负载情况，并从节能性、可行性以及稳定性方面展开深度思考，分析如何降低设备能耗情况，重点关注照明系统、电动机、通风空调系统、电气功率、供电系统以及基础参数控制等多方面内容，促进经济效益综合提升。