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绿色工厂电气节能信息化管理
  在我国构建双循环新发展格局,碳达峰碳中和的双碳目标导向下,到2025年,要求规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5%。能尽其用、效率至上成为绿色低碳的“第一能源”和降耗减碳的首要举措。纺织行业作为国家提出节能提效、改造升级的重点行业之一,进一步优化能源结构、提升用能效率、推动绿色低碳循环发展、促进全面绿色转型,是行业发展方向,势在必行。纺织企业用电作为企业用能的主要部分,安装功率大、运行时间长、负荷率高,在企业总能耗中占比大。变配电及用电设备的能效水平、电力供应过程中能效提升、电力节能新技术利用、能源计量和信息化管理等是降低企业电力损耗、节约用电的关键。本研究针对纺织企业实现节能减排、创建绿色工厂、智能化转型升级的目标,基于现阶段纺织车间供配电系统和信息化水平现状,对供配电设计节能和管理信息化等方面需要进行的主要工作内容和达到的基本要求进行研究,为企业节能减排、提高管理效率、实现绿色制造和智能化转型升级提供帮助。
  1 供配电系统能效提升 

  1.1 变配电设备

  纺织车间电气设备数量多、安装功率大,需长时间不间断运行,在企业总能耗中占有的比例最大,车间根据负荷的分布情况需设置多个变配电所。合理选择变压器容量、变压器负载率,使各台变压器能较好地适应负荷变化,工作于最佳状态十分重要。根据当地电力供应和受电设备电压,进线电压宜采用10 kV,低压配电采用220 V/380 V;有条件时也可采用35 kV/0.4 kV直变方式供配电。为节约变压器空载损耗、降低空载电流和噪声,变压器负载率宜为60%~80%,有月基本电费的地区可略高,但仍不宜高于85%。变配电所应深入负荷中心,缩短低压配电线路。纺纱车间大部分负荷集中在细纱车间,车间变电所宜设置在附房靠近细纱机机头动力箱位置附近,可显著减小主要用电负荷供电距离,既减少了电缆投资,也减少了线路损耗和线路电压降。织造车间的主要负荷为织机和空压站,变配电所则应靠近上述位置。规模较大的车间应分别设置多个变电所,并分散设置在各车间负荷中心附近。制冷站、空调等季节性负荷、工艺负荷卸载时,为其单独设置的变压器应具有退出运行的措施。

  为降低变压器的空载损耗和负载损耗,GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》对变压器空载损耗和负载损耗限值提出了更高的要求,创建绿色纺织工厂,则要求10 kV和35 kV配电变压器空载损耗和负载损耗限值,均应达到该标准中2级及以上能效等级。以纺织车间常用的SCB?1600/10?NX2干式变压器为例,要求其空载损耗和最大负载损耗分别不大于0.645 kW和1.132 kW。车间变电所变压器的接线组别宜选用D,Yn11。

  1.2 无功补偿

  提高功率因数可减少线路损耗、减少变压器的铜损、减少线路及变压器的电压损失,也增加了发配电设备的供电能力。纺织车间设备由于工艺调整的需要,设备负荷变化幅度较大,致使运行中供电系统功率因数经常会发生变化。宜通过在供配电系统增加电容器柜进行集中无功补偿,补偿装置安装在变电所内低压母线侧,电容器采用自动投切方式。不仅可补偿主变压器或配电变压器的无功功率损失和变电所以上输配电线路的功率损耗,还可以利用无功补偿装置的调压功能,改善电压质量;并进行自动追踪无功功率变化,避免过补偿。

  对容量较大、负荷平稳、经常使用、在现场存在无功功率因数较低的设备时,如空压机、制冷机、水泵站等,可在设备端进行就地补偿。在车间动力柜处安装补偿装置,就近补偿主要用电设备所消耗的无功功率,减少厂区或车间内部线路损耗。通过集中补偿、就地补偿等方式,使企业的功率因数达到0.90以上。

  1.3 电机和电器

  工艺设备主电机是车间消耗电能的主要设备,也是节能提效的关键设备。针对纺织车间面大量广、长时间高负荷率运行的主机设备,采用高效电机、提高电机能效水平是创建绿色制造的首选。纺织车间采用的电机能效限定值及能效等级,均应达到GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》的2级及以上等级。以细纱机常用电机45 kW为例,要求效率达到95.4%以上。

  永磁电机的定子电流和阻抗损耗小、无转子阻抗损耗、总损耗低效率高、功率因数高、节能效果明显,并具有体积小、结构简单、调速性能好、启动转矩大、温升低等特点,能效水平可达到1级的水平,适合用在细纱机等长期运行、需要调速的场合。经纺织企业在同车间进行多机台试验,在细纱机1 008锭长车上,分别采用XY225M?4(45 kW)永磁电机和主机配套的F2VP225M?4(45 kW)异步电机,以纺制同种产品相比较,永磁电机可实现节能4%以。对传统机型FA506系列细纱机的JF02电机进行改造,可实现降低机身温度8 ℃、节约用电10%、电机噪声降低10%的效

  工艺设备采用变频调速,可以根据生产的工艺要求、通过人机对话自动调整变换工艺参数,实现方便调速,节约用能的要求。对冷冻站、空压站、水泵站等用能大户,采用同型号、较小规格设备进行变频调速控制,在负荷变化时实现动态调节功能的同时,可节约动力站房综合用电11.2%的效。空调设备采用温湿度自动控制系统,对主风机变频调速,除尘设备根据车间生产情况,采用恒压变流量控制除尘风机转速,在满足车间生产要求的情况下,可实现节能25%以上的效

  纺织车间的电机一般都需要连续调速运行,在采用变频调速装置时,变频器的能效等级应符合NB/T 10463—2020《变频调速设备的能效限定值及能效等级》规定的2级以上等级要求。

  1.4 配电线路

  配电线路导体通过电流时,将产生电能损耗,其值与导体材料、导体截面积和线路长度等因素有关。因此降低纺织车间的线路损耗应采取以下措施。一是变电所靠近负荷中心,以缩短低压配电线路距离;二是应采用电导率高的铜电缆和导线;三是在满足导体载流量和线路压降等技术条件下,导体截面积宜适当加大,以降低线损。用于电流较大且长期稳定的供电回路的电缆,宜按经济电流密度校验导体截

  2 系统优化提升供电质量

  2.1 电压偏差

  电压偏差会给电气系统和设备的安全、高效运行带来影响。电压降低,变压器绕组损耗将增大;电压升高会使变压器励磁电流增大,铁芯温升增加,加快绝缘老化,安全性降低。变压器铁损也和运行电压超过额定电压差值密切相关,例如当变压器超过额定电压5%运行时,铁损将增加15%以上。纺织车间设备需要24 h不间断运行,存在低谷时电压偏高的现象。设计时可采用有载调压变压器、自动投切无功补偿装置等措施,使供电电压偏差符合GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》的要求,达到变压器三相电压偏差为标称电压的±7%以内。

  2.2 三相电压不平衡

  三相电压不平衡会使变压器严重发热,造成附加损耗,引起电网损耗增加;影响设备正常工作,缩短其使用寿命。不对称负荷常导致三相电压的不平衡,故在低压配电系统设计时,单相用电设备接入220 V/380 V系统时(如照明系统等),各相负荷宜分配平衡,供配电系统中,在公共节点三相电压不平衡度允许限值应符合GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》规定的限定值,达到负序电压不平衡度不超过2%、短时不超过4%的要求。

  2.3 谐波治理

  新型纺织车间以设备采用清梳联、粗细联、细络联,设备高速化、自动化、智能化为代表。生产线设备中变频调速装置、软启动器等设备增多。这些设备在逆变和拖动负载过程中,会产生谐波,影响电网质量。并在电力系统和用户的电气设备上会造成附加损耗,还可能造成无功补偿电容器发热严重并起火,低压断路器出现不明原因跳闸等。多机台产生谐波后通过低压回路互相串联,多次叠加,当达到一定数值后,就会出现生产线偶发停车事故。谐波电流还会使配电系统低压侧电流有效值增大,电能质量下降,无用能耗增多,造成电能利用效率降低等。

  针对纺织车间谐波形成的原因和造成危害的特点,设计时在低压变配电室母线侧预留谐波治理设备位置,采用无源谐波动态治理、重谐滤波补偿等集中治理方法,可有效吸收谐波、补偿基波,降低母线侧有效电流值。在治理谐波、优化电网质量的同时,实现车间综合节。对谐波电流比例较大的机台,如粗纱机、络筒机等,也可采用谐波电流就地治理方案,在低压动力柜安装就地治理装置,减少谐波电流在低压配电回路中串动和叠加,降低供电线路中的损耗。通过谐波治理,使电力系统的质量符合GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定的限值和允许值。

  3 新型照明系统

  3.1 照明方式

  新型纺织车间多为封闭式厂房,需要全天照明方式,由于工作的需要,照度要求高,照明用电负荷较大。在满足眩光值限制和配光要求、显色性要求的条件下,应优先采用三基色荧光灯配电子镇流器、LED等高效光源,并应结合车间设备布置情况,合理布置灯具,满足操作面的照度要求。近年来纺织设备集成了自动接头技术、单锭检测技、断头指示报警技术、主机设备自调匀整技术、空调自动控制技术等,使设备断头、故障率不断下降,操作工作量减少,用工减少。为黑灯工厂、个性照明、感应照明等提供了条件。应根据车间生产情况,采用一般照明、局部照明、一般和局部混合的照明方式。如清梳联、浆纱、验布、穿筘等工序宜采用局部照明,并粗工序采用一般照明和局部照明相结合的混合照明,细纱、络筒、织造等工序采用一般照明的方式。并采用随人体移动的感应式智能照明系统,可大大节省车间照明用电。

  厂区照明采用光敏探测及时钟控制技术,根据自然光强及时间自动开关照明灯具。车间事故照明应采用自带电源,集中控制的应急照明和疏散指示标志系统由消防联动控制器联动消防应急箱实现。

  3.2 照明质量

  根据纺织车间工作需要,良好的照明不仅可以提高员工的操作效率,也可以减少因视觉影响产生的事故。工作场所照度、统一眩光值、一般显色指数等指标应满足GB/T 50481—2019《棉纺织工厂设计标准》要求的各工序照度及质量标准。

  4 光伏发电

  纺织厂房具有屋顶面积大、屋面平整、遮挡物少、自身用电量大、电价高等特点,非常适合安装既可自发自用也可并网发电的光伏发电系统。光伏电站不受资源分布地域的限制,利用建筑屋面闲置资源,无噪声、无污染。采用就近用户侧接入,不必远距离运输,避免长距离输电线路的损失。太阳能发电系统建设周期短,长期收益,可高效稳定运行25年以上。既为企业节省电力支出,又能改善屋面的隔热状况,让厂房更加节能,从而为企业带来长期稳定的资金流。

  以陕西省某纺织厂为例,其两栋主厂房为单层排架结构厂房,屋面总面积约12万m2,屋面平整无遮挡。主厂房屋面装设太阳能光伏发电系统,总装机容量为8 000 kWp,该系统2018年建成投产,每年发电量约为1 500万kW·h,折合标准煤(当量值)1 843.5 t,减少二氧化碳排放约11 775 t。截止目前,该项目已投产运行5年,已收回该系统投资成本,进入盈利阶段。

  太阳能光伏发电系统组件支架设计采用固定安装,支架安装光伏组件与水平屋面成固定倾角的形式。由并网逆变器将太阳电池组件所发的直流电逆变成三相交流电,再通过交流配电箱连接到低压电网侧上,白天根据厂区用电情况光伏发电在低压侧即时消耗电能。

  太阳能系统与构件及其安装应满足建筑、结构、电气及防火安全的要求。由太阳能集热器或光伏电池板构成的围护结构构件,满足相应围护结构构件的安全性及功能性要求。

  5 管理信息化

  纺织企业具有车间运行设备型号多、机台多,单机设备中的信号数量多,整个系统的信息量大,单机设备中控制器种类复杂,通信能力差异大,联网和信息集成等困难,还具有需要管理信息系统多的特点。管理信息化需要打通各系统、各设备间数据接口,实现全厂生产管理、质量管理、环境管理、动力系统、安全系统管理的信息互联互通,及时方便统计工艺主机、生产辅机、环境控制、安全生产等设备的运行情况,从而实现生产过程管理、能源计量、环境控制、安全生产保障等信息化管理,便于查找问题,进行生产质量、产量、效率、能耗指标分析等。针对纺织车间的生产情况,纺织车间管理信息化系统包括以下几个方面。

  5.1 生产过程管理信息化系统

  纺织车间生产过程管理设备台数多、工艺参数多,需要对不同品种质量要求的产品进行多种原料适配、设备参数调整、工艺优化等过程管理;需要收集的工艺数据信号多,设备接口信号差异大,对数据的输出要求也比较复杂。利用制造执行系统(MES)实现对整个纺织生产过程的集中监控和管理以及远程浏览、数据处理和报表查询功能,对生产车间各工序生产设备的生产运行情况进行数据采集和处理,实时了解各工序、各班次设备工艺参数和质量、产量、能耗等数据,实现从原料投入到成品产出整个生产过程的数字化监控和管。该系统具有信号采集管理模式适应性强、信息反馈敏捷、数据安全稳定、信息互联互通性好的特点。为进行车间生产数据分析和优化、提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率和管理水平提供依据。

  5.2 能源计量管理信息化系统

  纺织企业安装设备机台多、运行时间长、运行参数差别大。能源计量管理信息化需要分车间、分工序、分机台、分班次计量统计,智慧化管理。合理、准确、完整、有效的能源信息和合理的能源管理制度可方便企业管理者及时掌握企业的用能状况和能源管理水平,考核不同品质的单位产品能耗情况、企业的总用能情况,便于总结节能经验,挖掘节能潜力,降低能源消耗和生产成本,提高能源利用效率。

  利用基于PROFIBUS总线技术,实现对纺织各车间各工序工艺主机、辅机、环境控制(空调除尘)、动力供应(锅炉、空压站、水泵房)等系统设备能耗实时计量和记,以充分掌握工艺设备、公用设备和设施的能耗现状,便于按产品核算生产成本,提高成本核算的准确性和精细化。

  5.3 生产环境控制信息系统

  生产环境控制信息系统主要管理纺织车间空调、除尘、冷冻等设备运行情况。用室内外焓值计算和比较功能进行空调运行全年多工况自动分区,采用分季节浮动露点送风、新风冷量优先的控制原则,对新回风阀进行智能控制,合理利用新回风冷量和热量。然后通过专家PID算法对送、回风机和循环水泵输出频率进行调节,并根据室内对冷热量、洁净度的要求,对除尘系统和冷冻系统进行调控,最终实现纺织车间温湿度的精确控。通过对各工序车间环境进行智能化控制,数据的记录和查询,满足各工序不同温湿度、洁净度的控制,生产环境能耗的核算和记录要求,减少了人工抄表、手动调节的过程。

  5.4 安全生产保障系统

  根据纺织车间生产性质、生产规模、生产特点,依据GB 50016—2022《建筑设计防火规范》、GB 50565—2010《纺织工程设计防火规范》和GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》等,确定设置防排烟、火灾自动报警、消防灭火等安全生产保障系统。依据技术先进、经济合理、安全可靠的原则设置系统形式和选择产品。

  安全生产保障系统由烟感探测器和光束烟感探测器组成的火灾自动报警系统、车间手动报警按钮和消防栓按钮组成的手动报警系统、自动消防排烟系统、消防栓灭火系统、自动喷淋系统、非消防电源自动切换系统、消防应急广播对讲系统等组成。鉴于纺织车间长期有人值班的特点,安全生产管理应强化培训操作人员的消防灭火常识,定期维护火灾自动报警系统,保证车间火灾事故做到早发现、快处理,扑灭初期火灾,把火灾造成的损失降为最小。并按照建筑物年预计雷击次数、火灾危险场所的防雷类别设计防雷接地系统,车间设置完善的电气接地系统等。确保生产安全,火灾报警与消防、人员安全疏散等。

  智能化发展是棉纺行业产生革命性变革的关键。经过长期探索,目前行业内部分企业在管理信息化、生产智能化改造方面已经取得了明显效果,但总体来看,实现纺织车间全流程智能化还属于起步阶段。企业可以在生产连续化、自动化、信息化管理过程中,对采集到的不同来源、不同结构的数据,采用机器学习的方法进行融合分析,做出调控。在逐步实现各系统自动化控制、信息化管理的过程中进行企业数字化、智能化的改造和提,实现企业转型升级。

  6 结束语

  双碳目标下,电气节能及信息化是实现绿色制造和管理信息化的关键。在纺织行业向绿色低碳转型发展过程中,工厂的电气节能水平提升和信息化改造是首要任务。通过优化供配电系统,提高电气设备能效等级,净化电网质量,提高用电效率,采用新型照明、管理信息化等技术,实现绿色低碳、安全高效生产。企业应结合自身的节能减排、信息化改造情况,在纺织生产全过程中,逐步进行企业信息化管理系统的建设和智能化基础改造,为企业实现双碳目标,创建绿色工厂和智能化转型升级提供保障。

  资料来源:《棉纺织技术

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