劉福春

（天津市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，天津 300204）

1 問題的提出

黨的二十大報(bào)告提出，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和，是國家關(guān)于節(jié)能減排的重大決策部署。目前，我國綠色、循環(huán)、低碳的發(fā)展理念逐步落地見效，資源節(jié)約集約利用水平向好。但資源約束趨緊、環(huán)境容量不足等問題依然突出，生產(chǎn)生活方式綠色低碳轉(zhuǎn)型存在多重困難挑戰(zhàn)。要消除可持續(xù)發(fā)展的制約因素，必須扎實(shí)推進(jìn)“雙碳”工作，提高能源利用效率，形成綠色生產(chǎn)及生活方式，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展［1］。

踐行綠色低碳理念，節(jié)約1 kW·h電是節(jié)能減排工作的有效手段之一。1 kW·h 電可以讓節(jié)能燈點(diǎn)亮100 h，可以給1部手機(jī)充電100多次，可以讓家用冰箱運(yùn)作36 h，可以讓電視播放10 h電視劇，可以讓洗衣機(jī)清洗50 kg 衣服，還可以生產(chǎn)100 多個(gè)醫(yī)用口罩、10 副醫(yī)用手套、10 L 消毒液等等。為生活守護(hù)一份平安，1 kW·h 電的作用真的超乎我們的想象。1 kW·h 電的產(chǎn)生很不容易：水力發(fā)電需要630 m3的水，才能產(chǎn)生1 kW·h電；光伏發(fā)電需要1塊250 W的光伏板在陽光下曬4 h的等效時(shí)長，才能產(chǎn)生1 kW·h電；火力發(fā)電需要燃燒400 g左右的煤，才能產(chǎn)生1 kW·h電！現(xiàn)在大部分電能是通過火力發(fā)電燒煤發(fā)出來的，我們少用1 kW·h電相當(dāng)于減少400 g煤的燃燒，就能減少997 g 二氧化碳、272 g 的碳粉塵、15 g 的氮氧化合物、3 g 的二氧化硫排放，就能為節(jié)能降耗多助一份力。我們可以讓1 kW·h電在不經(jīng)意間溜走，也可以選擇節(jié)約每1 kW·h 電讓它發(fā)揮價(jià)值。地球資源是有限的，我們想要長久地生存下去，就得切實(shí)行動(dòng)起來，從現(xiàn)在做起，從點(diǎn)滴做起，一起節(jié)約用電、節(jié)省能源，守護(hù)美麗家園。

截至2021年底，天津市現(xiàn)有大、中、小型水利泵站共計(jì)3890座，其中大型水利泵站12座、中型水利泵站263 座（裝機(jī)容量為1000～10000 kW）。數(shù)千座泵站在保障全市供水、灌溉、排澇等功能發(fā)揮的同時(shí)也消耗了大量電能，產(chǎn)生了大量電費(fèi)的運(yùn)行成本。因此，在踐行節(jié)約用水責(zé)任的同時(shí)，節(jié)約用電亦可降低管理單位的運(yùn)行成本，減少碳排放，提高管理單位經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。節(jié)約用電的一般途徑有：①減少泵站功率損耗，提高電能利用率；②采用新技術(shù)、新材料和新工藝；③加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)與檢修，減小能量損耗；④通過信息化手段實(shí)現(xiàn)智慧泵站優(yōu)化調(diào)度。本文主要介紹水利泵站通過改善用電設(shè)備功率因數(shù)、減少泵站功率損耗、提高電能利用率來實(shí)現(xiàn)水利工程節(jié)約用電，完成運(yùn)行管理單位節(jié)能減排目標(biāo)。

2 功率因數(shù)基本概念

水利泵站配置的變壓器、水泵電機(jī)等感性電氣設(shè)備多是通過建立磁場(chǎng)才能正常工作，磁場(chǎng)所具有的能量是由電源供給的，當(dāng)用電設(shè)備激磁電流增加時(shí)從電源吸收能量，激磁電流減小時(shí)將能量釋放回電源。衡量與電源能量交換速率的物理量稱為無功功率。正常工況下，電機(jī)等用電設(shè)備要從電源同時(shí)取得有功功率及無功功率。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)就要消耗無功功率。感性負(fù)荷自電網(wǎng)吸收無功功率，容性負(fù)荷向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。接于同一正弦交流電壓的電感和電容電流反相，吸收、釋放能量互相抵消，故無功功率互相抵消。在電路中交流電壓和交流電流之間相位差角φ的余弦為功率因數(shù)cosφ，數(shù)值上是有功功率與視在功率之比，即：

式中：cosφ為功率因數(shù)；P為有功功率（kW）；S為視在功率（kVA）。

3 功率因數(shù)與節(jié)約電能

3.1 功率因數(shù)的影響因素

當(dāng)泵站中的水泵電機(jī)有功功率一定時(shí)，無功功率上升，功率因數(shù)下降。功率因數(shù)下降的影響因素有：①泵站使用感應(yīng)水泵電機(jī)和感性用電設(shè)備；感性用電設(shè)備不匹配或使用不合理，造成長期輕載或空載運(yùn)行；②變壓器容量選擇過大，使之常年低負(fù)載率運(yùn)行；③未配置電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備。

功率因數(shù)下降將產(chǎn)生以下影響：①增加供電系統(tǒng)線路和變壓器等設(shè)備材料的容量和投資；②增大線路和變壓器的功率和電能損耗，增加年運(yùn)行費(fèi)；③電網(wǎng)電壓損失增大，供電電壓質(zhì)量下降。電力部門規(guī)定各用電企業(yè)功率因數(shù)不能低于0.9，并制定了相應(yīng)的獎(jiǎng)懲標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和保證供電質(zhì)量都是非常必要的。

3.2 節(jié)約電能意義

功率因數(shù)的高低對(duì)泵站節(jié)能至關(guān)重要，提高泵站的總功率因數(shù)，節(jié)約電能，具有積極的意義：①緩和電力供需矛盾。在天津市的水利行業(yè)，甚至全市各個(gè)行業(yè)、全國各個(gè)領(lǐng)域開展節(jié)約電能的活動(dòng)，可使有限的能源用于更多的生產(chǎn)部門，為社會(huì)創(chuàng)造更多的財(cái)富。②提高電能使用的經(jīng)濟(jì)效益。在工程運(yùn)行階段會(huì)節(jié)約大量電能，降低管理單位運(yùn)行成本。③加速工藝、電氣設(shè)備的改造，促進(jìn)科技進(jìn)步。節(jié)約電能工作的不斷深度開展，在工程前期建設(shè)階段可節(jié)約設(shè)備投資，在工程運(yùn)行數(shù)年后必將促進(jìn)對(duì)舊設(shè)備、落后工藝的更新?lián)Q代和升級(jí)，從而大幅度提高生產(chǎn)效率，降低能耗［2］。

4 提高功率因數(shù)舉措

改善水利泵站水泵機(jī)組、輔機(jī)等用電負(fù)荷功率因數(shù)，核心問題是減少用電負(fù)荷的無功功率，主要方法是調(diào)整自然功率因數(shù)和人工補(bǔ)償提高功率因數(shù)。

4.1 提高自然功率因數(shù)

提高泵站水泵電機(jī)運(yùn)行效率的最基本方法是合理選擇和使用電動(dòng)機(jī)，確定最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式和降低電動(dòng)機(jī)的能量損耗。異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率是水泵電機(jī)2個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，它們相互關(guān)聯(lián)、互相影響，改善水泵電機(jī)效率的同時(shí)也改善了其功率因數(shù)。一般異步電動(dòng)機(jī)的額定效率和功率因數(shù)按負(fù)荷系數(shù)在75%～100%的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，所以電動(dòng)機(jī)額定輸出功率應(yīng)為選擇負(fù)荷功率的1.10～1.15 倍為宜。因?yàn)樗秒姍C(jī)、變壓器等感性負(fù)荷是吸收無功功率較多的用電負(fù)荷，選型時(shí)確定的容量越大，無功功率需要越大。如果這些設(shè)備經(jīng)常處于“大馬拉小車”即空載或輕載運(yùn)行工況時(shí)，功率因數(shù)和工作效率都會(huì)下降，違背了節(jié)約的原則。

對(duì)于長期運(yùn)行的大型泵站采用同步水泵電機(jī)為宜；變頻供水泵站選擇輸入功率因數(shù)大于0.95 的變頻器，無需配置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。

4.2 人工補(bǔ)償提高功率因數(shù)

泵站的高壓電源線路及變壓器輸送無功功率，亦可能導(dǎo)致?lián)p耗電能和電壓，降低電氣設(shè)備的工作效率。因此，除減少用電負(fù)荷無功功率消耗、提高自然功率因數(shù)外，還需在末端對(duì)無功功率進(jìn)行人工補(bǔ)償?？茖W(xué)合理使用水泵電機(jī)、變壓器等設(shè)備，以及利用電容器并聯(lián)補(bǔ)償來提高功率因數(shù)，是人工提高功率因數(shù)通常采取的方法。當(dāng)單相電容器的額定電壓與電網(wǎng)額定電壓相同時(shí)，三相電容器應(yīng)采用三角型接線型式；當(dāng)單相電容器的額定電壓低于電網(wǎng)額定電壓時(shí)，應(yīng)采用星型接線型式，或幾個(gè)電容器串聯(lián)后、使得每相電容器組的額定電壓高于或者等于電網(wǎng)的額定電壓，再采用三角型接線型式。在短路容量較小的變電站，多采用三角型接線型式電容器組。為提高泵站補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)效益，減少無功功率的傳送，盡量就地補(bǔ)償。在泵站的配電系統(tǒng)中，通常采用的補(bǔ)償方式有高壓集中補(bǔ)償、低壓成組補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償3種型式［3］。

在水利泵站中，用電負(fù)荷基本以電感性和電阻性負(fù)荷為主，總電流相位將滯后電壓1個(gè)角度φ。若裝設(shè)電容器并與負(fù)載并聯(lián)，電容器電流將抵消一部分電感電流，總電流相位差φ減小，相應(yīng)提高了功率因數(shù)。如果電容器容量選擇得當(dāng)，可把φ減小到0，即cosφ提高到1。

4.2.1 電機(jī)的合理使用

對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容器容量的計(jì)算應(yīng)按水泵電機(jī)空載的功率因數(shù)補(bǔ)償約至1計(jì)算補(bǔ)償容量，不要按水泵電機(jī)帶負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)計(jì)算補(bǔ)償容量。因?yàn)?，若帶?fù)荷時(shí)補(bǔ)償至cosφ=1，則空載時(shí)將會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象。若出現(xiàn)過補(bǔ)償情況時(shí)斷開電機(jī)電源，水泵電機(jī)勵(lì)磁接收到電容器放電，使運(yùn)行的水泵電機(jī)變成感應(yīng)發(fā)電機(jī)，此時(shí)的工作電壓超過額定電壓多倍，有損于電容器和水泵電機(jī)的絕緣。

對(duì)于輕負(fù)荷的水泵電機(jī)，適當(dāng)降低電壓，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩減少，輸出功率降低。但由于電壓降低，空載電流減少，鐵損減少，因而水泵電機(jī)功率因數(shù)和效率基礎(chǔ)維持不變。對(duì)于中小型異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)負(fù)荷低于50%時(shí)，常采用改變電動(dòng)機(jī)定子繞組接線（由△接線改為Y 接線）的方法，使電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行，從而減少電動(dòng)機(jī)無功功率需用量，提高功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)約電能的目的［4］。

電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)輸出功率為零，但此時(shí)鐵損、機(jī)械損耗仍然存在，仍在消耗無功功率和有功功率。而在各種機(jī)械的生產(chǎn)過程中，空載間斷時(shí)間又是不可避免的。因此，限制異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間，合理使用電動(dòng)機(jī)，使其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可達(dá)到節(jié)能減排的目的。

其他降壓運(yùn)行方法還有采用自耦變壓器降壓、調(diào)壓器調(diào)壓、電抗器或電容器降壓和改變電動(dòng)機(jī)繞組接線法等。

4.2.2 變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指使整個(gè)系統(tǒng)中的有功功率損耗最小并能獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的運(yùn)行方式。泵站配置的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是使變壓器總的有功損耗最小的運(yùn)行方式。

泵站配電系統(tǒng)中的有功功率損耗與電氣設(shè)備的有功功率和無功功率均相關(guān)。因無功功率需求量的升高導(dǎo)致電流升高，電流經(jīng)過變壓器和線路時(shí)產(chǎn)生較大的功率損耗，使配電系統(tǒng)中總有功損耗升高。為直觀表達(dá)上述工況，因而出現(xiàn)了“無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量”的說法。無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量表示了因裝設(shè)人工無功電容補(bǔ)償設(shè)備得到的直接經(jīng)濟(jì)效益，其物理意義為每補(bǔ)償1 kvar無功功率，在配電系統(tǒng)中相應(yīng)引起有功功率所增加的數(shù)值。無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的大小與電力系統(tǒng)的容量、結(jié)果及計(jì)算點(diǎn)的具體位置等因素有關(guān)。距離電源越遠(yuǎn)的泵站變電所，無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量值越大，亦即裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備后所得經(jīng)濟(jì)效益越高。

變壓器工作需要消耗無功功率建立交變磁場(chǎng)，其消耗的無功功率約為其自身額定容量的15%左右，空載無功功率約為滿載時(shí)的1/3。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度來說，并聯(lián)工作的變壓器要考慮有功功率損耗和無功功率損耗，因?yàn)殡娋W(wǎng)供給無功功率時(shí)也會(huì)在電網(wǎng)和變壓器中引起有功功率的損耗。當(dāng)總負(fù)荷一定時(shí)，泵站無論接入1 臺(tái)還是2 臺(tái)變壓器，變壓器所產(chǎn)生的功率損耗是一樣的。因此，應(yīng)根據(jù)季節(jié)性負(fù)荷變化情況，確定泵站配置的變壓器最經(jīng)濟(jì)的并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，減少電能損耗，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.3 線路

由線路的對(duì)地電容電流所產(chǎn)生的容性無功功率，稱為線路的充電功率。電源線路空載或者輕載時(shí)電壓會(huì)高于電源電壓，因?yàn)閷?dǎo)線間及對(duì)地存在電容，輸電線路相當(dāng)于1個(gè)無功電源，這時(shí)電流相位超前于電壓相位。輸電線路輕載時(shí)，其容性充電功率將超過線路本身所消耗的感性功率，會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低并提高末端電壓。這將對(duì)用電負(fù)載造成危害，尤其是電纜線路，電纜線路的相間電容約為架空線路的18 倍，對(duì)地電容約為架空線路的幾十倍，因此，長距離電纜線路中電容電流增大，將產(chǎn)生過多的充電功率，引起輸電線路的電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定程度后會(huì)造成電纜線路本身和其他相關(guān)設(shè)備的損害，危及電力系統(tǒng)安全［5］。

為解決長距離電纜輸電線路的過電壓問題，可將電容器與線路串聯(lián)，改變線路參數(shù)，減小線路的電壓損失，提高末端電壓水平和線路輸送能力，減少電網(wǎng)損耗；也可將逆變器（電壓型）在電網(wǎng)上并聯(lián)電抗器，調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，迅速吸收無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。

5 結(jié)語

我國生態(tài)文明建設(shè)已進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的關(guān)鍵時(shí)期，必須扎實(shí)推進(jìn)“雙碳”工作，發(fā)揮降碳對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的源頭牽引作用，大力實(shí)施節(jié)能減排，全面推行清潔生產(chǎn)，加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)減污降碳協(xié)同增效，加快實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的根本轉(zhuǎn)變，守護(hù)好藍(lán)天白云、綠水青山，為人民群眾提供更加優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境，提高人民生活品質(zhì)。

天津市在健全節(jié)能減排政策機(jī)制的同時(shí)，為助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，不斷滿足人民群眾天藍(lán)、地綠、水清良好生態(tài)環(huán)境的需要，必須推動(dòng)天津水利泵站工程綠色升級(jí)，這對(duì)促進(jìn)全市經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色低碳、資源集約發(fā)展具有重要意義。