| 在我國構建雙循環新發展格局，碳達峰碳中和的雙碳目標導向下，到2025年，要求規模以上工業單位增加值能耗比2020年下降13.5%。能盡其用、效率至上成為綠色低碳的“第一能源”和降耗減碳的首要舉措。紡織行業作為國家提出節能提效、改造升級的重點行業之一，進一步優化能源結構、提升用能效率、推動綠色低碳循環發展、促進全面綠色轉型，是行業發展方向，勢在必行。紡織企業用電作為企業用能的主要部分，安裝功率大、運行時間長、負荷率高，在企業總能耗中占比大。變配電及用電設備的能效水平、電力供應過程中能效提升、電力節能新技術利用、能源計量和信息化管理等是降低企業電力損耗、節約用電的關鍵。本研究針對紡織企業實現節能減排、創建綠色工廠、智能化轉型升級的目標，基于現階段紡織車間供配電系統和信息化水平現狀，對供配電設計節能和管理信息化等方面需要進行的主要工作內容和達到的基本要求進行研究，為企業節能減排、提高管理效率、實現綠色制造和智能化轉型升級提供幫助。
1.1 變配電設備
紡織車間電氣設備數量多、安裝功率大，需長時間不間斷運行，在企業總能耗中占有的比例最大，車間根據負荷的分布情況需設置多個變配電所。合理選擇變壓器容量、變壓器負載率，使各臺變壓器能較好地適應負荷變化，工作于最佳狀態十分重要。根據當地電力供應和受電設備電壓，進線電壓宜采用10 kV，低壓配電采用220 V/380 V；有條件時也可采用35 kV/0.4 kV直變方式供配電。為節約變壓器空載損耗、降低空載電流和噪聲，變壓器負載率宜為60%~80%，有月基本電費的地區可略高，但仍不宜高于85%。變配電所應深入負荷中心，縮短低壓配電線路。紡紗車間大部分負荷集中在細紗車間，車間變電所宜設置在附房靠近細紗機機頭動力箱位置附近，可顯著減小主要用電負荷供電距離，既減少了電纜投資，也減少了線路損耗和線路電壓降?？椩燔囬g的主要負荷為織機和空壓站，變配電所則應靠近上述位置。規模較大的車間應分別設置多個變電所，并分散設置在各車間負荷中心附近。制冷站、空調等季節性負荷、工藝負荷卸載時，為其單獨設置的變壓器應具有退出運行的措施?！ ?/span>
為降低變壓器的空載損耗和負載損耗，GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》對變壓器空載損耗和負載損耗限值提出了更高的要求，創建綠色紡織工廠，則要求10 kV和35 kV配電變壓器空載損耗和負載損耗限值，均應達到該標準中2級及以上能效等級。以紡織車間常用的SCB?1600/10?NX2干式變壓器為例，要求其空載損耗和最大負載損耗分別不大于0.645 kW和1.132 kW。車間變電所變壓器的接線組別宜選用D，Yn11?！ ?/span>
1.2 無功補償
提高功率因數可減少線路損耗、減少變壓器的銅損、減少線路及變壓器的電壓損失，也增加了發配電設備的供電能力。紡織車間設備由于工藝調整的需要，設備負荷變化幅度較大，致使運行中供電系統功率因數經常會發生變化。宜通過在供配電系統增加電容器柜進行集中無功補償，補償裝置安裝在變電所內低壓母線側，電容器采用自動投切方式。不僅可補償主變壓器或配電變壓器的無功功率損失和變電所以上輸配電線路的功率損耗，還可以利用無功補償裝置的調壓功能，改善電壓質量；并進行自動追蹤無功功率變化，避免過補償。
對容量較大、負荷平穩、經常使用、在現場存在無功功率因數較低的設備時，如空壓機、制冷機、水泵站等，可在設備端進行就地補償。在車間動力柜處安裝補償裝置，就近補償主要用電設備所消耗的無功功率，減少廠區或車間內部線路損耗。通過集中補償、就地補償等方式，使企業的功率因數達到0.90以上。
1.3 電機和電器
工藝設備主電機是車間消耗電能的主要設備，也是節能提效的關鍵設備。針對紡織車間面大量廣、長時間高負荷率運行的主機設備，采用高效電機、提高電機能效水平是創建綠色制造的首選。紡織車間采用的電機能效限定值及能效等級，均應達到GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》的2級及以上等級。以細紗機常用電機45 kW為例，要求效率達到95.4%以上。
永磁電機的定子電流和阻抗損耗小、無轉子阻抗損耗、總損耗低效率高、功率因數高、節能效果明顯，并具有體積小、結構簡單、調速性能好、啟動轉矩大、溫升低等特點，能效水平可達到1級的水平，適合用在細紗機等長期運行、需要調速的場合。經紡織企業在同車間進行多機臺試驗，在細紗機1 008錠長車上，分別采用XY225M?4（45 kW）永磁電機和主機配套的F2VP225M?4（45 kW）異步電機，以紡制同種產品相比較，永磁電機可實現節能4%以上。對傳統機型FA506系列細紗機的JF02電機進行改造，可實現降低機身溫度8 ℃、節約用電10%、電機噪聲降低10%的效果。
工藝設備采用變頻調速，可以根據生產的工藝要求、通過人機對話自動調整變換工藝參數，實現方便調速，節約用能的要求。對冷凍站、空壓站、水泵站等用能大戶，采用同型號、較小規格設備進行變頻調速控制，在負荷變化時實現動態調節功能的同時，可節約動力站房綜合用電11.2%的效果?？照{設備采用溫濕度自動控制系統，對主風機變頻調速，除塵設備根據車間生產情況，采用恒壓變流量控制除塵風機轉速，在滿足車間生產要求的情況下，可實現節能25%以上的效果?！ ?/span>
紡織車間的電機一般都需要連續調速運行，在采用變頻調速裝置時，變頻器的能效等級應符合NB/T 10463—2020《變頻調速設備的能效限定值及能效等級》規定的2級以上等級要求?！ ?/span>
1.4 配電線路
配電線路導體通過電流時，將產生電能損耗，其值與導體材料、導體截面積和線路長度等因素有關。因此降低紡織車間的線路損耗應采取以下措施。一是變電所靠近負荷中心，以縮短低壓配電線路距離；二是應采用電導率高的銅電纜和導線；三是在滿足導體載流量和線路壓降等技術條件下，導體截面積宜適當加大，以降低線損。用于電流較大且長期穩定的供電回路的電纜，宜按經濟電流密度校驗導體截面。
2 系統優化提升供電質量
2.1 電壓偏差
電壓偏差會給電氣系統和設備的安全、高效運行帶來影響。電壓降低，變壓器繞組損耗將增大；電壓升高會使變壓器勵磁電流增大，鐵芯溫升增加，加快絕緣老化，安全性降低。變壓器鐵損也和運行電壓超過額定電壓差值密切相關，例如當變壓器超過額定電壓5%運行時，鐵損將增加15%以上。紡織車間設備需要24 h不間斷運行，存在低谷時電壓偏高的現象。設計時可采用有載調壓變壓器、自動投切無功補償裝置等措施，使供電電壓偏差符合GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》的要求，達到變壓器三相電壓偏差為標稱電壓的±7%以內。
2.2 三相電壓不平衡
三相電壓不平衡會使變壓器嚴重發熱，造成附加損耗，引起電網損耗增加；影響設備正常工作，縮短其使用壽命。不對稱負荷常導致三相電壓的不平衡，故在低壓配電系統設計時，單相用電設備接入220 V/380 V系統時（如照明系統等），各相負荷宜分配平衡，供配電系統中，在公共節點三相電壓不平衡度允許限值應符合GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》規定的限定值，達到負序電壓不平衡度不超過2%、短時不超過4%的要求?！ ?/span>
2.3 諧波治理
新型紡織車間以設備采用清梳聯、粗細聯、細絡聯，設備高速化、自動化、智能化為代表。生產線設備中變頻調速裝置、軟啟動器等設備增多。這些設備在逆變和拖動負載過程中，會產生諧波，影響電網質量。并在電力系統和用戶的電氣設備上會造成附加損耗，還可能造成無功補償電容器發熱嚴重并起火，低壓斷路器出現不明原因跳閘等。多機臺產生諧波后通過低壓回路互相串聯，多次疊加，當達到一定數值后，就會出現生產線偶發停車事故。諧波電流還會使配電系統低壓側電流有效值增大，電能質量下降，無用能耗增多，造成電能利用效率降低等?！ ?/span>
針對紡織車間諧波形成的原因和造成危害的特點，設計時在低壓變配電室母線側預留諧波治理設備位置，采用無源諧波動態治理、重諧濾波補償等集中治理方法，可有效吸收諧波、補償基波，降低母線側有效電流值。在治理諧波、優化電網質量的同時，實現車間綜合節能。對諧波電流比例較大的機臺，如粗紗機、絡筒機等，也可采用諧波電流就地治理方案，在低壓動力柜安裝就地治理裝置，減少諧波電流在低壓配電回路中串動和疊加，降低供電線路中的損耗。通過諧波治理，使電力系統的質量符合GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》規定的限值和允許值。
3 新型照明系統
3.1 照明方式
新型紡織車間多為封閉式廠房，需要全天照明方式，由于工作的需要，照度要求高，照明用電負荷較大。在滿足眩光值限制和配光要求、顯色性要求的條件下，應優先采用三基色熒光燈配電子鎮流器、LED等高效光源，并應結合車間設備布置情況，合理布置燈具，滿足操作面的照度要求。近年來紡織設備集成了自動接頭技術、單錠檢測技術、斷頭指示報警技術、主機設備自調勻整技術、空調自動控制技術等，使設備斷頭、故障率不斷下降，操作工作量減少，用工減少。為黑燈工廠、個性照明、感應照明等提供了條件。應根據車間生產情況，采用一般照明、局部照明、一般和局部混合的照明方式。如清梳聯、漿紗、驗布、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結合的混合照明，細紗、絡筒、織造等工序采用一般照明的方式。并采用隨人體移動的感應式智能照明系統，可大大節省車間照明用電。
廠區照明采用光敏探測及時鐘控制技術，根據自然光強及時間自動開關照明燈具。車間事故照明應采用自帶電源，集中控制的應急照明和疏散指示標志系統由消防聯動控制器聯動消防應急箱實現?！ ?/span>
3.2 照明質量
根據紡織車間工作需要，良好的照明不僅可以提高員工的操作效率，也可以減少因視覺影響產生的事故。工作場所照度、統一眩光值、一般顯色指數等指標應滿足GB/T 50481—2019《棉紡織工廠設計標準》要求的各工序照度及質量標準?！ ?/span>
4 光伏發電
紡織廠房具有屋頂面積大、屋面平整、遮擋物少、自身用電量大、電價高等特點，非常適合安裝既可自發自用也可并網發電的光伏發電系統。光伏電站不受資源分布地域的限制，利用建筑屋面閑置資源，無噪聲、無污染。采用就近用戶側接入，不必遠距離運輸，避免長距離輸電線路的損失。太陽能發電系統建設周期短，長期收益，可高效穩定運行25年以上。既為企業節省電力支出，又能改善屋面的隔熱狀況，讓廠房更加節能，從而為企業帶來長期穩定的資金流。
以陜西省某紡織廠為例，其兩棟主廠房為單層排架結構廠房，屋面總面積約12萬m2，屋面平整無遮擋。主廠房屋面裝設太陽能光伏發電系統，總裝機容量為8 000 kWp，該系統2018年建成投產，每年發電量約為1 500萬kW·h，折合標準煤（當量值）1 843.5 t，減少二氧化碳排放約11 775 t。截止目前，該項目已投產運行5年，已收回該系統投資成本，進入盈利階段?！ ?/span>
太陽能光伏發電系統組件支架設計采用固定安裝，支架安裝光伏組件與水平屋面成固定傾角的形式。由并網逆變器將太陽電池組件所發的直流電逆變成三相交流電，再通過交流配電箱連接到低壓電網側上，白天根據廠區用電情況光伏發電在低壓側即時消耗電能。
太陽能系統與構件及其安裝應滿足建筑、結構、電氣及防火安全的要求。由太陽能集熱器或光伏電池板構成的圍護結構構件，滿足相應圍護結構構件的安全性及功能性要求?！ ?/span>
5 管理信息化
紡織企業具有車間運行設備型號多、機臺多，單機設備中的信號數量多，整個系統的信息量大，單機設備中控制器種類復雜，通信能力差異大，聯網和信息集成等困難，還具有需要管理信息系統多的特點。管理信息化需要打通各系統、各設備間數據接口，實現全廠生產管理、質量管理、環境管理、動力系統、安全系統管理的信息互聯互通，及時方便統計工藝主機、生產輔機、環境控制、安全生產等設備的運行情況，從而實現生產過程管理、能源計量、環境控制、安全生產保障等信息化管理，便于查找問題，進行生產質量、產量、效率、能耗指標分析等。針對紡織車間的生產情況，紡織車間管理信息化系統包括以下幾個方面?！ ?/span>
5.1 生產過程管理信息化系統
紡織車間生產過程管理設備臺數多、工藝參數多，需要對不同品種質量要求的產品進行多種原料適配、設備參數調整、工藝優化等過程管理；需要收集的工藝數據信號多，設備接口信號差異大，對數據的輸出要求也比較復雜。利用制造執行系統（MES）實現對整個紡織生產過程的集中監控和管理以及遠程瀏覽、數據處理和報表查詢功能，對生產車間各工序生產設備的生產運行情況進行數據采集和處理，實時了解各工序、各班次設備工藝參數和質量、產量、能耗等數據，實現從原料投入到成品產出整個生產過程的數字化監控和管理。該系統具有信號采集管理模式適應性強、信息反饋敏捷、數據安全穩定、信息互聯互通性好的特點。為進行車間生產數據分析和優化、提高產品質量、降低生產成本、提高生產效率和管理水平提供依據?！ ?/span>
5.2 能源計量管理信息化系統
紡織企業安裝設備機臺多、運行時間長、運行參數差別大。能源計量管理信息化需要分車間、分工序、分機臺、分班次計量統計，智慧化管理。合理、準確、完整、有效的能源信息和合理的能源管理制度可方便企業管理者及時掌握企業的用能狀況和能源管理水平，考核不同品質的單位產品能耗情況、企業的總用能情況，便于總結節能經驗，挖掘節能潛力，降低能源消耗和生產成本，提高能源利用效率?！ ?/span>
利用基于PROFIBUS總線技術，實現對紡織各車間各工序工藝主機、輔機、環境控制（空調除塵）、動力供應（鍋爐、空壓站、水泵房）等系統設備能耗實時計量和記錄，以充分掌握工藝設備、公用設備和設施的能耗現狀，便于按產品核算生產成本，提高成本核算的準確性和精細化?！ ?/span>
5.3 生產環境控制信息系統
生產環境控制信息系統主要管理紡織車間空調、除塵、冷凍等設備運行情況。用室內外焓值計算和比較功能進行空調運行全年多工況自動分區，采用分季節浮動露點送風、新風冷量優先的控制原則，對新回風閥進行智能控制，合理利用新回風冷量和熱量。然后通過專家PID算法對送、回風機和循環水泵輸出頻率進行調節，并根據室內對冷熱量、潔凈度的要求，對除塵系統和冷凍系統進行調控，最終實現紡織車間溫濕度的精確控制。通過對各工序車間環境進行智能化控制，數據的記錄和查詢，滿足各工序不同溫濕度、潔凈度的控制，生產環境能耗的核算和記錄要求，減少了人工抄表、手動調節的過程?！ ?/span>
5.4 安全生產保障系統
根據紡織車間生產性質、生產規模、生產特點，依據GB 50016—2022《建筑設計防火規范》、GB 50565—2010《紡織工程設計防火規范》和GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》等，確定設置防排煙、火災自動報警、消防滅火等安全生產保障系統。依據技術先進、經濟合理、安全可靠的原則設置系統形式和選擇產品?！ ?/span>
安全生產保障系統由煙感探測器和光束煙感探測器組成的火災自動報警系統、車間手動報警按鈕和消防栓按鈕組成的手動報警系統、自動消防排煙系統、消防栓滅火系統、自動噴淋系統、非消防電源自動切換系統、消防應急廣播對講系統等組成。鑒于紡織車間長期有人值班的特點，安全生產管理應強化培訓操作人員的消防滅火常識，定期維護火災自動報警系統，保證車間火災事故做到早發現、快處理，撲滅初期火災，把火災造成的損失降為最小。并按照建筑物年預計雷擊次數、火災危險場所的防雷類別設計防雷接地系統，車間設置完善的電氣接地系統等。確保生產安全，火災報警與消防、人員安全疏散等。
智能化發展是棉紡行業產生革命性變革的關鍵。經過長期探索，目前行業內部分企業在管理信息化、生產智能化改造方面已經取得了明顯效果，但總體來看，實現紡織車間全流程智能化還屬于起步階段。企業可以在生產連續化、自動化、信息化管理過程中，對采集到的不同來源、不同結構的數據，采用機器學習的方法進行融合分析，做出調控。在逐步實現各系統自動化控制、信息化管理的過程中進行企業數字化、智能化的改造和提升，實現企業轉型升級。
6 結束語
雙碳目標下，電氣節能及信息化是實現綠色制造和管理信息化的關鍵。在紡織行業向綠色低碳轉型發展過程中，工廠的電氣節能水平提升和信息化改造是首要任務。通過優化供配電系統，提高電氣設備能效等級，凈化電網質量，提高用電效率，采用新型照明、管理信息化等技術，實現綠色低碳、安全高效生產。企業應結合自身的節能減排、信息化改造情況，在紡織生產全過程中，逐步進行企業信息化管理系統的建設和智能化基礎改造，為企業實現雙碳目標，創建綠色工廠和智能化轉型升級提供保障。
資料來源：《棉紡織技術》 |
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