关于薄膜制造行业电能质量治理及节能增效方案

1、薄膜制造行业电能质量现状及简要分析

随着经济的发展以及产业结构的调整，中国各行各业对塑料薄膜的市场需求不断上升。

塑料薄膜的成型加工方法有多种，例如有压延法、流延法、吹塑法、拉伸法等。近年来，双向拉伸膜成为人们关注的焦点。经过双向拉伸生产的塑料薄膜可有效改善材料的拉伸性能（拉伸强度是未拉伸薄膜的 3-5 倍）、阻隔性能、光学性能、耐热耐寒性、尺寸稳定性、厚度均匀性等多种性能，并具有生产速度快、 产能大、效率高等特点，市场迅速发展。

塑料薄膜双向拉伸是将高聚物树脂通过挤出机加热熔融挤出后形成厚片，在 玻璃化温度以上、熔点以下的适当温度范围内（高弹态下），通过纵拉机与横拉机时，在外力作用下，先后沿纵向和横向进行一定倍数的拉伸，从而使高聚物的分子链或结晶面在平行于薄膜平面的方向上进行取向而有序排列；然后在拉紧状态下进行热定型使取向的大分子结构固定下来；最后经冷却及后续处理便可制得理想的塑料薄膜。

塑料薄膜的生产过程工艺要求非常高，所涉及的工序较为复杂、精细，如切片机、挤出机、熔体计量泵、熔体过滤器、熔体管、静态混合器等，所以一旦某 一环节工序发生问题（即设备故障或设备误动作），将会导致整批次产品报废， 同时设备的维修复杂及零部件交货周期长等，都将大大增加企业的生产成本。因 此，如何能够确保生产设备的安全稳定运行显得尤为关键，这也是对用电环境（即电能质量）提出了更高的要求。

通过了解及分析，我们发现变频器、电机等设备在塑料薄膜生产过程中应用较为广泛，而变频器的应用会产生大量的谐波，对生产、生活中的配电网设备构成了极大的安全威胁。大量电机设备的使用，尤其是开机时其冲击电流较大，对配网的其他设备造成恶劣影响。经过与多家双拉行业的厂家交流，我们发现谐波所导致的问题已经逐渐突显，譬如生产设备故障率较高、产品次品率上升、设备无法正常启动（末端电压低）、部分控制设备出现误动作、设备（如易损件等）寿命缩短、配电房电容柜经常损坏等等。

2、电能质量问题的危害

通过上文的分析，可以看出双拉行业主要电能质量问题集中于谐波和无功两方面。

1、谐波的危害

①产品质量。谐波导致生产设备工作失常或故障，有时会导致变频器保护跳停， 从而导致产品质量受损，甚至报废，给厂家带来较大的经济损失和时间损失。

②设备寿命。谐波导致生产设备额外发热，振动加剧，故障率提高，寿命缩短， 同时浪费电能。

③设备误动作。高频次谐波带来的电磁干扰，易导致控制设备误动作，带来潜在的经济损失。此外，易导致变压器过热而跳停。

④线缆损耗。谐波会导致电缆额外发热，浪费电能，加速老化，绝缘层脱落，易引起电气火灾事故。

⑤系统功率因数。无功补偿装置和系统的阻抗达到一定的匹配度后，会对某频次的谐波进行放大，致使电容器过流击穿和烧毁或者投切开关误动作，达不到无功补偿的效果，从而会被供电部门进行力率电费罚款。反之，如果提高功率因数超过 0.90 以上，供电部门还会给予一定金额的补贴。另外，谐波电流畸变率与系统功率因数成反比，也就是说当谐波电流畸变率较高时，即使无功补偿设备工作正常，也无法将系统功率因数补偿至目标考核值，从而导致必将被供电部门罚款。

2、无功的危害

①设备无法正常启动。无功电流会导致线损变大，压差变大，末端电压过低，部分设备无法正常启动，影响生产及产品质量，从而导致一定的经济损失。

②系统功率因数。无功电流较大会导致系统功率因数较低，达不到供电部门考核值，从而被力率电费罚款。

③变压器带载能力。变压器容量一定时，无功电流过大，会导致系统有功功率降低，即带负载能力下降，若需要满足负载需求，必须要进行扩容，从而增加成本投入。

④线缆损耗。无功电流过大会导致线路损耗变大，浪费电能。

3、电能质量治理解决方案

1、谐波治理解决方案谐波治理通常的解决方案是采用无源电力滤波器和有源电力滤波器。下表是两种方案的对比。

双拉行业，变频器应用极为广泛，所带来的谐波污染也对配电网生产设备及其他用电设备构成了极大的安全威胁。 无源电力滤波器只能针对某几个低频次的相对稳定的谐波进行滤除，且滤除率不高（理想状态能达到 80%，一般在 50%~70%居多）。随着无源滤波器电容的 老化，其容值会发生衰减，导致滤波频率点发生漂移，滤波效果会更差，同时有 潜在的系统谐振风险。当负载发生变化时，譬如增大，则无源滤波器会因过负荷而损毁。此外，高频次谐波干扰易导致变频器、继保等设备跳闸保护或损坏。

而有源电力滤波器（APF）有着无源滤波器无法比拟的优势，尤其针对谐波污染较为严重的场合。APF 凭借其响应速度快（10ms 以内）、滤波率高（95%以上）、谐波处理能力丰富（2-51 次谐波）、不受负载变化影响等特点，得到了越来 越广泛的市场应用。

2、无功补偿解决方案 无功补偿通常的解决方案是采用传统电容补偿和静止无功发生器。下表是两种方案的对比。

静止无功发生器将会是未来无功补偿领域的趋势，特别是针对冲击性负荷较大的场合以及对无功补偿要求精细化的场合。双拉行业，变频器应用较多，谐波 污染较为严重，一般的电容补偿柜不能适应其用电环境，也就无法达到理想的补 偿效果，从而导致较大的经济损失，因此采用静止无功发生器进行无功补偿是目 前相对完美的解决方案。

4、电能质量治理经济效益分析

通过调研分析，电能质量治理所带来的经济效益主要包括无功补偿效益、力率电费效益、设备故障维修费用、产品损失费用、线路损耗费用等，潜在的经济效益有时间成本、设备寿命等方面。此部分采用举例分析估算法。

1、经济效益

1）无功补偿效益

假设某一条生产线有 2 台变压器，额定容量均为 2500kVA，若按正常变压器负载率 60%左右来计算，则有功功率约为 3000kW（负载率 60%计算），假设每天正常工作 24 小时，一年工作 340  天，最大负荷全年耗电时间约为 8160 小时以 τ表示，线路电能损耗与传输电能比为 0.03  以δ表示，则补偿后的全年节电量：

ΔWL=SL×COSΦ1×δ×τ×[1-(COSΦ1/COSΦ2)2]

=3000×0.80×0.03×8160×[1-(0.8 /0.95)2]

≈170885.3kWh 注:SL：主变负荷，COSΦ1：补偿前功率因数，COSΦ2：补偿后功率因数。 在无功补偿投入后，该变压器全年节电约 170885 度，电费以 0.8 元/度计算，年节约电费约 13.67 万元。

2）力率电费效益

假若该变压器每天正常带载工作 24 小时，有功功率约为 3000kW，则月（28.5 天）用电量为 205 万度。每月有功部分的电费假定按照 0.8 元/度，应为 164 万 元。改造前功率因数为 0.8，由于功率因数低于 0.90，且每低 0.01，增加电费 0.5%， 则每月要额外加收 5％电费，即 8.2 万元。

另外无功补偿后，功率因数达到 0.95，高出供电局的规定 0.90 的 5 个百分点，每个百分点供电局应少收电费 0.15％，5 个点则为 0.75％，即每月少收电费0.75％*164 万元=1.23 万元。

无功补偿投入后，力率电费节约每月合计为 9.43 万元，则每年节约共计约 为 113.16 万元。（计算依据，参见功率因数调整电费办法）

3）产品损失费用及设备故障维修费用。

经过与业内人士沟通，根据历史数据情况分析，谐波电流对电机造成干扰，使得电机出现波动而导致在拉膜时破膜。一般来说，破一次膜需要处理在 5-10分钟不等 ，造成原料及电能的损耗，预计直接经济损失在3万元左右。 此外，谐波电流的冲击及浪涌电流还造易造成变频器的烧毁或变频器受干扰而跳停保护，变频器跳停导致产品质量受损（经济损失暂无法衡量），但是一台变频器损坏或烧毁，则设备损失达至少 10 万元以上。

保守估计，假设每年仅发生 1 次上述情况，则损失至少达 15 万元。

4）潜在经济效益、时间成本及设备寿命延长带来的经济效益暂无法定量描述。

 综上所述，进行电能质量治理后，1 条产线（2 台 2500KVA 变压器）每年可为客户带来的经济效益约为 142 万元。

2、成本投入

1）谐波治理设备

1 条 5000KVA 产线（2 台 2500KVA 变压器），由于双拉行业谐波污染较为严重，按照 0.3 系数计算，则应选用 2 套 750A 有源电力滤波器（APF）。按照目前市场价 1200 元/A 计算，总计180万元。

2）无功补偿设备

1 条 5000KVA 产线（2 台 2500KVA 变压器），按照供电局设计要求，应配置30%~40%的无功补偿设备，则应选择 2 套 900kVar 的静止无功发生器（SVG）。按 照目前市场价 1000 元/kVar 计算，总计 180 万元。

综上所述，1 条 5000KVA 产线，电能质量治理成本合计共投入约 360 万元。

3、投资回报分析

5000KVA 产线电能质量治理投入产出明细归纳如下表所示。

由上表可以看出，5000KVA 产线（2 台 2500KVA 变压器），进行电能质量治理需一次性投入成本 360 万元，治理后每年可为客户带来约 142 万元经济效益， 则投资回收期约为 2.5 年。

电能质量设备使用寿命可达 10 年以上，从 10 年的角度来看，保守估计，可为客户带来净收益至少约 1065 万元。同时，治理后还能为客户带来额外的潜在 经济效益，譬如设备安全稳定、设备使用寿命延长、产线产品质量提高、产品交 期保障等等。

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作者：王小年 13705198665

中船重工鹏力（南京）新能源科技有限公司

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