空壓系統(tǒng)在線節(jié)能診斷技術(shù)服務(wù)示范項目

一、 云南省計量測試技術(shù)研究院簡介

云南省計量測試技術(shù)研究院隸屬于云南省市場監(jiān)督管理局，是省級國家法定計量技術(shù)機(jī)構(gòu)、省級科研單位。目前，該院已建立云南省各等級社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)189項。該院先后承擔(dān)國家級重大科研項目、云南省科技攻關(guān)項目26項，獲國家和省部科技進(jìn)步獎43項。尤其是，1999年該院“強(qiáng)功率交、直流電能在線綜合測試技術(shù)”榮獲國家科技進(jìn)步二等獎，2013年該院與中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合申報的“國家直流大電流計量標(biāo)準(zhǔn)研究建立與應(yīng)用”項目榮獲國家科技進(jìn)步二等獎。2018年我院榮獲2項云南省科技進(jìn)步三等獎、1項中國電力企業(yè)聯(lián)合會技術(shù)類一等獎。現(xiàn)共有專利28項，其中外觀設(shè)計專利4項、實用新型專利16項、發(fā)明專利8項。成果產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于計量、電力、冶金、化工、國防、科研等各行各業(yè)。現(xiàn)已獲批建立“國家城市能源計量中心（云南）”、“云南省計量產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”。被原國家質(zhì)檢總局認(rèn)定為“國家質(zhì)檢科技成果轉(zhuǎn)化推廣基地”，被云南省人民政府認(rèn)定為“云南省高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范基地”。

二、項目實施背景

有色金屬冶煉（如電解銅、電鋅、電錫、電鉛、電解鋁）、氯堿化工（如電解鹽）等電化學(xué)企業(yè)，是我國的基礎(chǔ)工業(yè)，無一例外都是電能源主要消耗企業(yè)。這些企業(yè)生產(chǎn)過程中，都需要使用大功率的整流設(shè)備，將電網(wǎng)供給的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；各種金屬和化工品的萃?。ㄌ峒儯?、電解和電離、生產(chǎn)過程工藝控制、產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量提高、能源消耗統(tǒng)計都與整流系統(tǒng)的各參量及交直流電能的準(zhǔn)確計量、適時調(diào)節(jié)/控制有關(guān)；然而工業(yè)現(xiàn)場測量，量程跨度大，從幾萬安培到十幾萬甚至幾十萬安培，工作環(huán)境的磁場、電氣干擾各不相同；從上世紀(jì)80年代開始，一直沒能解決電冶等企業(yè)在線能源消耗統(tǒng)計與整流系統(tǒng)的各參量及交直流電能的準(zhǔn)確計量的技術(shù)難題；無法保證檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，精確指導(dǎo)生產(chǎn)。

我院自2001年起開始立項研制成套在線長期運(yùn)行的實時計量/監(jiān)控裝置，2005年實現(xiàn)了成果從實驗室到工業(yè)現(xiàn)場的轉(zhuǎn)化。2013年起進(jìn)一步組織開展基于柔性全光纖的在線直流大電流測量方法研究，研究應(yīng)用最大電流量程為500kA的直流大電流柔性光纖傳感器在不停機(jī)的狀態(tài)下現(xiàn)場進(jìn)行直流電流比對測試。（10～400）kA直流電流主要的應(yīng)用是冶金行業(yè)，云南省是中國的有色金屬大省，有很多有色金屬冶煉企業(yè)，這些企業(yè)應(yīng)用直流大電流電冶技術(shù)進(jìn)行有色金屬的冶煉，而在現(xiàn)場的直流電流傳感器除了進(jìn)行了出廠測試之外并沒有方法進(jìn)行量值傳遞，無法判斷現(xiàn)場安裝的直流電流傳感器是否準(zhǔn)確可靠。

三、具體創(chuàng)新措施

1.第一代的計量技術(shù)和服務(wù)模式

早期研制的第一代“計量/管理裝置”主要由交流互感器（包括交流電壓、電流互感器，可用整流系統(tǒng)提供的）、直流變換器（包括分機(jī)組的計量/檢測變換器,匯流母排變換器）；交流多功能計量/傳輸儀表；直流多功能計量/傳輸儀表；電解廠電調(diào)室顯示儀表；遠(yuǎn)距離通訊驅(qū)動器、程控計算機(jī)（含顯示屏）及計量裝置程控/管理軟件構(gòu)成。

計量服務(wù)模式：一次性現(xiàn)場安裝調(diào)試系統(tǒng)，定期以現(xiàn)場計量技術(shù)服務(wù)的方式比對現(xiàn)場傳感器同時對二次儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。優(yōu)點：現(xiàn)場傳感器準(zhǔn)確度高，可以實時監(jiān)測現(xiàn)場狀態(tài)，有利于企業(yè)指導(dǎo)生產(chǎn)。缺點：系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)節(jié)較多，維護(hù)需要停機(jī)斷電，量值比對也需要在停機(jī)維護(hù)的期間進(jìn)行，不利于推廣應(yīng)用。 

2.第二代的計量技術(shù)和服務(wù)模式

利用研制的特殊螺旋高雙折射保橢圓全光纖在線電流測試裝置，建立實驗室到現(xiàn)場直流電流量值傳遞系統(tǒng)，研制實驗室用等安匝法直流大電流母排，建立如下圖所示的實驗室直流電流量值傳遞系統(tǒng)和現(xiàn)場傳遞系統(tǒng)。實驗室傳遞系統(tǒng)由1:2000安匝等安匝法電流母排、大功率直流恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電流表構(gòu)成，通過直接比較光纖電流傳感器讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)表換算讀數(shù)對傳感器進(jìn)行量值比對。

分析上述量值傳遞方法，在傳遞過程中可能存在的較大的不確定度分量有：等安匝法安匝數(shù)電流模型和實際真實電流之間存在的不確定度，這部分不確定度分量主要由匝數(shù)的不準(zhǔn)確以及標(biāo)準(zhǔn)器對等效安匝電流和實際電流的響應(yīng)不同帶來的不確定度；研究等安匝法電流母排匝數(shù)校準(zhǔn)實驗方法，研究建立圖1所示的匝數(shù)校準(zhǔn)實驗系統(tǒng)。

圖1  匝數(shù)校準(zhǔn)實驗系統(tǒng)

通過標(biāo)準(zhǔn)表監(jiān)測直流大電流恒流功率源的輸出配合已知匝數(shù)的母排線圈輸出安匝數(shù)為N*I的等效電流，而另一側(cè)通過直流大電流恒流標(biāo)準(zhǔn)源反向輸出與上述安匝數(shù)等效的直流電流，通過比較儀測出差值。進(jìn)一步編寫基于上述方法的云南省直流電流現(xiàn)場量值傳遞地方計量技術(shù)規(guī)范。

計量服務(wù)模式：對企業(yè)在現(xiàn)場安裝的直流傳感器或測試系統(tǒng)，需要校準(zhǔn)測試時將安匝法電流母排匝數(shù)校準(zhǔn)設(shè)備安裝到現(xiàn)場，不停電進(jìn)行直流大電流現(xiàn)場技術(shù)校準(zhǔn)，依據(jù)上述方法進(jìn)行在線校準(zhǔn)測試，對配套的二次儀表，在檢修時對二次儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。優(yōu)點：可以實時在線進(jìn)行校準(zhǔn)測試滿足企業(yè)實際需求，有利于成果推廣。缺點：無法實時獲取在線運(yùn)行信息和運(yùn)行日志只能進(jìn)行單次校準(zhǔn)測試。

圖2  馳宏40kA現(xiàn)場測試

3.下一代計量技術(shù)服務(wù)模式

下一代將會結(jié)合前面兩種方式，現(xiàn)場進(jìn)行模塊化設(shè)計，使用可在線安裝的強(qiáng)功率直流測量系統(tǒng)實時監(jiān)測，利用在線測試方式進(jìn)行量值比對和傳遞，進(jìn)一步研究完善量值傳遞機(jī)制更好的服務(wù)企業(yè)。

四、項目取得成效

長期以來，由于缺乏準(zhǔn)確、完善可靠的在線計量/監(jiān)測裝備，我國眾多的電冶、電化等高能耗企業(yè)整流系統(tǒng)的能源特別是直流電耗計量一直處于較低水平。國家、行業(yè)缺乏對整流設(shè)備運(yùn)行狀況、產(chǎn)品單耗等生產(chǎn)指標(biāo)做出客觀準(zhǔn)確評價和實施監(jiān)督的有效手段。強(qiáng)功率整流系統(tǒng)電能測控技術(shù)在電冶中的應(yīng)用，為電冶、電化類企業(yè)完善能源計量裝備，強(qiáng)化生產(chǎn)部門間能源管理協(xié)調(diào)，健全能源計量/管理長效機(jī)制，促進(jìn)節(jié)能降耗和提質(zhì)增效提供了技術(shù)支持；為節(jié)能監(jiān)管等部門提供了對電冶、電化類高耗能企業(yè)節(jié)能降耗評價的技術(shù)手段。

圖3  曲靖東源鋁業(yè)現(xiàn)場測試

  2004年-2009年，在云南馳宏公司石咀分廠、云南馳宏公司曲靖分廠、云南祥云股份有限公司，按照第一代推廣方案推廣建立了整流效率測試系統(tǒng)；2015年至今，在東源鋁業(yè)公司、云南馳宏永昌鉛鋅礦、云南馳宏曲靖分公司、云南鋁業(yè)股份有限公司，按照第二代推廣方案進(jìn)行了多次現(xiàn)場在線技術(shù)服務(wù)，為企業(yè)解決了急需解決的問題。