空壓系統(tǒng)在線(xiàn)節(jié)能診斷技術(shù)服務(wù)示范項(xiàng)目

一、 云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院簡(jiǎn)介

云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院隸屬于云南省市場(chǎng)監(jiān)督管理局，是省級(jí)國(guó)家法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、省級(jí)科研單位。目前，該院已建立云南省各等級(jí)社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)189項(xiàng)。該院先后承擔(dān)國(guó)家級(jí)重大科研項(xiàng)目、云南省科技攻關(guān)項(xiàng)目26項(xiàng)，獲國(guó)家和省部科技進(jìn)步獎(jiǎng)43項(xiàng)。尤其是，1999年該院“強(qiáng)功率交、直流電能在線(xiàn)綜合測(cè)試技術(shù)”榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2013年該院與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合申報(bào)的“國(guó)家直流大電流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)研究建立與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2018年我院榮獲2項(xiàng)云南省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、1項(xiàng)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)技術(shù)類(lèi)一等獎(jiǎng)。現(xiàn)共有專(zhuān)利28項(xiàng)，其中外觀(guān)設(shè)計(jì)專(zhuān)利4項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利16項(xiàng)、發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)。成果產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于計(jì)量、電力、冶金、化工、國(guó)防、科研等各行各業(yè)。現(xiàn)已獲批建立“國(guó)家城市能源計(jì)量中心（云南）”、“云南省計(jì)量產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”。被原國(guó)家質(zhì)檢總局認(rèn)定為“國(guó)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(xiàng)目實(shí)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(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)，無(wú)一例外都是電能源主要消耗企業(yè)。這些企業(yè)生產(chǎn)過(guò)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取（提純）、電解和電離、生產(chǎn)過(guò)程工藝控制、產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量提高、能源消耗統(tǒng)計(jì)都與整流系統(tǒng)的各參量及交直流電能的準(zhǔn)確計(jì)量、適時(shí)調(diào)節(jié)/控制有關(guān)；然而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，量程跨度大，從幾萬(wàn)安培到十幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)安培，工作環(huán)境的磁場(chǎng)、電氣干擾各不相同；從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，一直沒(méi)能解決電冶等企業(yè)在線(xiàn)能源消耗統(tǒng)計(jì)與整流系統(tǒng)的各參量及交直流電能的準(zhǔn)確計(jì)量的技術(shù)難題；無(wú)法保證檢測(cè)統(tǒng)計(jì)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(kāi)始立項(xiàng)研制成套在線(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行的實(shí)時(shí)計(jì)量/監(jiān)控裝置，2005年實(shí)現(xiàn)了成果從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)化。2013年起進(jìn)一步組織開(kāi)展基于柔性全光纖的在線(xiàn)直流大電流測(cè)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(chǎng)進(jìn)行直流電流比對(duì)測(cè)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(guó)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(chǎng)的直流電流傳感器除了進(jìn)行了出廠(chǎng)測(cè)試之外并沒(méi)有方法進(jìn)行量值傳遞，無(wú)法判斷現(xiàn)場(chǎng)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(jì)量技術(shù)和服務(wù)模式

早期研制的第一代“計(jì)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(jì)量/檢測(cè)變換器,匯流母排變換器）；交流多功能計(jì)量/傳輸儀表；直流多功能計(jì)量/傳輸儀表；電解廠(chǎng)電調(diào)室顯示儀表；遠(yuǎn)距離通訊驅(qū)動(dòng)器、程控計(jì)算機(jī)（含顯示屏）及計(jì)量裝置程控/管理軟件構(gòu)成。

計(jì)量服務(wù)模式：一次性現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試系統(tǒng)，定期以現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量技術(shù)服務(wù)的方式比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器同時(shí)對(duì)二次儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)傳感器準(zhǔn)確度高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，有利于企業(yè)指導(dǎo)生產(chǎn)。缺點(diǎn)：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(duì)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(jì)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(xiàn)電流測(cè)試裝置，建立實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)直流電流量值傳遞系統(tǒng)，研制實(shí)驗(yàn)室用等安匝法直流大電流母排，建立如下圖所示的實(shí)驗(yàn)室直流電流量值傳遞系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)傳遞系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(guò)直接比較光纖電流傳感器讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)表?yè)Q算讀數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行量值比對(duì)。

分析上述量值傳遞方法，在傳遞過(guò)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(shí)際真實(shí)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(duì)等效安匝電流和實(shí)際電流的響應(yīng)不同帶來(lái)的不確定度；研究等安匝法電流母排匝數(shù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，研究建立圖1所示的匝數(shù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1  匝數(shù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表監(jiān)測(cè)直流大電流恒流功率源的輸出配合已知匝數(shù)的母排線(xiàn)圈輸出安匝數(shù)為N*I的等效電流，而另一側(cè)通過(guò)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(guò)比較儀測(cè)出差值。進(jìn)一步編寫(xiě)基于上述方法的云南省直流電流現(xiàn)場(chǎng)量值傳遞地方計(jì)量技術(shù)規(guī)范。

計(jì)量服務(wù)模式：對(duì)企業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)安裝的直流傳感器或測(cè)試系統(tǒng)，需要校準(zhǔn)測(cè)試時(shí)將安匝法電流母排匝數(shù)校準(zhǔn)設(shè)備安裝到現(xiàn)場(chǎng)，不停電進(jìn)行直流大電流現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)校準(zhǔn)，依據(jù)上述方法進(jìn)行在線(xiàn)校準(zhǔn)測(cè)試，對(duì)配套的二次儀表，在檢修時(shí)對(duì)二次儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試滿(mǎn)足企業(yè)實(shí)際需求，有利于成果推廣。缺點(diǎn)：無(wú)法實(shí)時(shí)獲取在線(xiàn)運(yùn)行信息和運(yùn)行日志只能進(jìn)行單次校準(zhǔn)測(cè)試。

圖2  馳宏40kA現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.下一代計(jì)量技術(shù)服務(wù)模式

下一代將會(huì)結(jié)合前面兩種方式，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使用可在線(xiàn)安裝的強(qiáng)功率直流測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用在線(xiàn)測(cè)試方式進(jìn)行量值比對(duì)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(xiàng)目取得成效

長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏準(zhǔn)確、完善可靠的在線(xiàn)計(jì)量/監(jiān)測(cè)裝備，我國(guó)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(jì)量一直處于較低水平。國(guó)家、行業(yè)缺乏對(duì)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(guān)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和實(shí)施監(jiān)督的有效手段。強(qiáng)功率整流系統(tǒng)電能測(cè)控技術(shù)在電冶中的應(yīng)用，為電冶、電化類(lèi)企業(yè)完善能源計(jì)量裝備，強(qiáng)化生產(chǎn)部門(mén)間能源管理協(xié)調(diào)，健全能源計(jì)量/管理長(zhǎng)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(mén)提供了對(duì)電冶、電化類(lèi)高耗能企業(yè)節(jié)能降耗評(píng)價(jià)的技術(shù)手段。

圖3  曲靖東源鋁業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

  2004年-2009年，在云南馳宏公司石咀分廠(chǎng)、云南馳宏公司曲靖分廠(chǎng)、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(cè)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(chǎng)在線(xiàn)技術(shù)服務(wù)，為企業(yè)解決了急需解決的問(wèn)題。