漏板配电分流在玻纤降本增效中的应用

Application of Leakage Board Distribution Splitting in Glass Fiber Cost Reduction and Efficiency Enhancement

摘要: 对风电市场进行了分析后，发现玻璃纤维中的风电产品因提产增效而存在的配电问题。本研究以F10生产线为分析样例，对漏板三级配电情况进行了详细梳理，并指出因提产导致的漏板配电超载问题。漏板配电超载将导致用电安全隐患，对提产增效形成制约。在综合考虑生产需求与安全运行的基础上，提出增设漏板配电柜以进行配电分流的有效解决措施，满足大漏板增设的配电需求，从而实现降本增效。

Abstract: After analyzing the wind power market, it was found that wind power products in fiberglass have distribution problems due to increased production and efficiency. This study takes the F10 production line as an example to analyze the three-level distribution of leakage boards in detail, and points out the problem of overload of leakage board distribution caused by increased production. Overloading of leaky distribution boards will lead to safety hazards in electricity consumption, which will constrain production and efficiency improvement. On the basis of comprehensive consideration of production demand and safe operation, an effective solution is proposed to add a leakage board distribution cabinet for distribution diversion, to meet the distribution needs of adding large leakage boards and achieve cost reduction and efficiency improvement.

1. 背景

风电是一种清洁、绿色的可再生能源。风力发电是能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。发展风力发电对于解决能源危机、减轻环境污染、调整能源结构、实现“碳中和”等方面具有非常重要的意义 [1] 。随着可再生能源综合利用技术的不断提升，风力发电作为新兴能源在许多国家的战略能源结构中扮演着重要角色，推动产业高速发展 [2] 。根据数据显示，2020年是全球风电行业新增装机容量93 GW，同比增长53%；累计装机容量743 GW，同比增长14.29%。其中，全球陆上风电新增装机容量为86.93 GW，同比增长86%，累计装机规模达到707.93 GW；海上风电新增装机容量为6.07 GW，累计达到35.1 GW [3] [4] 。2010~2020年，我国新增和累计风电并网装机容量整体保持增长。根据中国电力企业联合会统计，2020年，我国新增风电并网装机容量7167 GW，同比增长178.65%；累计风电并网装机容量28153 GW，同比增长34.61% [5] 。

随着风电市场的扩大，风电玻璃纤维作为风电叶片的原材料在市场中供不应求。各玻纤企业抢抓风口，紧密配合国家能源战略，不断提产增效。提产有改扩建和技术改造两种方向。由于玻纤行业窑炉寿命周期和工业用地限制，各企业通常采取研发和增设大漏板的措施达到提升产量的目的 [6] 。近年来，国际主要玻纤企业采用的作业漏板也逐渐由原先的1600孔和2400孔，发展到现在的4000孔，乃至4800孔 [7] 。在大漏板技术研究与应用方面，美国的PPG、OC、法国圣哥班等国外著名玻纤公司均已取得了较大应用成果。在我国，中国巨石、泰山玻纤、国际复合等头部企业均加大对大功率漏板的应用投入。通过对多排多孔漏板优化设计、漏板附件的创新设计、专用浸润剂组份与配制工艺的调整、涂油器的工艺改造、隧道式微波烘干玻璃纤维技术等进行一系列关键技术攻关，在拉制玻璃纤维产品的关键设备4000孔与4800孔大漏板的设计上获得了较大的突破 [7] 。随着大功率漏板的投入使用，原有漏板配电方案不再适用于生产需求，并且存在超载安全风险，对企业提产方案实施形成制约。出于提产增效、改扩建成本和安全运行考虑，需探索一种大功率漏板配电分流的可行性方案。基于F10生产线的生产实际，现就大功率漏板需求、漏板配电问题及解决方案进行可行性分析。

2. 提产对大功率漏板的需求分析

增设大漏板台位是提产增效的实际需求。在玻纤漏板单孔流量一定的条件下，单台漏板流量与漏板孔数呈正比关系。多排多孔大漏板的应用大大提高原丝生产率，单机日产量由原来的1000~1100 kg/台提高到了2000~2500 kg/台，提产效果显著。

漏板型号不同，对应的额定功率不同。F10生产线在用漏板情况如表1所示。

Table 1. Leakage situation of F10 line in use

表1. F10线在用漏板情况

由表1知：同一型号漏板，随着漏板孔数的增加，漏板的额定功率也在增加。在F10生产线中，DB4000、DB4800大漏板累计应用块数44块，占生产线应用漏板的比例为34.3%。按生产需求，仍存在增设大漏板的空间。因此，增设大漏板台位需考虑配电容量及配电设备的承载力。

3. 漏板配电问题分析

3.1. 漏板配电功能结构介绍

漏板配电需从其配电结构、生产影响上作整体上考虑。在玻纤生产线中，漏板配电通常采集三级配电结构，详情见图1。一级配电来源于配电室，负责生产线120台位漏板的配电。配电室电源来自35 KV配电站，经变压器变压后经4个配电回路为后续用电设备配电。每个配电回路额定容量为2500 KVA，累计10000 KVA。除承担漏板配电外，还承担锅炉房、水泵房、拉丝区、窑炉风机等用电区配电。二级配电柜承担分区漏板配电，生产线一共分为8个区域，每个区域负责15~16台位。三级配电柜为终端配电，每个配电柜分担2~3台漏板配电任务。

Figure 1. Schematic diagram of leakage board distribution

图1. 漏板配电示意图

一级配电涉及整个生产线运行，影响最大。当大功率漏板投用时，应考虑一级配电容量。若投用漏板总功率超过配电回路容量，将导致配电回路因超载而跳闸，引发整个生产线停电事故。严重情况下，将对生产线的核心装置—窑炉系统造成毁灭性损害。二级配电负责15~16台位漏板，对生产影响次之。当投用漏板功率超过二级配电设施承载力时，二级配电将跳闸自保，引发相应生产区域停产。三级配电负责单个漏板台位配电，当漏板功率超过三级配电设施承载力时，三级配电将跳闸自保，影响生产台位2~3台，对生产影响最小。综上，大功率漏板的投用应从配电结构上逐级考虑其电气特性，以保证各级配电的承载能力能够满足正常生产需求。

3.2. 各级配电电气元件适应性分析

漏板配电电气元件主要涉及各级配电断路器及连接线缆。F10生产线漏板各级配电ABB断路器电气特性如表2所示。在实际运用中，为保证配电回路及设备的安全运行，断路器安全载流量不允许超过名牌上标定的Iu、Ith [8] 。即一级配电允许载流量为3608 A，二级配电允许载流量为630 A，三级配电允许载流量为160 A，当带载电流超过允许值时，将导致断路器外壳温度升高，加剧断路器老化，严重情况下引发断路器误动作，从而引发生产事故 [9] 。

Table 2. Electrical characteristics of circuit breakers at all levels

表2. 各级断路器电气特性表

注：Iu：框架电流，又称为额定不间断电流。指在规定条件下，电器在长期工作制下，各部件的温升不超过规定极限值时所承受的电流值。Ith：额定电流，指在规定条件下，能保证电器正常工作的电流值。它和额定电压、电网频率、额定工作制、使用类别、触头寿命及防护等级等因素有关。

动力线缆是电能的传输装置。其允许载流量受材质、截面、额定工作制等因素影响 [10] 。计算公式如下：

$Ic=KS\sqrt{\left(\Delta \theta \rho /T\right)}$ (1)

式(1)中，Ic为电缆载流量；K为调整系数，一般取0.8到0.9之间；S为电缆横截面积，单位为mm²；Δθ为电缆允许升温度，一般取40℃；ρ为电缆电阻率，实际值可查询资料或测量得出；T为环境温度，一般取25℃。

F10线漏板配电各段线缆采用铜制电缆，型号为VLV22聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套4芯同轴电力电缆。其截面及允许载流情况如下表3 [11] ：

Table 3. Allowable current carrying capacity of cables at all levels

表3. 各级电缆允许载流情况

实际运用中，实际载流量不允许超过其允许载流量。否则存在火灾、跳闸甚至人身伤害等风险。综上，大漏板的增设应考虑即有配电支撑条件，即增设大漏板后，漏板各级配电载荷均应在表2、表3所示范围内。否则，从配电安全运行条件出发，应对配电方案与设施重新设计。

3.3. 一级配电柜载荷分析

一级配电应考虑变压器容量、配电回路容量、断路器整定电流等因素。增设大漏板后的总功率容量应在变压器容量、配电回路容量允许范围内。超过允许范围后，则应考虑对整个生产线配电系统如变压器、母排、断路器型号等进行重新设计。断路器整定电流可按配电回路额定容量进行计算。

$P_N=\sqrt{3}{U}_N{I}_N\cos \rho$ (2)

$I_{set}=K{I}_N$ (3)

式(2) (3)中， $P_N$ 为配电回路额定容量； $U_N$ 为配电回路额定电压； $I_N$ 为配电回路额定电流； $\cos \rho$ 为配电回路功率因素； $I_{set}$ 为断路器长延时过电流脱扣器动作值； $K$ 为整定系数。

在F10线中，一级配电柜载荷情况如表4所示。实际负载电流原则上不能超过一级配电断路器的额定电流，即整定电流的80%。同时，增加大漏板导致的配电增量应在配电额定容量范围内。当大漏板增加容量导致实际载流量超过整定电流的80%时，一级配电断路器将脱扣跳闸，引发整个一级配电回路的跳闸，造成窑炉助燃风机、工艺水泵房等用电设施的停电，使生产事故进一步扩大化。

Table 4. Load situation of primary distribution cabinet

表4. 一级配电柜载荷情况

注：整定电流是根据电路、电网承受能力计算出的值，为断路器脱扣跳闸电流。

在配电回路容量及整定电流允许范围内，可对大漏板进行增设。由表4知，F10线一级配电载荷均在安全范围内，其中2B、4B回路存在增设容量的空间，预计可增设容量1300 KVA。

3.4. 二级配电载荷分析

漏板二级配电应考虑二级断路器电气特性、一二级配电连接线缆特性，及现场监视仪表特性。其中，二级断路器整定电流可参照公式(2) (3)设定。对于连接线缆，既要考虑其允许承载电流，又要考虑其运行温度。线缆的允许承载电流可根据实际线缆选型进行查表得到。现场监视仪表如电流表主要用于日常巡检，为工艺人员提供工艺数据，因此仪表实际值应便于工艺人员观察，符合仪表使用规范。

在F10线中，漏板二级配电一共涉及8个区，16个二级配电柜。每个配电柜原则上带9块漏板。二级配电载荷及运行情况截取部分如下表5所示。

由表5知：随着区域漏板总功率的增加，实际载流量也在增加，从而导致带载动力线缆的温度上升。按二级断路器Iu、Ith限定值及I段线缆允许载流量，101~109二级配电柜已超载，存在安全运行隐患，601~609配电柜处于监视上限值附近。若601~609台位更换大漏板，将导致超载，同样存在安全隐患。在大漏板增设需求下，其它区域，如：3区、5区、7区，均存在配电超载隐患问题。101~109配电柜实际运行电流如下图2，其配电线缆测温如下图3。

Table 5. Secondary distribution load and operating conditions

表5. 二级配电载荷及运行情况

Figure 2. Operating current diagram of 101~109 distribution cabinet

图2. 101~109配电柜运行电流图

Figure 3. Temperature measurement diagram of cables in distribution cabinets 101~109

图3. 101~109配电柜线缆测温图

根据仪表测量原则，仪表指示实际值不应超过仪表满度值的三分之二。从图2知，二级配电柜电流表指示值已达到满度值，不能有效反应电流实际运行情况，不利于配电状况的实时监控。从图3知，在室外环境温度只有7℃的情况下，二级配电线缆温度高达56.5℃。线缆持续高温运行，将加速线缆老化，加快线缆绝缘防护油层挥发，破坏线缆绝缘特性 [12] 。严重情况下，温度聚集将引发用电火灾。

3.5. 三级配电载荷

三级配电为单台漏板配电，主要考虑三级断路器电气特性、二三级配电连接线缆特性、三级配电至漏板连接线缆特性。其中，三级断路器整定电流可参照公式(2) (3)设定。对于连接线缆，既要考虑其允许承载电流，又要考虑其运行温度。线缆的允许承载电流可根据实际线缆选型进行查表得到。在F10产线中，其载荷按漏板型号分析如表6所示。

Table 6. Third level distribution load situation

表6. 三级配电载荷情况

由表6知，按三级断路器Iu、Ith限定值及III段线缆允许载流量，各型号漏板载荷均在允许范围内。当漏板载荷电流超出允许范围时，则应考虑断路器整定电流值的重新设定，或者对断路器进行查表更换。同时，对应的二三级配电连接线缆、三级配电至漏板连接线缆均应按计算电流值进行查表更换。

4. 漏板配电方案综合分析

4.1. 漏板配电方案

在考虑生产需求、配电容量及安全运行的基础上，当大漏板投用后，可从以下三个方面进行配电方案设置。

1) 当大漏板增设容量超过一级配电容量时，应对整个产线配电方案进行重新设计，重点在于变压器、母排，断路器的选型设计。该措施影响范围大，实施成本高，实施时间应在产线冷修或新建生产线时进行。考虑到窑炉寿命周期通常在10~12年，当生产需求与配电承载能力不匹配时，从产线安全运行角度选择，应减少大漏板的投用数量。

2) 当大漏板增设容量在一级配电容量范围内，但又超过二级配电容量范围时，可对二级配电进行升级改造。该方案影响范围不大，在综合计算增产效益及停产改造成本的基础上，可逐步分区改造。改造点主要集中于二级配电柜的升级改造、或者增设二级配电柜。其中增设二级配电柜影响最小，原因在于原有二级配电柜可继续运行，避免升级改造导致的长时间停电。

3) 当大漏板增设容量仅超过三级配电容量时，可只针对三级配电柜进行升级改造或临时跨区接入。该措施对生产影响最小，可随时进行，一般在大漏板实验时采用。

4.2. F10线漏板配电案列分析

由一级配电柜载荷情况表4知，一级配电满足安全运行要求。二、三级配电分析如表7。问题主要集中于二级配电柜及一、二级配电间的连接线缆配电超载。因此，漏板配电扩容的关键在于解决二级配电问题。

Table 7. Analysis of level 2 and level 3 distribution

表7. 二、三级配电分析

二级配电超载有2种解决方案。

方案一：漏板配电跨区腾挪，接入异区配电柜。例如：7区漏板总功率高，5区漏板总功率低，则将7区的大漏板配电接入5区进行置换。此方法对大漏板少量(2~3块)更换有效，但不能满足大漏板批量集中更换需求，且存在操作安全隐患。因为漏板配电跨区接入会导致配电标识混乱，从而引发误断电，给生产造成不必要的损失 [13] 。

方案二：加设配电柜。1区、6区分别增加1个二级配电柜，每个配电柜预留容量300 KVA，预计可带6块4800孔漏板。详情见表8：

Table 8. Distribution diversion analysis of F10 line zones 1 and 6

表8. F10线1、6区配电分流分析

方案综合对比：方案一能够解决局部增设大漏板台位容量需求，但不能满足后续提产需求。虽不加设配电柜，但跨区配电易导致标识混乱，不易管理。方案二，分流效果明显，能够满足批量增设大漏板台位需求，符合安全运行生产需要。

4.3. F10线降本增效分析

以DB4800大漏板为例，按功率50 KVA计算，预计可直接增设大漏板12块。分流后，各区累计减少容量540 KVA，考虑安全运行因素，可再利用容量400 KVA，可间接增设大漏板8块。累计可实现大漏板增设20台位。

5. 总结

在玻纤行业中，大漏板投用是提产增效、解除生产用地限制的重要措施。对大漏板的投用应进行综合考虑，既要考虑生产需求，又要保证配电的安全运行性能。针对不同的漏板投用容量，漏板的配电方案应作针对性选择。在F10线案列中，增设分流配电柜为最佳方案，方案可解决漏板二级配电超载问题，为增产创造条件，同时又保证了配电系统的安全运行。解决方案所用材料全部源于废旧物资的再利用，累计实现价值14万元。综上，漏板配电分流是对企业降本增效号召的积极响应。

基金项目

重庆市教委科学技术研究项目(KJQN202204503)。