空壓系統在線節能診斷技術服務示范項目

一、 云南省計量測試技術研究院簡介

云南省計量測試技術研究院隸屬于云南省市場監督管理局，是省級國家法定計量技術機構、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準189項。該院先后承擔國家級重大科研項目、云南省科技攻關項目26項，獲國家和省部科技進步獎43項。尤其是，1999年該院“強功率交、直流電能在線綜合測試技術”榮獲國家科技進步二等獎，2013年該院與中國計量科學研究院聯合申報的“國家直流大電流計量標準研究建立與應用”項目榮獲國家科技進步二等獎。2018年我院榮獲2項云南省科技進步三等獎、1項中國電力企業聯合會技術類一等獎?，F共有專利28項，其中外觀設計專利4項、實用新型專利16項、發明專利8項。成果產品已廣泛應用于計量、電力、冶金、化工、國防、科研等各行各業?，F已獲批建立“國家城市能源計量中心（云南）”、“云南省計量產品質量監督檢驗中心”。被原國家質檢總局認定為“國家質檢科技成果轉化推廣基地”，被云南省人民政府認定為“云南省高層次人才創新創業示范基地”。

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）等電化學企業，是我國的基礎工業，無一例外都是電能源主要消耗企業。這些企業生產過程中，都需要使用大功率的整流設備，將電網供給的交流電能轉換為直流電能；各種金屬和化工品的萃取（提純）、電解和電離、生產過程工藝控制、產品質量產量提高、能源消耗統計都與整流系統的各參量及交直流電能的準確計量、適時調節/控制有關；然而工業現場測量，量程跨度大，從幾萬安培到十幾萬甚至幾十萬安培，工作環境的磁場、電氣干擾各不相同；從上世紀80年代開始，一直沒能解決電冶等企業在線能源消耗統計與整流系統的各參量及交直流電能的準確計量的技術難題；無法保證檢測統計數據的準確可靠，精確指導生產。

我院自2001年起開始立項研制成套在線長期運行的實時計量/監控裝置，2005年實現了成果從實驗室到工業現場的轉化。2013年起進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的狀態下現場進行直流電流比對測試。（10～400）kA直流電流主要的應用是冶金行業，云南省是中國的有色金屬大省，有很多有色金屬冶煉企業，這些企業應用直流大電流電冶技術進行有色金屬的冶煉，而在現場的直流電流傳感器除了進行了出廠測試之外并沒有方法進行量值傳遞，無法判斷現場安裝的直流電流傳感器是否準確可靠。

三、具體創新措施

1.第一代的計量技術和服務模式

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，可用整流系統提供的）、直流變換器（包括分機組的計量/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；電解廠電調室顯示儀表；遠距離通訊驅動器、程控計算機（含顯示屏）及計量裝置程控/管理軟件構成。

計量服務模式：一次性現場安裝調試系統，定期以現場計量技術服務的方式比對現場傳感器同時對二次儀表進行校準。優點：現場傳感器準確度高，可以實時監測現場狀態，有利于企業指導生產。缺點：系統構成環節較多，維護需要停機斷電，量值比對也需要在停機維護的期間進行，不利于推廣應用。 

2.第二代的計量技術和服務模式

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，建立實驗室到現場直流電流量值傳遞系統，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和現場傳遞系統。實驗室傳遞系統由1:2000安匝等安匝法電流母排、大功率直流恒流源、標準電流表構成，通過直接比較光纖電流傳感器讀數和標準表換算讀數對傳感器進行量值比對。

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的不準確以及標準器對等效安匝電流和實際電流的響應不同帶來的不確定度；研究等安匝法電流母排匝數校準實驗方法，研究建立圖1所示的匝數校準實驗系統。

圖1  匝數校準實驗系統

通過標準表監測直流大電流恒流功率源的輸出配合已知匝數的母排線圈輸出安匝數為N*I的等效電流，而另一側通過直流大電流恒流標準源反向輸出與上述安匝數等效的直流電流，通過比較儀測出差值。進一步編寫基于上述方法的云南省直流電流現場量值傳遞地方計量技術規范。

計量服務模式：對企業在現場安裝的直流傳感器或測試系統，需要校準測試時將安匝法電流母排匝數校準設備安裝到現場，不停電進行直流大電流現場技術校準，依據上述方法進行在線校準測試，對配套的二次儀表，在檢修時對二次儀表進行校準。優點：可以實時在線進行校準測試滿足企業實際需求，有利于成果推廣。缺點：無法實時獲取在線運行信息和運行日志只能進行單次校準測試。

圖2  馳宏40kA現場測試

3.下一代計量技術服務模式

下一代將會結合前面兩種方式，現場進行模塊化設計，使用可在線安裝的強功率直流測量系統實時監測，利用在線測試方式進行量值比對和傳遞，進一步研究完善量值傳遞機制更好的服務企業。

四、項目取得成效

長期以來，由于缺乏準確、完善可靠的在線計量/監測裝備，我國眾多的電冶、電化等高能耗企業整流系統的能源特別是直流電耗計量一直處于較低水平。國家、行業缺乏對整流設備運行狀況、產品單耗等生產指標做出客觀準確評價和實施監督的有效手段。強功率整流系統電能測控技術在電冶中的應用，為電冶、電化類企業完善能源計量裝備，強化生產部門間能源管理協調，健全能源計量/管理長效機制，促進節能降耗和提質增效提供了技術支持；為節能監管等部門提供了對電冶、電化類高耗能企業節能降耗評價的技術手段。

圖3  曲靖東源鋁業現場測試

  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；2015年至今，在東源鋁業公司、云南馳宏永昌鉛鋅礦、云南馳宏曲靖分公司、云南鋁業股份有限公司，按照第二代推廣方案進行了多次現場在線技術服務，為企業解決了急需解決的問題。