空压系统在线节能诊断技术服务示范项目

一、 云南省计量测试技术研究院简介

云南省计量测试技术研究院隶属于云南省市场监督管理局，是省级国家法定计量技术机构、省级科研单位。目前，该院已建立云南省各等级社会公用计量标准189项。该院先后承担国家级重大科研项目、云南省科技攻关项目26项，获国家和省部科技进步奖43项。尤其是，1999年该院“强功率交、直流电能在线综合测试技术”荣获国家科技进步二等奖，2013年该院与中国计量科学研究院联合申报的“国家直流大电流计量标准研究建立与应用”项目荣获国家科技进步二等奖。2018年我院荣获2项云南省科技进步三等奖、1项中国电力企业联合会技术类一等奖。现共有专利28项，其中外观设计专利4项、实用新型专利16项、发明专利8项。成果产品已广泛应用于计量、电力、冶金、化工、国防、科研等各行各业。现已获批建立“国家城市能源计量中心（云南）”、“云南省计量产品质量监督检验中心”。被原国家质检总局认定为“国家质检科技成果转化推广基地”，被云南省人民政府认定为“云南省高层次人才创新创业示范基地”。

二、项目实施背景

有色金属冶炼（如电解铜、电锌、电锡、电铅、电解铝）、氯碱化工（如电解盐）等电化学企业，是我国的基础工业，无一例外都是电能源主要消耗企业。这些企业生产过程中，都需要使用大功率的整流设备，将电网供给的交流电能转换为直流电能；各种金属和化工品的萃取（提纯）、电解和电离、生产过程工艺控制、产品质量产量提高、能源消耗统计都与整流系统的各参量及交直流电能的准确计量、适时调节/控制有关；然而工业现场测量，量程跨度大，从几万安培到十几万甚至几十万安培，工作环境的磁场、电气干扰各不相同；从上世纪80年代开始，一直没能解决电冶等企业在线能源消耗统计与整流系统的各参量及交直流电能的准确计量的技术难题；无法保证检测统计数据的准确可靠，精确指导生产。

我院自2001年起开始立项研制成套在线长期运行的实时计量/监控装置，2005年实现了成果从实验室到工业现场的转化。2013年起进一步组织开展基于柔性全光纤的在线直流大电流测量方法研究，研究应用最大电流量程为500kA的直流大电流柔性光纤传感器在不停机的状态下现场进行直流电流比对测试。（10～400）kA直流电流主要的应用是冶金行业，云南省是中国的有色金属大省，有很多有色金属冶炼企业，这些企业应用直流大电流电冶技术进行有色金属的冶炼，而在现场的直流电流传感器除了进行了出厂测试之外并没有方法进行量值传递，无法判断现场安装的直流电流传感器是否准确可靠。

三、具体创新措施

1.第一代的计量技术和服务模式

早期研制的第一代“计量/管理装置”主要由交流互感器（包括交流电压、电流互感器，可用整流系统提供的）、直流变换器（包括分机组的计量/检测变换器,汇流母排变换器）；交流多功能计量/传输仪表；直流多功能计量/传输仪表；电解厂电调室显示仪表；远距离通讯驱动器、程控计算机（含显示屏）及计量装置程控/管理软件构成。

计量服务模式：一次性现场安装调试系统，定期以现场计量技术服务的方式比对现场传感器同时对二次仪表进行校准。优点：现场传感器准确度高，可以实时监测现场状态，有利于企业指导生产。缺点：系统构成环节较多，维护需要停机断电，量值比对也需要在停机维护的期间进行，不利于推广应用。 

2.第二代的计量技术和服务模式

利用研制的特殊螺旋高双折射保椭圆全光纤在线电流测试装置，建立实验室到现场直流电流量值传递系统，研制实验室用等安匝法直流大电流母排，建立如下图所示的实验室直流电流量值传递系统和现场传递系统。实验室传递系统由1:2000安匝等安匝法电流母排、大功率直流恒流源、标准电流表构成，通过直接比较光纤电流传感器读数和标准表换算读数对传感器进行量值比对。

分析上述量值传递方法，在传递过程中可能存在的较大的不确定度分量有：等安匝法安匝数电流模型和实际真实电流之间存在的不确定度，这部分不确定度分量主要由匝数的不准确以及标准器对等效安匝电流和实际电流的响应不同带来的不确定度；研究等安匝法电流母排匝数校准实验方法，研究建立图1所示的匝数校准实验系统。

图1  匝数校准实验系统

通过标准表监测直流大电流恒流功率源的输出配合已知匝数的母排线圈输出安匝数为N*I的等效电流，而另一侧通过直流大电流恒流标准源反向输出与上述安匝数等效的直流电流，通过比较仪测出差值。进一步编写基于上述方法的云南省直流电流现场量值传递地方计量技术规范。

计量服务模式：对企业在现场安装的直流传感器或测试系统，需要校准测试时将安匝法电流母排匝数校准设备安装到现场，不停电进行直流大电流现场技术校准，依据上述方法进行在线校准测试，对配套的二次仪表，在检修时对二次仪表进行校准。优点：可以实时在线进行校准测试满足企业实际需求，有利于成果推广。缺点：无法实时获取在线运行信息和运行日志只能进行单次校准测试。

图2  驰宏40kA现场测试

3.下一代计量技术服务模式

下一代将会结合前面两种方式，现场进行模块化设计，使用可在线安装的强功率直流测量系统实时监测，利用在线测试方式进行量值比对和传递，进一步研究完善量值传递机制更好的服务企业。

四、项目取得成效

长期以来，由于缺乏准确、完善可靠的在线计量/监测装备，我国众多的电冶、电化等高能耗企业整流系统的能源特别是直流电耗计量一直处于较低水平。国家、行业缺乏对整流设备运行状况、产品单耗等生产指标做出客观准确评价和实施监督的有效手段。强功率整流系统电能测控技术在电冶中的应用，为电冶、电化类企业完善能源计量装备，强化生产部门间能源管理协调，健全能源计量/管理长效机制，促进节能降耗和提质增效提供了技术支持；为节能监管等部门提供了对电冶、电化类高耗能企业节能降耗评价的技术手段。

图3  曲靖东源铝业现场测试

  2004年-2009年，在云南驰宏公司石咀分厂、云南驰宏公司曲靖分厂、云南祥云股份有限公司，按照第一代推广方案推广建立了整流效率测试系统；2015年至今，在东源铝业公司、云南驰宏永昌铅锌矿、云南驰宏曲靖分公司、云南铝业股份有限公司，按照第二代推广方案进行了多次现场在线技术服务，为企业解决了急需解决的问题。