李超　盧強(qiáng)　郭萌　趙勇　谷佳琪

（首都航天機(jī)械公司北京100076）

換熱站動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的效益分析

李超盧強(qiáng)郭萌趙勇谷佳琪

（首都航天機(jī)械公司北京100076）

換熱站動(dòng)力系統(tǒng)作為供暖的主要能耗設(shè)備，能耗量非常大，本文通過對(duì)變頻技術(shù)原理及高效電機(jī)原理的介紹，分析了換熱站動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，并介紹了節(jié)能改造的過程，通過對(duì)改造后節(jié)能量及節(jié)約效益的分析，得出變頻技術(shù)及高校電機(jī)企業(yè)有很大的節(jié)能空間。

換熱站；變頻技術(shù)；高效電機(jī)；節(jié)能

現(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域風(fēng)機(jī)、水泵的用電量占全國(guó)總用電量的30%，是主要耗能的通用機(jī)械。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)有70%的風(fēng)機(jī)、85%的水泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。低效設(shè)備或高效設(shè)備低效運(yùn)行十分普遍。

因此，從運(yùn)行觀點(diǎn)看，在動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域負(fù)載傳動(dòng)系統(tǒng)中采用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，系統(tǒng)效率可提高20%～30%。另外，從設(shè)備角度看，電機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)的主要能耗和動(dòng)力設(shè)備，采用新型電機(jī)設(shè)計(jì)、新工藝及新材，可調(diào)高電機(jī)效率3%～5%。

1變頻技術(shù)原理介紹

流體機(jī)械按生產(chǎn)和工藝要求，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，調(diào)節(jié)的方法一般有兩種：（1）不調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用擋板遮擋閥門或放空的辦法來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量；（2）不調(diào)節(jié)擋板閥門的開度，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量的目的，在要求相同流量的條件下，上述兩種解決方法的功率消耗是不相同的。

對(duì)于第一種方法，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，所以在風(fēng)量或流量調(diào)節(jié)前后，電機(jī)所消耗的功率基本不變。

對(duì)于第二種方法，情況則有所不同，由于流體機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化與流量、揚(yáng)程（壓力）和功率之間有如下關(guān)系：

式中，Q、F、P分別表示轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量、揚(yáng)程（壓力）、功率；Q1、F1、P1分別表示轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的流量、揚(yáng)程（壓力）、功率。

由式（1）可知，流體機(jī)械負(fù)載的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程（壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。所以當(dāng)流量需要改變時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便能達(dá)到目的，但是所需功率以近似流量的三次方大幅度下降。

2高效節(jié)能電機(jī)原理介紹

高效節(jié)能電機(jī)，主要是采用新型電機(jī)設(shè)計(jì)、新工藝和新材料，通過降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提高電機(jī)輸出效率。

提高電機(jī)的效率主要是降低電機(jī)的五種損耗，即定子繞組損耗、轉(zhuǎn)子繞組損耗、鐵心損耗、風(fēng)摩損耗及雜散損耗。因此，提高電機(jī)效率主要從減少損耗入手，高效節(jié)能電機(jī)對(duì)降低五種損耗的主要措施有：（1）使用磁性槽楔，使磁性槽楔使氣隙密度分布趨于均勻，減少空載電流，提高功率因數(shù)；（2）降低鐵心損耗，；（3）增加轉(zhuǎn)子和定子的有效材料用量，改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)，增加銅線的截面，減少銅耗，提高制造精度，降低雜質(zhì)損耗；（4）降低機(jī)械損耗，（5）降低雜散損耗。

高效節(jié)能電機(jī)的比普通電機(jī)節(jié)能效果有明顯的提高，一般情況下電機(jī)輸出效率平均可提高3%～5%，總損耗比普通系列電機(jī)降低20%以上，節(jié)約電量消耗能15%左右，并且隨著高效節(jié)能電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約電量效果越明顯。

3換熱站系統(tǒng)節(jié)能改造

3.1換熱站系統(tǒng)動(dòng)力運(yùn)行現(xiàn)狀

公司換熱站系統(tǒng)原有2臺(tái)315kW的6kV中壓循環(huán)水泵，運(yùn)行狀態(tài)一用一備，工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，每年運(yùn)行時(shí)間為145天。

換熱站循環(huán)水泵，靠調(diào)節(jié)出口或入口閘閥方式來進(jìn)行，人為增加管網(wǎng)阻力達(dá)到變化流量和壓力的目的。在控制過程中，流程阻力損失增加，葉片轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)輸入功率并無減少，而是白白地?fù)p失在調(diào)節(jié)過程中。水泵長(zhǎng)期處于高速、滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，因此維護(hù)工作量大，設(shè)備壽命低，并且運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲大，影響環(huán)境。

3.2換熱站動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能改造實(shí)施

將原來6kV的中壓供電系統(tǒng)改為380V的低壓供電系統(tǒng)，原2臺(tái)315kW的循環(huán)水泵改造為3臺(tái)132kW的循環(huán)水泵，管道系統(tǒng)一并改造，改造后系統(tǒng)圖見圖1，改造后可達(dá)如下效果：循環(huán)水泵效率由原來的80%提高到86%；改造后的電機(jī)選用可達(dá)能效二級(jí)的超高效電機(jī)；電機(jī)系統(tǒng)加裝變頻裝置，并在變頻控制柜加裝進(jìn)、出線電抗及濾波裝置，減少對(duì)電網(wǎng)的污染；改造后可減少管網(wǎng)的阻力，系統(tǒng)效率提高。

3.3改造后自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

改造后的控制系統(tǒng)采用變頻+工頻控制，工頻控制加裝軟啟，以便平穩(wěn)啟動(dòng)，變頻控制通過水泵進(jìn)出口壓差進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。變頻器拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，應(yīng)確保水泵供水量一定水泵進(jìn)出口壓差一定，以滿足供水的需求。當(dāng)供水水量增加或者減少時(shí)，通過壓力傳感器將信號(hào)傳給變頻器，變頻器通過PID調(diào)節(jié)輸出頻率，隨之改變水泵轉(zhuǎn)速，從而改變供水流量，以確保管網(wǎng)壓差和水量維持在在設(shè)定范圍內(nèi)。改造后控制系統(tǒng)圖見圖2。

圖1換熱站動(dòng)力系統(tǒng)改造后管道系統(tǒng)圖

圖2換熱站動(dòng)力系統(tǒng)改造后控制系統(tǒng)圖

4應(yīng)用效果分析

4.1節(jié)能量計(jì)算

改造前系統(tǒng)運(yùn)行為1臺(tái)315kW水泵運(yùn)行，改造后為2臺(tái)132kW的電機(jī)運(yùn)行，可節(jié)省用電負(fù)荷51kW，改造后電機(jī)平均頻率為46.1 Hz，根據(jù)調(diào)速節(jié)電原理的理論節(jié)電負(fù)荷計(jì)算公式：

式中：ΔP表示節(jié)電負(fù)荷，P1表示運(yùn)行時(shí)電機(jī)額度功率；f1表示改造前電機(jī)輸出平均頻率為；f2表示改造后電機(jī)輸出平均頻率。

根據(jù)式（2）可計(jì)算出節(jié)電負(fù)荷為57kW，所以換熱站動(dòng)力系統(tǒng)可節(jié)省用電負(fù)荷為電機(jī)永久性轉(zhuǎn)移負(fù)荷與變頻節(jié)電負(fù)荷之和，共計(jì)108kW。由于采用高效電比普通電機(jī)可提高效率2%左右，可節(jié)省用電負(fù)荷5.3kW。改造后，每年可節(jié)約用電負(fù)荷113.3 kW該換熱站系統(tǒng)每年運(yùn)行145天，每天運(yùn)行24h，所以年節(jié)電量為394284 kW，節(jié)電率達(dá)36%。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

通過對(duì)改造前后節(jié)電量的分析，可知節(jié)能潛力較大，目前我公司執(zhí)行電費(fèi)單價(jià)為1.47元/kw·h，所以每年可節(jié)省費(fèi)用67.96萬元，該項(xiàng)目總投資130萬元，預(yù)計(jì)2.24年左右可回收成本。

4.3無形效果

（1）采用兩臺(tái)水泵替代一臺(tái)水泵運(yùn)行，安全性能更好，使供暖工作更加有保障。（2）加裝變頻裝置后，電機(jī)可以在零速、零電壓的情況下啟動(dòng)，從而降低啟動(dòng)電流，提高電機(jī)繞組的承受力，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。（3）水泵低速運(yùn)行，可以減少機(jī)件磨損、震顫，延長(zhǎng)水泵的使用壽命。（4）采用變頻調(diào)速后，可降低環(huán)境噪音，對(duì)減少職工勞動(dòng)強(qiáng)度也有積極的作用。

5結(jié)語

推廣使用高效電機(jī)和變頻技術(shù)對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的節(jié)能減排具有重要意義，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)和高效電機(jī)將廣泛地應(yīng)用于流體機(jī)械領(lǐng)域。通過對(duì)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)改造，可有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，有利于改善環(huán)境，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，這對(duì)于公司貫徹國(guó)家節(jié)能減排政策，減少公司經(jīng)營(yíng)成本，提高公司經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

[1]陸耀慶.供熱通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987.

[2]徐海.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[3]GBT 21056-2007風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載變頻調(diào)速節(jié)電傳動(dòng)系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)條件.[S].國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2007.

[4]李孟波.淺談高效節(jié)能電機(jī)在電廠中的應(yīng)用.電源技術(shù)應(yīng)用, 2013(02).

李超（198—），男，山西臨汾人，碩士研究生，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）熱能工程，工程師，研究方向：節(jié)能技術(shù)。