換熱站動力系統節能技術改造的效益分析

李超　盧強　郭萌　趙勇　谷佳琪

（首都航天機械公司北京100076）

換熱站動力系統節能技術改造的效益分析

李超盧強郭萌趙勇谷佳琪

（首都航天機械公司北京100076）

換熱站動力系統作為供暖的主要能耗設備，能耗量非常大，本文通過對變頻技術原理及高效電機原理的介紹，分析了換熱站動力系統的運行現狀，并介紹了節能改造的過程，通過對改造后節能量及節約效益的分析，得出變頻技術及高校電機企業有很大的節能空間。

換熱站；變頻技術；高效電機；節能

現階段，我國工業領域風機、水泵的用電量占全國總用電量的30%，是主要耗能的通用機械。據調查，在我國有70%的風機、85%的水泵處于工頻運行狀態。低效設備或高效設備低效運行十分普遍。

因此，從運行觀點看，在動力機械領域負載傳動系統中采用電動機變頻調速技術，系統效率可提高20%～30%。另外，從設備角度看，電機作為風機、水泵系統的主要能耗和動力設備，采用新型電機設計、新工藝及新材，可調高電機效率3%～5%。

1變頻技術原理介紹

流體機械按生產和工藝要求，需要經常調節風量或流量，調節的方法一般有兩種：（1）不調節電機的轉速，利用擋板遮擋閥門或放空的辦法來調節風量或流量；（2）不調節擋板閥門的開度，通過調節電機的轉速來達到調節風量或流量的目的，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。

對于第一種方法，由于電機的轉速基本不變，所以在風量或流量調節前后，電機所消耗的功率基本不變。

對于第二種方法，情況則有所不同，由于流體機械的轉速變化與流量、揚程（壓力）和功率之間有如下關系：

式中，Q、F、P分別表示轉速為n時的流量、揚程（壓力）、功率；Q1、F1、P1分別表示轉速為n1時的流量、揚程（壓力）、功率。

由式（1）可知，流體機械負載的流量與轉速成正比，揚程（壓力）與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。所以當流量需要改變時，通過調節電機的轉速，便能達到目的，但是所需功率以近似流量的三次方大幅度下降。

2高效節能電機原理介紹

高效節能電機，主要是采用新型電機設計、新工藝和新材料，通過降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提高電機輸出效率。

提高電機的效率主要是降低電機的五種損耗，即定子繞組損耗、轉子繞組損耗、鐵心損耗、風摩損耗及雜散損耗。因此，提高電機效率主要從減少損耗入手，高效節能電機對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；（2）降低鐵心損耗，；（3）增加轉子和定子的有效材料用量，改進線圈結構，增加銅線的截面，減少銅耗，提高制造精度，降低雜質損耗；（4）降低機械損耗，（5）降低雜散損耗。

高效節能電機的比普通電機節能效果有明顯的提高，一般情況下電機輸出效率平均可提高3%～5%，總損耗比普通系列電機降低20%以上，節約電量消耗能15%左右，并且隨著高效節能電機的運行時間越長，節約電量效果越明顯。

3換熱站系統節能改造

3.1換熱站系統動力運行現狀

公司換熱站系統原有2臺315kW的6kV中壓循環水泵，運行狀態一用一備，工頻運轉，每年運行時間為145天。

換熱站循環水泵，靠調節出口或入口閘閥方式來進行，人為增加管網阻力達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，葉片轉速不變，電機輸入功率并無減少，而是白白地損失在調節過程中。水泵長期處于高速、滿負荷狀態下運行，因此維護工作量大，設備壽命低，并且運行現場噪聲大，影響環境。

3.2換熱站動力系統節能改造實施

將原來6kV的中壓供電系統改為380V的低壓供電系統，原2臺315kW的循環水泵改造為3臺132kW的循環水泵，管道系統一并改造，改造后系統圖見圖1，改造后可達如下效果：循環水泵效率由原來的80%提高到86%；改造后的電機選用可達能效二級的超高效電機；電機系統加裝變頻裝置，并在變頻控制柜加裝進、出線電抗及濾波裝置，減少對電網的污染；改造后可減少管網的阻力，系統效率提高。

3.3改造后自動控制的實現

改造后的控制系統采用變頻+工頻控制，工頻控制加裝軟啟，以便平穩啟動，變頻控制通過水泵進出口壓差進行控制調節。變頻器拖動電機進行調速時，應確保水泵供水量一定水泵進出口壓差一定，以滿足供水的需求。當供水水量增加或者減少時，通過壓力傳感器將信號傳給變頻器，變頻器通過PID調節輸出頻率，隨之改變水泵轉速，從而改變供水流量，以確保管網壓差和水量維持在在設定范圍內。改造后控制系統圖見圖2。

圖1換熱站動力系統改造后管道系統圖

圖2換熱站動力系統改造后控制系統圖

4應用效果分析

4.1節能量計算

改造前系統運行為1臺315kW水泵運行，改造后為2臺132kW的電機運行，可節省用電負荷51kW，改造后電機平均頻率為46.1 Hz，根據調速節電原理的理論節電負荷計算公式：

式中：ΔP表示節電負荷，P1表示運行時電機額度功率；f1表示改造前電機輸出平均頻率為；f2表示改造后電機輸出平均頻率。

根據式（2）可計算出節電負荷為57kW，所以換熱站動力系統可節省用電負荷為電機永久性轉移負荷與變頻節電負荷之和，共計108kW。由于采用高效電比普通電機可提高效率2%左右，可節省用電負荷5.3kW。改造后，每年可節約用電負荷113.3 kW該換熱站系統每年運行145天，每天運行24h，所以年節電量為394284 kW，節電率達36%。

4.2經濟效益分析

通過對改造前后節電量的分析，可知節能潛力較大，目前我公司執行電費單價為1.47元/kw·h，所以每年可節省費用67.96萬元，該項目總投資130萬元，預計2.24年左右可回收成本。

4.3無形效果

（1）采用兩臺水泵替代一臺水泵運行，安全性能更好，使供暖工作更加有保障。（2）加裝變頻裝置后，電機可以在零速、零電壓的情況下啟動，從而降低啟動電流，提高電機繞組的承受力，延長電機的使用壽命。（3）水泵低速運行，可以減少機件磨損、震顫，延長水泵的使用壽命。（4）采用變頻調速后，可降低環境噪音，對減少職工勞動強度也有積極的作用。

5結語

推廣使用高效電機和變頻技術對于我國當前的節能減排具有重要意義，隨著科學技術的發展，變頻調速技術和高效電機將廣泛地應用于流體機械領域。通過對電機動力系統改造，可有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，有利于改善環境，延長設備使用壽命，這對于公司貫徹國家節能減排政策，減少公司經營成本，提高公司經濟效益具有重要意義。

[1]陸耀慶.供熱通風設計手冊[M].北京中國建筑工業出版社,1987.

[2]徐海.變頻器原理及應用[M].北京：電子工業出版社,2011.

[3]GBT 21056-2007風機、泵類負載變頻調速節電傳動系統及其應用技術條件.[S].國家質量監督檢驗檢疫總局.中國國家標準化管理委員會,2007.

[4]李孟波.淺談高效節能電機在電廠中的應用.電源技術應用, 2013(02).

李超（198—），男，山西臨汾人，碩士研究生，2009年畢業于中國石油大學（北京）熱能工程，工程師，研究方向：節能技術。