電機系統用電節電合理化研究

2014-12-23 14:00 來源:未知 打印 掃碼手機看
何培育 
(冶金工業規劃研究院,北京 100711)
摘要:電機系統節能作為十大節能工程之一。比較復雜的系統包括電動機的調速與控制裝置、電動機、轉動器、被拖動設備和介質的輸送管網。一般用于風機、水泵傳動的低壓電動機數量多,采用變頻調速節能效果顯著;而高壓電動機雖然數量少,但由于高壓電動機單機容量大,一般都在數百、數千千瓦,故節能潛力更大。
關鍵詞:電機系統、節能措施、調速節電
一、電機系統節電研究
(一)電機系統節電政策
“十一五”期間,國家發改委等部門聯合發布《“十一五”十大重點節能工程實施意見》,把電機系統節能列為十大節能工程之一,并提出通過制修訂一系列電機有關能效標準來完善電機系統節能工程的配套措施。積極引導企業更新改造低效電機,對大中型變工況電機系統進行調速改造,對電機系統被拖動設備進行節能改造。2013年6月份,工業和信息化部、國家質檢總局聯合印發了《關于組織實施電機能效提升計劃(2013-2015年)的通知》,擬用3年時間,通過政策引導、標準約束、監督檢查等手段以及市場化機制,從電機生產、應用及回收再制造領域全面提升電機能效,促進電機產業轉型升級。
電機系統包括電動機、被拖動裝置、傳動控制系統及管網負荷。因此可以認為,最簡單的電機系統是將電能通過電動機轉換成動能,包括電動機的控制裝置和電動機,比較復雜的系統包括電動機的調速與控制裝置、電動機、轉動器、被拖動設備和介質的輸送管網運行工況的匹配。
(二)電機系統節電潛力及主要措施
1. 電機系統節電潛力
全國現有的各類電機系統裝機保有容量約17億千瓦。整個電機系統用電量約占全國用電量的60%以上。其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。然而與國外先進水平相比,制造技術和工藝有差距;電機傳動調速及系統控制技術差距較大。因此,我國在提高電機系統效率,加強系統節能管理方面有著巨大的節能潛力。當中國電機系統的運行效率提高到國際先進水平時,每年可節約用電大約1500億千瓦時。企業電機系統存在的主要問題是:電動機及被拖動設備效率低,電動機、風機、泵類等設備陳舊;系統匹配不合理,“大馬拉小車”現象嚴重;系統調節方式落后,較大部分風機、泵類采用機械節流方式調節。冶金企業重點改造領域為:鼓風機、除塵風機、冷卻水泵、加熱爐風機、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁調速。除塵系統自動化控制及風機調速。
2. 電機系統節電主要內容措施
⑴ 更新淘汰低效電動機及高耗電設備:推廣高效節能電動機、稀土永磁電動機,高效風機、泵、壓縮機,高效傳動系統等。以及風機、泵類系統的更新改造及定流量系統的合理匹配。
⑵ 提高電機系統效率:推廣變頻調速、永磁調速等先進電機調速技術,改善風機、泵類電機系統調節方式,逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式。合理匹配電機系統,消除“大馬拉小車”現象。
⑶ 被拖動裝置控制和設備改造:以先進的電力電子技術傳動方式改造傳統的機械傳動方式,逐步采用交流調速取代直流調速,采用高新技術改造拖動裝置等。
⑷ 優化電機系統的運行和控制:推廣軟啟動裝置、無功補償裝置、計算機自動控制系統等,通過過程控制合理配置能量,實現系統經濟運行。
3. 電能轉換為機械能的合理化
⑴電動機類型應在滿足電動機安全、起動、制動、調速等方面要求的情況下,合理選擇節能型電機。
⑵恒速負荷連續運行,功率在250kW及以上,宜采用同步電動機。功率在200kW及以上,宜采用高壓電動機。
⑶除特殊負載需要外,一般不宜選用直流電動機。對交流電機采用變頻調速與直流機調速相比,具有更高的效率和更大的轉動慣量,同時具有維護方便,總體造價低的優勢;不僅可以實現平滑無級調速,而且快速性能好,功率因數高。
⑷電動機功率選擇,應根據負載特性和運行要求合理選擇,使電動機工作在經濟運行范圍內。
⑸當異步電動機采取更換、改造或調壓節電措施時,需經綜合功率與節約功率計算及起動轉距、過載能力的校驗后,在滿足機械負載要求的條件下、使電動機工作在經濟運行范圍內。
⑹對機械負載經常變化的電氣傳動系統,應采用調速運行的方式加以調節。調速運行的方式選擇,應根據系統的特點和條件,通過安全、技術、經濟、運行維護等方面綜合經濟分析比較后確定。
⑺在安全、經濟合理的條件下,對異步電動機采取就地補償無功,提高功率因素,降低線損,達到經濟運行。
⑻功率在50kW及以上的電動機,應單獨配置電壓表,電流表、有功電能表等計量儀表,以便監測與計量電動機運行中的有關參數。
⑼對交流電氣傳動系統,應在滿足工藝要求、生產和運行可靠前提下,通過科學管理及技術改進,使電氣傳動系統中的設備、管網及負載相匹配,達到系統經濟運行,提高系統電能利用率。
二、高壓除塵風機改用變頻調速案例分析
對交流電機采用變頻調速與直流電機調速相比,具有更高的效率和更大的轉動慣量,同時具有維護方便,總體造價低的優勢;不僅可以實現平滑無級調速,而且快速性能好,功率因數高,電機功率消耗隨工況負載大小同步變化,適用于風機、水泵、軋機、磨機、轉爐傾動等各種低速大力矩傳動場合。風機、水泵的風量、水量按工藝要求是需要不斷調節的,甚至調節范圍很大。傳統的風量調節是通過改變擋板的開度來實現的,電機總是處于全速運行狀態,因此這種方法存在嚴重的節流損耗,其缺點是電能損耗大、易損設備。
根據電機學的原理,只要改變電機的運行頻率,就可調整電機的轉速。風機(或水泵)在運行中有三個互相關聯的重要參數:風量(水量)、風壓(水壓)及軸功率。這三個參數都與電動機的轉速有關:風量(水量)與轉速成正比、風壓(水壓)與轉速的平方成正比、而軸功率與轉速的立方成正比,因此變頻調速的節電效果是非常顯著的。一般用于風機、水泵傳動的低壓電動機數量多、調速節能效果顯著應用廣泛;鋼鐵企業高壓電動機數量也不少、單機容量大,一般在數百、數千千瓦,故節能潛力也具有廣闊的空間。
我院完成的某鋼鐵廠節能項目,轉爐用高壓除塵風機液力偶合器控制改用變頻器調節的應用和效益分析。
1.轉爐除塵風機工藝要求
轉爐冶煉吹氧伴隨除塵風機工作的工藝周期如下圖所示:

O到B為冶煉前期準備,除塵風機升速時間,可以短時調節。
B到C為冶煉吹氧時間,除塵風機進入高速運行。
C到D為倒爐測溫取樣時間,除塵風機開始減速。
D到E為出鋼時間,除塵風機維持低速運行。
E到F為濺渣護爐時間,除塵風機維持低速運行
冶金轉爐冶煉周期時間約為30分鐘,B到C吹氧冶煉時間為13分鐘,此時冶煉環境較差粉塵多,轉爐用高壓除塵風機需大風量全速運行除塵, 其余17分鐘為非冶煉時間,生產準備和冶煉結束出鋼時間粉塵小,可維持低風量運行節約電能。
2. 轉爐用除塵風機現狀
現狀兩臺轉爐配有三臺風機,正常兩臺工作一臺備用,風機的運行周期為兩個月,循環使用。電機型號:YKK5602-4  1400KW  6KV。目前在轉爐風機和驅動電機之間設有液力耦合器,但因頻繁調節液力耦合器自身震動較大,亦破壞風機轉子平衡運行不穩定。目前液力耦合器僅起到彈性連軸器作用,未能用于調速功能,不進行吹氧冶煉階段風機仍處于高速運轉,造成電能極大浪費。
3. 系統改造方案
通過對原系統的研究和存在的問題進行分析,采用變頻調節方式對除塵系統進行改造是最佳選擇。高速時間(B到C)13分鐘,高速頻率定為45-50Hz,低速定為15Hz (以上參數具體數值可根據現場情況調整)。
在滿足結構合理、保證安全可靠的運行要求,節省項目初期投資的原則下,利用原主回路系統,選擇兩臺變頻器任意轉換控制三臺風機并互為備用;對系統進行方案改造設計后其電氣主回路及原理見下圖:

4. 電氣主回路及控制原理
1)主回路系統
新增加變頻器高壓電源仍引自原有6kV系統,為此需在原有電氣室6kV高壓柜旁新上2臺6kV高壓開關柜,內裝真空斷路器。為了提高運行的可靠性,現有工頻系統仍然保留,為了安全作為變頻系統的旁路系統。為實現變頻與工頻狀態的切換,需要增加9個隔離開關三臺隔離開關柜,每個隔離開關柜內裝3個隔離開關(11QS、12QS、13QS;21QS、22QS、23QS;31QS、32QS、33QS)新上2臺變頻器可以對三臺除塵風機電機中任意一臺進行起動或調速。
2)聯鎖操作系統
由于2臺變頻器對應3臺除塵風機電機,電氣接線系統較為復雜,為了避免誤操作,隔離開關間加裝機械聯鎖裝置,并且通過電磁鎖使之與相關的斷路器之間具備電氣聯鎖要求。
1M、2M風機允許變頻運行允許操作條件:
1QF、2QF、11QF、21QF、31QF全部OFF
11QS OFF,12QS OFF,13QS ON,21QS OFF,22QS ON,23QS OFF,32QS OFF,33QS OFF,1M、2M風機變頻運行條件滿足,允許合1QF、2QF。
如2M或3M風機要運行時,也需滿足隔離開關操作條件及允許變頻運行條件后才能啟動變頻運行。
11QF、21QF、31QF、1QF、2QF自動開關中有一個(或以上)ON時,九個隔離開關全部鎖住不允許操作。開關之間的互相聯鎖的邏輯控制由PLC完成。
5. 轉爐用除塵風機改用變頻調節的節電分析:
轉爐冶煉吹氧時所需大風量為84760立方米,其余時間可維持小風量為39760立方米。
原液力耦合器系統在高速時所耗功率:
P=√3×6×90×0.88=837kW ----------------(1)
改用變頻器在控制大風量高速時所耗功率:
P=837×0.9/0.96=785kW ------------------(2)
變頻器在控制小風量低速時所耗功率:
P=785×(39760/84760)3=81kW -----------(3)
( 1式中6為6 kV、90為90千安培、0.88為 Cosφ;2式中0.9/0.96為液力耦合器與變頻器效率比;3式中(39760/84760)3 為除塵風機高低風量(轉速)比,從3式結果可見變頻器在小風量低速時所耗功率比大風量高速時所耗功率近十倍下降。)
按年工作8000小時計,則每臺變頻器與液力耦合器比較年節電:(837-785)×8000×13/30 +(837-81)×8000×17/30=360×104kWh。
6. 綜合效益:
項目改造后兩臺除塵風機合計年節電720×104kWh,直接節電經濟效益396萬元(電費按0.55元/kWh)。項目總投資480萬元,投資回收期僅1.2年。而且采用變頻器以后,電機的啟動方式為軟啟動,避免了大功率電動機啟動時的沖擊力矩對電機的損壞;減少了電機啟動時的大電流對電機絕緣的損害,減緩了絕緣老化的速度,可以大大延長電機的使用壽命。延長了電機的檢修期,減輕了檢修維護人員的維護工作量,減少電機的檢修費用。在低速期大大減輕了粉塵對管道和擋板的沖蝕,延長了管道和擋板的檢修周期。延長了管道和擋板的檢修期,減輕了檢修維護人員的維護工作量,減少檢修費用。消除了對電網的沖擊,可提高電機運行的功率因素達到0.95。
結束語:面臨我國能源資源短缺、電力供應緊張、交通運力不足、環境污染嚴重的壓力和困擾,重視節電工作,提高電能的有效利用,加強電力需求側管理,不僅是有效應對當前電力供需緊張的應急措施;更是挖掘電力使用二次潛在資源的具體實踐,是解決電力新增需求最最潔凈、經濟的合理選擇,是按最小成本投資綜合規劃的觀念轉變,是能源開發與節約并重的重要舉措,是使得生產企業、國家、社會,多贏的最佳途徑。
目前,采用變頻器對交流電機進行變速驅動在工業控制上已經得到了普遍應用,特別是對風機、水泵類平方轉距負載,由于功率是與轉速的立方成正比,因此,取代閥門或擋板調節流量是最佳的節能控制方案。在許多大型工業企業高壓電動機驅動的風機、水泵類負荷也較普遍,從用電容量上占比也較大,采用高壓變頻調速節電還有較廣泛推廣空間。
三、作者簡介
何培育(1953—),男,高級工程師 電機工程學會會員,曾任河北省電機工程學會用電節電專委會第3-5屆委員,河北省電機工程學會第四屆理事會理事。主要從事:企業的電力規劃與節電研究工作。
 
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