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[摘 要]电力行业中,如何降低厂用电率一直是一个难题。我国的厂用电率明显高于发达国家,特别是随着国民经济的发展,新建成投产了一大批大型机组,总装机容量不断提高,电网供电容量出现富裕,部分机组负荷偏低或长期变负荷运行,加上近年来煤价上涨,降低厂用电率就成了提高电厂经济效益的重要因素。而厂用电的70%左右都是消耗在泵与风机上(假定全部由电机驱动),所以对泵与风机的节能改造可以取得立竿见影的效果。
[关键词]热电厂;变频改造;风机
[中图分类号]TM621.2 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432(2009)31-0023-02
改革开放以来,我国工业总产值不断提高,但是能耗比不断增大,据不完全统计,我国每年用电量的70%消耗在电动机上。我国电机整体运行状况跟发达国家比有很大差距,机组效率75%左右,比发达国家低10%。整体效率30%~40%,比发达国家低20%~30%。大量工业设备中,仍采用交流电动机恒速传动的方案运行,比如风机的调节主要采用风门挡板开度和开关风门的方式,运行状态改变,电动机功率仍然不变,白白浪费了很多的能量。
近年来,随着国家倡导节能减排和电子技术的创新,变频技术作为一种新兴的节能技术被广泛应用于各行各业并取得了良好的效果。
江苏吴江中国东方丝绸市场股份有限公司盛泽热电厂地处素有“日出万匹,衣被天下”的丝绸之乡——盛泽,总装机容量超过5万千瓦时,拥有2台75T/H、5台100T/H锅炉。作为一家典型的地方热电厂,近年来由于周边热电厂的建设和一些高能耗企业的外迁,供热流量降低到250T/H左右,导致部分机组低负荷运行,由于盛泽镇纺织企业为主的热用户存在日夜供热量变化较大的现象,使机组长期变负荷运行,导致厂内配置的大量泵与风机不得不在低负荷下长期运行。由于近年来国产变频技术已经成熟并克服了成本过高的难度,加上燃料价格的上涨和建立循环经济的倡导,热电厂在2007年对厂里配备的数十台送引风机和各型泵进行的变频改造水到渠成。
一般情况下,很多人都用相似定律的比例率来计算风机、水泵变频调速的节电率。但是,实际中却没有这样的节能效果。由于相似定律是研究、设计风机本身的规律,它是就风机而论风机的定律。对于工作在管道系统中的风机必须视具体工况进行分析计算,由于风机的入口和出口风压是否为大气压,直接关系到风机的轴功率变化。因此,风机的节能计算不能照搬照抄相似定律,风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算,也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。本文以送引风机变频改造为例分析。
1 对变频改造的经济性分析
盛泽热电厂采用的是我国中小机组常用的高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因之一是风机的调速性能差,二是运行点偏离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%～10%,风压裕度分别为10%和10%～15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电厂锅炉送引风机的风量和风压富裕度达20%～30%是比较常见的。这就为风机的变频调速节能改造造就了巨大的潜力,即使在机组满负荷运行时,也有20%～30%的节电率。
日常运行中,由于热电厂的特点,外界负荷往往随着供热流量的起伏在变化着,当负荷变化时,锅炉的供风量也要变化。离心风机的供风调节方式主要通过开关风门、调整进风挡板来实现。这种方法属于节流调节,在节流过程中,风机特性曲线不变,转速不变,风门开度减小,管道阻力增大,阻力损失增大,而输入功率不变,能量就白白损失在节流过程了。这种节流损失一般占额定功率的30%。从风机使用的一般性经验可以知道:工频运行状态下,用风门(风阀)调节风量的风机在使用过程中的负荷在50%～80%波动;负荷越小风门(风阀)的节流损失就越大,风机效率也就越低。而改用变频器调速方式(即电机改变供电频率的方式)就几乎不存在风门的节流损失,同时变频装置对电动机可以采用软启动方式启动,不存在启动冲击电流,可提高系统的安全系数,减少了节流损失,变负荷下的理论最大节电率也达到了30%。
2 变频调节的原理
我们知道,交流电动机的同步转速表达式为:
n=60 f(1-s)/p(1)
式中:n——异步电动机的转速;
f——异步电动机的频率;
s——电动机转差率;
p——电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0～50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
根据流体力学的基本定律可知:
Q1/Q2=n1/n2(2)
H1/H2=(n1/n2)2(3)
P1/P2=(n1/n2)3(4)
根据流体流量与风机的转速关系式(2)可知,流量Q与风机或泵的转速n的一次方成正比;转矩M与转速n的二次方成正比(3);输出功率N与转速n的三次方成正比(4)。
由此可见,当负荷变化而风机转速降低时,则输出功率将按三次方递减,而变频调速器就能较好地解决这一问题,达到节能的目的。
3 直接经济效益分析
根据盛泽热电厂统计,至2007年4月26日,已全部完成5台100T/H锅炉引风机的高压变频改造。经过改造后引风机实现了软启动,变频运行时由于风机挡板全开,振动明显减小,运行电流有较大幅度降低。通过对改造前后实际运行数据的分析比较,锅炉引风机经高压变频后平均节电率达57.2%,按2006年全年引风机总耗电690万千瓦时计算,每年可节电395万千瓦时,节约生产成本160万元,实际投资回收期仅需要1.5年。
4 间接经济效益分析
用变频器启动电机,对电机、电缆、开关等无冲击电流(用工频启动时,启动电流是电机额定电流的6~7倍,经常造成电机、电缆、开关损坏,机组被迫减负荷或停机),设备健康水平大大提高,减少维护费用和违约电量造成的经济损失。这部分隐形的间接效益也是可观的,估计在10万~20万。
5 结 论
随着电厂对变频技术的研究和推广,我国的节能减排技术已经达到国际先进水平。中电联副秘书长王志轩称,中国电厂煤耗已经处于世界领先水平,2008年煤耗达到347克,燃煤和脱硫机组占整个机组的比例已超过60%。而2008年美国的煤耗是360克。这在很大程度上归功于新技术的推广和电厂管理水平的提高,但是,变频技术并不是万能药,还是有一定缺陷的。
(1)变频器特别是中、高压变频器初投资过高。
(2)电厂电价只能按成本电价或上网电价计算,电价相对较低。
(3)变频器的维护工作比较复杂,一旦发生故障,企业普通的电气维修人员一般很难处理。
但是,随着电子技术的发展,克服了以上的不足之处,变频技术在地方热电厂的应用将有越来越广泛的空间。
参考文献:
吴忠智,吴加林.变频器应用手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2002:57-115.
[收稿日期]2009-07-01
[作者简介]张望,男,2002年毕业于南京工程学院热能动力专业,助理工程师。
[关键词]热电厂;变频改造;风机
[中图分类号]TM621.2 [文献标识码]A [文章编号]1005-6432(2009)31-0023-02
改革开放以来,我国工业总产值不断提高,但是能耗比不断增大,据不完全统计,我国每年用电量的70%消耗在电动机上。我国电机整体运行状况跟发达国家比有很大差距,机组效率75%左右,比发达国家低10%。整体效率30%~40%,比发达国家低20%~30%。大量工业设备中,仍采用交流电动机恒速传动的方案运行,比如风机的调节主要采用风门挡板开度和开关风门的方式,运行状态改变,电动机功率仍然不变,白白浪费了很多的能量。
近年来,随着国家倡导节能减排和电子技术的创新,变频技术作为一种新兴的节能技术被广泛应用于各行各业并取得了良好的效果。
江苏吴江中国东方丝绸市场股份有限公司盛泽热电厂地处素有“日出万匹,衣被天下”的丝绸之乡——盛泽,总装机容量超过5万千瓦时,拥有2台75T/H、5台100T/H锅炉。作为一家典型的地方热电厂,近年来由于周边热电厂的建设和一些高能耗企业的外迁,供热流量降低到250T/H左右,导致部分机组低负荷运行,由于盛泽镇纺织企业为主的热用户存在日夜供热量变化较大的现象,使机组长期变负荷运行,导致厂内配置的大量泵与风机不得不在低负荷下长期运行。由于近年来国产变频技术已经成熟并克服了成本过高的难度,加上燃料价格的上涨和建立循环经济的倡导,热电厂在2007年对厂里配备的数十台送引风机和各型泵进行的变频改造水到渠成。
一般情况下,很多人都用相似定律的比例率来计算风机、水泵变频调速的节电率。但是,实际中却没有这样的节能效果。由于相似定律是研究、设计风机本身的规律,它是就风机而论风机的定律。对于工作在管道系统中的风机必须视具体工况进行分析计算,由于风机的入口和出口风压是否为大气压,直接关系到风机的轴功率变化。因此,风机的节能计算不能照搬照抄相似定律,风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算,也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。本文以送引风机变频改造为例分析。
1 对变频改造的经济性分析
盛泽热电厂采用的是我国中小机组常用的高效离心风机,但实际运行效率并不高,其主要原因之一是风机的调速性能差,二是运行点偏离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%～10%,风压裕度分别为10%和10%～15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电厂锅炉送引风机的风量和风压富裕度达20%～30%是比较常见的。这就为风机的变频调速节能改造造就了巨大的潜力,即使在机组满负荷运行时,也有20%～30%的节电率。
日常运行中,由于热电厂的特点,外界负荷往往随着供热流量的起伏在变化着,当负荷变化时,锅炉的供风量也要变化。离心风机的供风调节方式主要通过开关风门、调整进风挡板来实现。这种方法属于节流调节,在节流过程中,风机特性曲线不变,转速不变,风门开度减小,管道阻力增大,阻力损失增大,而输入功率不变,能量就白白损失在节流过程了。这种节流损失一般占额定功率的30%。从风机使用的一般性经验可以知道:工频运行状态下,用风门(风阀)调节风量的风机在使用过程中的负荷在50%～80%波动;负荷越小风门(风阀)的节流损失就越大,风机效率也就越低。而改用变频器调速方式(即电机改变供电频率的方式)就几乎不存在风门的节流损失,同时变频装置对电动机可以采用软启动方式启动,不存在启动冲击电流,可提高系统的安全系数,减少了节流损失,变负荷下的理论最大节电率也达到了30%。
2 变频调节的原理
我们知道,交流电动机的同步转速表达式为:
n=60 f(1-s)/p(1)
式中:n——异步电动机的转速;
f——异步电动机的频率;
s——电动机转差率;
p——电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0～50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
根据流体力学的基本定律可知:
Q1/Q2=n1/n2(2)
H1/H2=(n1/n2)2(3)
P1/P2=(n1/n2)3(4)
根据流体流量与风机的转速关系式(2)可知,流量Q与风机或泵的转速n的一次方成正比;转矩M与转速n的二次方成正比(3);输出功率N与转速n的三次方成正比(4)。
由此可见,当负荷变化而风机转速降低时,则输出功率将按三次方递减,而变频调速器就能较好地解决这一问题,达到节能的目的。
3 直接经济效益分析
根据盛泽热电厂统计,至2007年4月26日,已全部完成5台100T/H锅炉引风机的高压变频改造。经过改造后引风机实现了软启动,变频运行时由于风机挡板全开,振动明显减小,运行电流有较大幅度降低。通过对改造前后实际运行数据的分析比较,锅炉引风机经高压变频后平均节电率达57.2%,按2006年全年引风机总耗电690万千瓦时计算,每年可节电395万千瓦时,节约生产成本160万元,实际投资回收期仅需要1.5年。
4 间接经济效益分析
用变频器启动电机,对电机、电缆、开关等无冲击电流(用工频启动时,启动电流是电机额定电流的6~7倍,经常造成电机、电缆、开关损坏,机组被迫减负荷或停机),设备健康水平大大提高,减少维护费用和违约电量造成的经济损失。这部分隐形的间接效益也是可观的,估计在10万~20万。
5 结 论
随着电厂对变频技术的研究和推广,我国的节能减排技术已经达到国际先进水平。中电联副秘书长王志轩称,中国电厂煤耗已经处于世界领先水平,2008年煤耗达到347克,燃煤和脱硫机组占整个机组的比例已超过60%。而2008年美国的煤耗是360克。这在很大程度上归功于新技术的推广和电厂管理水平的提高,但是,变频技术并不是万能药,还是有一定缺陷的。
(1)变频器特别是中、高压变频器初投资过高。
(2)电厂电价只能按成本电价或上网电价计算,电价相对较低。
(3)变频器的维护工作比较复杂,一旦发生故障,企业普通的电气维修人员一般很难处理。
但是,随着电子技术的发展,克服了以上的不足之处,变频技术在地方热电厂的应用将有越来越广泛的空间。
参考文献:
吴忠智,吴加林.变频器应用手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2002:57-115.
[收稿日期]2009-07-01
[作者简介]张望,男,2002年毕业于南京工程学院热能动力专业,助理工程师。