浅谈热电厂电机节能降耗的途径
随着电气化和自动化程度的不断提高,对电动机的整体运行要求也越来越严格,尤其是在对电动机各种性能的选择上更是精细,它可以根据现场实际要求来选择不同种类、不同规格、不同型号的电动机来满足要求。而在众多的电动机产品当中,三相异步电动机有着广泛的应用空间,它将作为电动机的代表有着越来越重要的地位。笔者认为,异步电机的节能降耗主要涉及合理选择运行工况和如何进行节能降耗等应用问题,本文从七个方面来分析一下目前企业在电机节能方面所面临的一些问题,并从中摸索如何指导我厂热电项目经济运行的思路。
1 采用高效电动机
1.1 必要性
国家发展和改革委员会在2006年至2020年的《节能中长期专项规划》中将电机系统节能工程列为十大节能重点工程之一。规划指出,目前我国各类电动机总容量4.2亿千瓦,用电量约占全国用电量的60%、“十一五”期间要重点推广高效节能电动机等产品,使运行效率提高2个百分点,年节电200亿kWh。因此,开发我国的高效电动机是提高能源利用率的重要措施,符合我国经济发展的需要。大多数的发达国家包括美国、英国、德国、日本等,正在强有力地推动高效电动机的应用,正如他们所确信的那样,这样做能够节约能源、保护环境。在其他一些国家里,如加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亚、新西兰、印度等,也已经开始推广高效电动机。
1.2高效电机的特点及现状
根据相关研究部门统计数据可知,高效电动机较普通电机平均损耗减少30%,转矩平均高30%,体积平均缩小15%,重量平均减轻12%,高效电动机效率曲线较平坦,负载率大于40%以上时,效率变化很小。按照美国“ 全国电气设备制造商协会标准”(NEMA标准)规定,高效电动机要比标准电动机效率提高2%～ 6%,损耗下降20%～30%。美国通过1997年10月颁布的EPAct能源法案开始使“NEMA标准”作为最低能效标准。此外,美国还出现了超高效电动机NEMA Premium,效率高于“NEMA标准”电动机0.8～4%。“欧洲电动机和电力电子制造协会——欧盟能源组织协议”对每一个规格的电动机规定了高低两档效率指标。产品的效率值低于低指标的称为eff3电动机,介于低指标和高指标之间的称为eff2电动机(较高效率电机),高于高指标的称为eff1电动机(高效率电动机)。中国国家标准电动机的效率规定了三个指标,即:等级1、2、3。等级3为能效限定值,相当于欧洲eff2标准,等级2为节能评价值,相当于欧洲eff1标准。等级1是在等级2的基础上电动机损耗降低15%左右,效率最高。凡是达到节能价值的电动机可称为高效电动机。
1.3国产高效电机的选用
高效电动机YX、Y2-E两个系列与普通Y系列电动机相比,虽然制造的耗铜量、耗铝量、铁心的硅钢片消耗量增多,费用有所增加,但效率高出0.58%～1.7%。YX系列电动机是Y系列电动机的派生产品,其总损耗平均较Y系列下降20%～30%,效率提高约3%。该系列电动机起动转矩大、噪声小、振动小、温升低、寿命长,但价格比Y系列电动机约高30%。对年运行时间大于3000 h、负载率大于50%的情况,应选用YX系列高效电动机。高压异步电动机按照国家标准GB12497-1990《三相异步电动机经济运行》的要求,单台容量200 kW以下的选用低压电动机;容量200～355 kW之间的应进行技术经济分析后选用高压电动机或低压电动机;容量大于355KW的选用高压电动机。
2合理选择电动机功率和电压等级
(1)避免长时间空载运行,空载运行时,基波功率因数只有0.2～ 0.3,但吸取的无功功率约为满载的65%左右。
(2)平均负载率β应大于50%,70%≤β≤100%为最佳负载率。
(3)合理地选择电动机的电压等级:供电线路短:电网容量允许,负载小于300 kW的一般选用低压电动机;供电线路长,电网容量有限,负载大于500 kW的一般选用高压电动机。
(4)电压变化对异步电机性能的影响根据现场运行经验可总结如下(见表1)。三相感应电机运行经济性取决于输出功率与运行电压的合理配合。输出功率越小,经济运行电压越低。对于轻载运行的电机,适当降低运行电压可提高电机效率和
改善功率因数。
(5)当电动机负载率经常在40%以下,应选择定子绕组接线Δ /Y的自动切换。以100kW异步电动机为例,设每天有10 h负载率在40%以下,设负载率低于40%时平均负载率为30%,电动机绕组为Δ 接法,电动机平均效率为85%左右,功率因数为0.65左右。若在负载率低于40%时,将电动机绕组切换为Y接法,则平均负载率提高到90%,电动机平均效率提高到93%左右,功率因数提高到0.85左右。由于电动机效率的提高,每天节电1 0 0 × 0 . 3 × ( 0 . 9 3 - 0 . 8 5 ) ×10=24 kWh。
3.电动机调速节电
三相异步电动机机构简单,成本低,运行维护方便,因此它使用广泛,遍及各行各业的各个角落,在生产、生活过程中发挥着极其重要的作用。因此,选用经济、合理、高可靠性、高效的调速手段就能实现电动机正常运转。三相异步电动机可采用多种方式来实现调速。根据电机调速经典公式可知,调速方式大致可通过改变磁场极对数p,转差率S,电源频率f 都可以改变电动机的转速n。因此,其调速方法有变极调速,变转差率调速及变频调速三种。
3.1变极调速
变极调速是改变定子旋转磁场的极对数来实现调速,变极调速电动机其定子通常装有1～ 2套三相交流绕组,可获得2～ 4种成倍数的转速,只能有级调速,而且等级有限。因此,三相异步电动机本省调速性能差。但具有接线简单、控制方便、价格低;可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用,获得较高效率的平滑调速特性。该方法适用于不需要无级调速的生产机械,如金属切削机床、升降机等。
3.2变频调速方法
变频调速是通过改变定子电源频率来实现调速。变频器实质上是一种频率可调的交流电源装置,在工业领域中得到了广泛的应用。在水泥生产中,三相异步电动机变频调速逐步替代了直流电动机调速方式。目前国内大都使用交-直-交变频器,主要具有调速平滑,启动电流小,运行平稳;效率高,调速过程中没有附加损耗;应用范围广,可用于笼型异步电动机;调速范围大,特性硬,精度高;技术复杂,造价高,维护检修困难等特点。对于流量变化的离心式风机和泵类负载均具有转矩与转速的平方成正比、功率与转速的立方成正比的机械特性。当流量变化时,调节电动机的转速可使轴上功率大大减小,从而获得显著的节电效益。
当风量与转速下降到额定值的80%时,风机功率降低到额定功率的51%;当风量和转速下降到额定值的60%时,风机功率则降低到额定值的21%。对于变频器电压选择的问题,500 V以下小于300 kW的一般可选用低压变频器,3 kV以上大于500 kW一般选用高压变频器,300 kW～ 500 kW的,高、低压变频器都可以使用,低压电网短路容量大的可选低压变频,低压短路容量小的可选高压变频器。另外,变频器持续低于25 Hz运行时会导致冷却风扇风量不足,1/2转速运行,输出转矩降10%,1/3转速运行,输出转矩降20%;电磁噪声和高次谐波含量增大等不利影响。对于工作频率大于50 Hz;工作频率小于10 Hz,长期工作,负载较大;调速比大于10,且变化频繁;调速比较大,转动惯量大,工作周期短,正反交替要求实现能量回馈制动的工作方式建议使用变频调速电动机。
3.3变转差率调速
(1)绕线式异步电动机串电阻调速。
在绕线式电动机转子回路中通过滑环串接一只可变电阻器,增加转子电阻式转子电流减小,电动机的转矩也随之下降,同时也产生反转矩,当反转矩等于转矩时,电动机便以某一转速稳定运行,在串接不同的电阻,改变了转差率来达到调速的母的。绕线式转子串联电阻就是降低激磁电流,转速下降,只能降速,不能提速。此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速,机械特性较软。
(2)变定子电压调速。
当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时,在一定的转差率下,电动机的电磁转矩与加在其定子绕组上电压的平方(即输入电压)成正比,因此,改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系,从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点是线路简单,易实现自动控制;调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中,效率较低,一般适用于100 kW以下的生产机械。
(3)串级调速。
串级调速作为异步电动机十分经典的调速方法之一,长期以来人们进行了大量研究与实践。近年,随着电力电子技术和计算机控制技术的应用,串级调速技术产生飞跃的发展,在高压大中型电动机节能调速应用方面以其控制电压低、控制功率小,系统简单,运行可靠,节电率高而展现出光明的应用前景。传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电网连接。为了便于在转子回路中串入合适的附加电势,往往将转子交流整流成直流,在直流回路中串入可变直流电势来实现。装置将转子三相交流整流成直流并平波后,由有源逆变器提供串入的直流反电势同时将转子转差功率再逆变为工频交流,通过逆变变压器回馈至电网吸收。由于传统串级调速是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现对等效反电势的调节的。这种移相触发的方法存在着功率因数低及可靠性差的缺点。现代串级调速则把逆变角固定下来并设在最小值,产生一恒定的附加直流反电势,等效电势大小的调节由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率(即占空比或PWM调制脉宽),来改变串入转子回路的等效电势的大小,从而改变转子电流和转差率,达到调节电机转速的目的。现代串级调速技术具有调速范围宽,无级,平滑;具有良好的硬机械特性;电机转子侧施加控制,控制电压低,变流装置控制容量小,总控制容量仅为电机额定容量的14.815%;自身功耗小,谐波分量小,系统简单等突出的优点。
(4)电磁转差离合器调速。
电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小,通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成,改变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。运行时,电磁调速电机部分是全速运行的,输出轴部分是通过电磁调速器调节改变可控硅的导通角,使输出直流电压的高低被改变,即控制了滑差离合器(与输出轴相连)的激磁电流,滑差离合器的转速随着激磁电流(耦合)的改变而改变。电磁调速电动机的调速特点主要为装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便;调速平滑、无级调速,对电网无谐影响等特点,本方法适用于中、小功率,要求平滑动、短时低速运行的生产机械。
(5)液力耦合器调速。
液力耦合器是一种利用液体介质传递转速得机械设备,通过连续改变液体的压力来进行调速。压力越大,输出转速越高。这是高压电机领域中最传统的调速方式,但这种方式能耗大,效率低。原因是存在严重的耦合损失和转差损失。耦合损失是由于液压油内摩擦造成的,转差损失是由于调速时输出轴和输入轴存在转差造成的。这种损失随转差的增加而上升,即效率η=1-S,其中S为转差率,这两部分都转为热量消失。另外,受执行机构和液压机构限制,调速精度差,同时还存在严重的非线性,只在15%-85%之间调节线性区,但存在在增速与减速间逆差间隙,造成自动系统很难投入运行。并且需要一整套油系统,维护工作量大。对于风机泵类负载,由于负载转矩按转速平方率变化,原传动输入功率则转速的平方率降低,损耗功率相对小一些,但输出功率是按转速得立方率减小,调速效率仍然很低。液力耦合器的调速平均效率在50%左右。
4 降低电动机的基波与谐波损耗
由上式可看出:就地无功补偿,降低无功电流,可以降低电动机的基波损耗;减少谐波电压和负载谐波电流,选取高效电机,可降低电动机的谐波损耗。
5 减小三相电压不平衡度
电动机的负序阻抗为正序阻抗的1.8～3.5倍,若电网三相电压不平衡度εU=2%,则负序电流εI=3.6%～7%。负序电流产生使电动机发热,降低电动机的输出功率。按照GB/T三相电压不平衡的要求,供电电压的三相不平衡度应不大于1.3%。
6 降低电动机运行温度
7 电动机无功补偿技术
电机功率因数降低原因可能由如下原因造成。
①电机安装问题。
气隙调整不均,空载电流增大,功率因数降低。中心定位不准,电机窜动引起磁场变化,使空载电流增大,功率因数降低。
②电压质量问题。
电压过高,铁芯饱和,空载电流增大,功率因数降低。电压过低,对于恒负载电机,转差率上升,功率因数降低。
③电机轻载运行。
空载时,功率因数0.2～ 0.3。额定负载时,功率因数0.7～ 0.9。轻载运行时,功率因数0.3～ 0.7。
④电机启动。
电机启动电流是额定电流的3～ 8倍,功率因数为0.15～ 0.30。
电机功率因数低的危害主要表现在增加变压器和线路损耗,使线路末端电压降低,影响供电质量。当无功波动较大时,无功补偿装置则由若干支路滤波器组成,并根据无功大小自动控制各支路滤波器的投切。无功波动越大,滤波支路越多,在满足无功波动时不过补和功率因数达到要求的前提下,滤波支路越少越好,自动投切频度越低越好。(见图1)
8 结论
积极发展热电联产是节约能源、改善环境质量的有效措施,由于热电厂热效率均能超过常规火电厂的热效率一倍以上,那么热电厂的经济运行主要表现在有效节能上,节能思想应贯穿在热电厂的规划、设计、运行、管理等各方面,那么对于电机节能降耗的考虑在我厂热电项目中也得到了很好的应用。首先,项目设计综合厂用电率为18.20%,供热厂用电率为7.82 kWh/GJ,发电厂用电率为3.77%。电气主接线为扩大单元接线,两台25 MW发电机组并列接至63 MVA主变,通过110 kV向外送电。厂用电系统采用10 kV中性点非有效接地方式,两台机组各自带一段10 kV厂用电,中间通过联络开关进行两段母线的联络。项目200 kW以上的主要工艺电机都采用10 kV电源,并按照实际工艺负荷要求分配在两端厂用电母线上,尽可能地提高了电机的负荷率。同时在电机选择和调速方式的问题上,给水泵电机(1600 kW)采用了湘潭电机YX系列高效电机,采用了液力耦合器调速, 主要考虑启动性能的问题; 送风机(315 kW)调速范围较广,采用了高压变频调速方式,并配套采用了湘潭电机高效变频电机;引风机(630 kW)调速范围较窄,采用了内馈式斩波串级调速方式,并配套采用了湘潭电机高效内馈电机等,基本做到了按需规划电机的运行工况及调速方式,并尽可能考虑以后运行维护的方便。由于发电机本身也是一个无功电源,所以在无功补偿方面基本可以满足要求。尽管我们提前做了一些工作,但是真正做到电机的节能降耗还在于以后加强生产管理,严格能源管理来实现降低厂用电率的要求。虽然热电厂的经济运行不仅仅表现在异步电机的节能降耗上,还可以从改善燃煤质量,降低制粉系统单耗,提锅炉燃烧效率,提高汽轮机效率,改善蒸汽质量和增加热用户等方面去实现,但至少它是一条重要的实现途径也是我们应该重视的一项工作,对于提高企业的经济效益也有很大的作用。
作者：江炼强 来源：《科技资讯》
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