节能计算范例



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引言 众所周知,高压电动机的应用极为广泛,它是工矿企业中的主要动力,在冶金、钢
铁、化工、电力、水处理等行业的大、中型厂矿中,用于拖动风机、泵类、压缩机及各种 大型机械。其消耗的能源占电动机总能耗的 70\%以上,而且绝大部分都有调速的要求,由 于高压电机调速方法落后,浪费大量能源而且机械寿命降低。上世纪 90 年代,由于变频 调速技术在低压电动机上应用得非常成功,人们开始研究高压电动机变频技术的应用,设 计了高-高电压源型变频技术方案。该方案采用多电平电路型式(cmsl),由若干个低压 pwm 变频功率单元,以串联方式(功率单元为三相输入、单相输出)来实现直接高压输出的方 法。经过我厂多方调研、比较,最后选择同北京利德华福电气技术有限公司合作。本文将 从 harsvert-a 系列高压变频器的工作原理及实际运行状况两方面分析河南新乡豫新发电厂 引风机、凝结水泵的节能情况。 2 高压变频器的工作原理

  2.1 变频器的结构 现以 6kv 五单元串联多电平的高压变频器为例: (
  1)系统主回路。内部是由 15 个相同的功率单元模块构成,每 5 个模块为一组,分别对应 高压回路的三相,单元供电由干式移相变压器进行供电,原理如图 1 所示。
图 1 变频器的结构
图 2 功率模块输出的正弦 pwm 波形 (
  2)功率单元构成。功率单元是一种单相桥式变换器,由输入干式变压器的副边绕组供电。 经整流、滤波后由 4 个 igbt 以 pwm 方法进行控制,产生设定的如图 2 所示的频率波形。 变频器中所有的功率单元,电路的拓扑结构相同,实行模块化的设计,控制通过光纤发送 至单元控制板。原理框图如图 3 所示。
图 3 功率模块电路结构 (
  3)功率单元控制。来自主控制器的控制光信号,经光/电转换,送到控制信号处理器,由控 制电路处理器接收到相应的指令后,发出相应的 igbt 的驱动信号,驱动电路接到相应的驱 动信号后,发出相应的驱动电压送到 igbt 控制极,从而操作 igbt 关断和开通,输出相应波 形。 功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理,集中后经电/光转换器变 换,以光信号向主控制器发送。
  2.2 变频器工作原理
(
  1)变频器调速原理 按照电机学的基本原理,电机的转速满足如下的关系式:
n=(60f/p)×(
  1-s)=n0(
  1-s)式中:p:电机极对数;f:电机运行频率;s:滑差。 从式中看出,电机的同步转速 n0 正比于电机的运行频率 f,由于滑差 s 一般情况下比
较小(0-
  0.
  05),电机的实际转速 n 约等于电机的同步转速 n
  0,所以调节了电机的供电频率 f,就能改变电机的实际转速。电机的滑差 s 和负载有关,负载越大则滑差增加,所以电机 的实际转速还会随负载的增加而略有下降。
(
  2)变频器结构原理 无谐波高压变频器采用若干个低压 pwm 变频功率单元串联的方式实现直接高压输 出。6kv 电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,功率单元为三相 输入,单相输出的交-直-交 pwm 电压源型逆变器结构,相邻功率单元的输出端串联起 来,形成 y 接结构,实现变压变频的高压直接输出,供给高压电动机。以 6kv 输出电压等 级为例,每相由 5 个额定电压为 690v 的功率单元串联而成,输出相电压最高可达 3450 v,线电压达 6kv 左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级,就可以 实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电,功率单 元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,实现多重化,以 达到降低输入谐波电流的目的。对于 6kv 电压等级变频器而言,给 15 个功率单元供电的 1 5 个二次绕组每三个一组,分为 5 个不同的相位组,互差
  12°电角度,形成 30 脉冲的整流 电路结构,输入电流波形接近正弦波,这种供电方式使总的谐波电流失真低至 1\%左右, 变频器输入的功率因数可达到
  0.95 以上,其原理如图 4 所示。
图 4 单元串联输出结构图 (
  3)变频器输出波形叠加原理 高压变频器在运行后,将工频输入的的三相高压交流电转化为可以进行频率调节的三 相交流电,其电压和频率按照 v/f 的设定进行相应的调节,保持电机在不同的频率下运行, 而定子磁心中的主磁通保持在额定水准,提高了电机的转换效率。因此多重叠加的应用, 高压变频器输出电压的谐波含量很低,已达到常规供电电压允许的谐波含量,同时输出电 压的 dv/dt 较小,不会增加电机绕组的应力,可以向普通标准型交流电动机供电,不需要 降容或加输出滤波电抗器,保证了高压设备的通用性。多电平单元串联叠加的三相波形如 图 5 所示。
图 5 多电平单元串联叠加的三相输出波形 3 对 300mw 机组引风机系统变频节能分析 引风机属于锅炉辅机设备中的高能耗设备,由于是工频供电,其输出功率不能随机组 负荷变化而变化,只有通过改变档板的开度来调整风压和风量,造成很大部分能量消耗在
节流损失中。针对以上能源浪费的现象,采用高压变频技术对电厂重要用电设备进行技术 改造,是电厂节能降耗提高竞价上网竞争能力的有效途径。
  3.1 现场情况介绍 (
  1)#2 发电机组容量:300mw; (
  2)配置引风机数量:2 台; (
  3)年运行时间:7920h; (
  4)上网电价:
  0.25 元/kwh。
  3.2 工频状态下的年耗电量计算 计算公式:pa=
×u×ia×cosφ; pb=
×u×ib×cosφ ; 则 pd=pa+pb=
×u×(ia+ib)×cosφ (
  1) 式中:pd:电动机总功率 ;pa:a 电动机功率 ;pb:b 电动机功率 ;ia:a 电动机输入电流 ;ib:b
电动机
输入电流 ;u:电动机输入电压 ; cosφ:功率因数。
电动机在工频状态下,引风机电动机实际功耗计算值如表 3 所示。 表 1 引风机设备参数
表 2 发电机组不同负荷下引风机实际运行参数统计
表 3 电动机在工频状态下的引风机电动机实际功耗计算值
累计年耗电量公式:cd= t×∑(pd×δ)
(
  2)
式中: cd:年耗电量值 ;t:年运行时间 ;δ:单负荷运行时间百分比 。 cd=17630523 kw.h 因此,采用工频运行时,每年引风机系统耗电量约为 17
  63.05 万 kwh。
  3.3 变频状态下的年耗电量计算 风机设备属平方转矩负载,其转速 n 与流量 q,压力 h 以及轴功率 p 具有如下关系:q ∝n ,h∝n
  2,p∝n3;即流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立 方成正比。 通过对引风机工频运行数据中总功率和挡板平均开度之间关系的变化趋势分析,可以 看出挡板开度和总功率之间略呈线性关系。 现取 a、b 引风机在 2
  00、300mw 负荷点的平均开度百分比和电机总功率数据对 10

  0%开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算,并且推测出 1
  00%开度情况下的两台 引风机总耗电功率值。 在 200mw 机组负荷下,两台引风机的平均静叶开度为(
  40.5+
  42.
  8)/2=
  41.
  65% 在 300mw 机组负荷下,两台引风机的平均静叶开度为(
  67.3+
  70.
  2)/2=
  68.
  75% 根据计算,1
  00%挡板开度下两台引风机总耗电功率值为 3472kw。 通过风机数据,依据
公式可依次求得引风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗 p’。其中 p’:电动机 实际总功率;p100:电动机 1
  00%挡板开度时总功率;h’:风机实际风压;h0:额定风压。 若考虑到电机效率和变频器效率,则网侧功率损耗 :
电动机效率
与电动机负荷率 β 之间的关系如图 6 所示。
图 6 电动机效率与负荷率关系曲线 变频器效率
与电动机负荷率 β 之间的关系如图 7 所示。
图 7 变频器效率与负荷率关系曲线 电动机在变频状态下,引风机变频功耗计算值如表 4 所示: 表 4 引风机变频功耗计算值
累计年耗电量公式:cd= t×∑(pd×δ) (
  3) cd:年耗电量值 ;t:年运行时间 ;δ:单负荷运行时间百分比 。 cd=12355757 kwh 因此,采用变频运行时,每年引风机系统耗电量约为 12
  35.58 万 kw.h。
  3.4 节能计算 引风机变频改造后得出如表 5 所示的数据及如图 8 所示的节能效果图: 表 5 引风机变频改造后得出的数据
图 8 引风机系统节能效果图 年节电量:δc=cd-cb=17
  63.
  05-12
  35.58=5
  27.47 万 kwh 机组平均节电率:(δc/cd)×100\% =(5
  27.47/17
  63.
  05)×100\% =
  29.92\% 按照 20
  06~2007 年 1 年的运行数据统计结果分析,年运行时间 7920h,平均负荷 25 0mw,
  2#机组引风机系统经变频改造后,每年可节约 5
  27.47 万 kwh,按照上网电价
  0.25 元/kwh 计算,折合发电成本:5
  27.
  47×
  0.
  25=1
  31.87 万元。 4 对 300mw 机组凝结水泵变频的节能分析 300mw 机组(燃煤)设计配有两台 nlt350-4
  00×6 立式凝结水泵,配用额定功率 1120kw /6kv 的 yksl500-4 型电动机,电机无调速装置,靠改变凝结水母管调节门开度来控制流 量。
  4.1 凝结泵现场运行数据 (
  1)#2 发电机组容量:300 mw; (
  2)配置凝结水泵数量:2 台(1 用 1 备); (
  3)凝结泵参数;凝结泵参数如表 6 所示:
表 6 凝结泵参数表
(
  4)配套电机参数;配套电机参数如表 7 所示: 表 7 配套电机参数表
(
  5)发电机组不同负荷下凝结水泵运行参数统计;如表 8 所示: 表 8 发电机组不同负荷下凝结水泵运行参数统计
(
  6)除氧器水位:
  2.44m; (
  7)凝结水箱水位:
  2.21m; (
  8)发电机组电价:上网电价:
  0.25 元/kw.h; (
  9)全年工作时间:7000h。
  4.2 工频状态下的年耗电量计算 计算公式: pd =
×u×i×cosφ (
  4) 式中:pd:电动机总功率;i:电动机输入电流; d:电动机效率; u:电动机输入电压; cosφ:功率 因数。 电动机在工频状态下,各负荷电动机实际功耗计算值如表 9 所示: 表 9 电动机在工频状态下的各负荷电动机实际功耗计算值
累计年耗电量公式:cd=t×∑(pd×δ)
(
  5)
式中:cd:年耗电量值 ;t:年运行时间 ;δ:单负荷运行时间百分比 。 cd =62457
  93.29 kwh 因此,采用工频运行时,每年凝结泵耗电量约为 6
  24.58 万 kwh。
  4.3 变频状态下的年耗电量计算 因为凝结水泵与电动机轴直接连接,则传动效率为 1; pd`= p (
  6) 电动机功率:
(
  7) 凝结水泵轴功率:p=
(
  8) 式中:pd`:电动机轴功率 ; p:凝结泵轴功率 ;η d:电动机效率 ;η b:变频器效率 ; ηf:泵效率 ; q:泵出口流量 ;h:泵出口压力 ;hst:泵静扬程;λ:泵特性系数。 将除氧器压力换算成泵扬程值 h`st,和泵出入口水位高度差求得运行平均静扬程:
hst=∑(h`st×δ)+ h
  0=
  64.64m 将 100\%阀门开度的预期工作压力 h=298m、流量 q=830 m3/h 代入管路特性曲线可由 公式:
hc=hst+
(
  9) 得
=
  3.
  38×10-4;即管路特性曲线 hc=
  64.
  6+
  3.
  38×10-4
。 将各负荷情况下的流量 q 代入公式(
  7)、(
  8),可求出泵的出口压力 h;具体数值如表 10 所示: 表 10 泵的出口压力 h 的具体数值

  4.4 凝结泵变频调速情况下的功耗计算 将凝结泵在 1
  00%开度情况下的预期工况值代入公式(
  8)可求得:λ=
  3.
  89×10-
  3。 采用凝结泵变频调速时,不同负荷下泵的泵功率 p 由公式(
  8)计算得出。若考虑电机效 率和变频器效率,根据公式(
  6)、(
  7)求出网侧功率损耗 pb。具体结果如表 11 所示: 表 11 凝结泵变频调速时功耗计算的具体结果
cb= 47258
  36.47 kwh 因此,采用变频运行时,每年凝结泵耗电量约为 4
  72.58 万 kwh。
  4.5 节能计算 年节电量:δc= cd-cb = 6
  24.
  57-4
  72.58= 1
  51.99 万 kwh 节电率:(δc/cd)×100\%=(1
  51.99 / 6
  24.
  58)×100\% =
  24.33 \% 按照 20
  06~2007 年的 1 年的运行数据统计结果分析,
  2#机组凝结泵经变频改造后, 每年可节约 1
  51.99 万 kwh,折合发电成本:1
  51.99kwh×
  0.25 元/kwh=38 万元。
5
结束语 通过对 300mw 机组引风机、凝结水泵系统的详细节能分析:采用高压变频器对两台引
风机和凝结泵进行变频改造,改静叶开度为风机转速调节是切实可行的,能够起到降低厂 用电率的目的。而且,在系统的安全可靠性、设备维护量等方面具有良好的效益。
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