李超　卢强　郭萌　赵勇　谷佳琪

（首都航天机械公司北京100076）

换热站动力系统节能技术改造的效益分析

李超卢强郭萌赵勇谷佳琪

（首都航天机械公司北京100076）

换热站动力系统作为供暖的主要能耗设备，能耗量非常大，本文通过对变频技术原理及高效电机原理的介绍，分析了换热站动力系统的运行现状，并介绍了节能改造的过程，通过对改造后节能量及节约效益的分析，得出变频技术及高校电机企业有很大的节能空间。

换热站；变频技术；高效电机；节能

现阶段，我国工业领域风机、水泵的用电量占全国总用电量的30%，是主要耗能的通用机械。据调查，在我国有70%的风机、85%的水泵处于工频运行状态。低效设备或高效设备低效运行十分普遍。

因此，从运行观点看，在动力机械领域负载传动系统中采用电动机变频调速技术，系统效率可提高20%～30%。另外，从设备角度看，电机作为风机、水泵系统的主要能耗和动力设备，采用新型电机设计、新工艺及新材，可调高电机效率3%～5%。

1变频技术原理介绍

流体机械按生产和工艺要求，需要经常调节风量或流量，调节的方法一般有两种：（1）不调节电机的转速，利用挡板遮挡阀门或放空的办法来调节风量或流量；（2）不调节挡板阀门的开度，通过调节电机的转速来达到调节风量或流量的目的，在要求相同流量的条件下，上述两种解决方法的功率消耗是不相同的。

对于第一种方法，由于电机的转速基本不变，所以在风量或流量调节前后，电机所消耗的功率基本不变。

对于第二种方法，情况则有所不同，由于流体机械的转速变化与流量、扬程（压力）和功率之间有如下关系：

式中，Q、F、P分别表示转速为n时的流量、扬程（压力）、功率；Q1、F1、P1分别表示转速为n1时的流量、扬程（压力）、功率。

由式（1）可知，流体机械负载的流量与转速成正比，扬程（压力）与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。所以当流量需要改变时，通过调节电机的转速，便能达到目的，但是所需功率以近似流量的三次方大幅度下降。

2高效节能电机原理介绍

高效节能电机，主要是采用新型电机设计、新工艺和新材料，通过降低电磁能、热能和机械能的损耗，提高电机输出效率。

提高电机的效率主要是降低电机的五种损耗，即定子绕组损耗、转子绕组损耗、铁心损耗、风摩损耗及杂散损耗。因此，提高电机效率主要从减少损耗入手，高效节能电机对降低五种损耗的主要措施有：（1）使用磁性槽楔，使磁性槽楔使气隙密度分布趋于均匀，减少空载电流，提高功率因数；（2）降低铁心损耗，；（3）增加转子和定子的有效材料用量，改进线圈结构，增加铜线的截面，减少铜耗，提高制造精度，降低杂质损耗；（4）降低机械损耗，（5）降低杂散损耗。

高效节能电机的比普通电机节能效果有明显的提高，一般情况下电机输出效率平均可提高3%～5%，总损耗比普通系列电机降低20%以上，节约电量消耗能15%左右，并且随着高效节能电机的运行时间越长，节约电量效果越明显。

3换热站系统节能改造

3.1换热站系统动力运行现状

公司换热站系统原有2台315kW的6kV中压循环水泵，运行状态一用一备，工频运转，每年运行时间为145天。

换热站循环水泵，靠调节出口或入口闸阀方式来进行，人为增加管网阻力达到变化流量和压力的目的。在控制过程中，流程阻力损失增加，叶片转速不变，电机输入功率并无减少，而是白白地损失在调节过程中。水泵长期处于高速、满负荷状态下运行，因此维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。

3.2换热站动力系统节能改造实施

将原来6kV的中压供电系统改为380V的低压供电系统，原2台315kW的循环水泵改造为3台132kW的循环水泵，管道系统一并改造，改造后系统图见图1，改造后可达如下效果：循环水泵效率由原来的80%提高到86%；改造后的电机选用可达能效二级的超高效电机；电机系统加装变频装置，并在变频控制柜加装进、出线电抗及滤波装置，减少对电网的污染；改造后可减少管网的阻力，系统效率提高。

3.3改造后自动控制的实现

改造后的控制系统采用变频+工频控制，工频控制加装软启，以便平稳启动，变频控制通过水泵进出口压差进行控制调节。变频器拖动电机进行调速时，应确保水泵供水量一定水泵进出口压差一定，以满足供水的需求。当供水水量增加或者减少时，通过压力传感器将信号传给变频器，变频器通过PID调节输出频率，随之改变水泵转速，从而改变供水流量，以确保管网压差和水量维持在在设定范围内。改造后控制系统图见图2。

图1换热站动力系统改造后管道系统图

图2换热站动力系统改造后控制系统图

4应用效果分析

4.1节能量计算

改造前系统运行为1台315kW水泵运行，改造后为2台132kW的电机运行，可节省用电负荷51kW，改造后电机平均频率为46.1 Hz，根据调速节电原理的理论节电负荷计算公式：

式中：ΔP表示节电负荷，P1表示运行时电机额度功率；f1表示改造前电机输出平均频率为；f2表示改造后电机输出平均频率。

根据式（2）可计算出节电负荷为57kW，所以换热站动力系统可节省用电负荷为电机永久性转移负荷与变频节电负荷之和，共计108kW。由于采用高效电比普通电机可提高效率2%左右，可节省用电负荷5.3kW。改造后，每年可节约用电负荷113.3 kW该换热站系统每年运行145天，每天运行24h，所以年节电量为394284 kW，节电率达36%。

4.2经济效益分析

通过对改造前后节电量的分析，可知节能潜力较大，目前我公司执行电费单价为1.47元/kw·h，所以每年可节省费用67.96万元，该项目总投资130万元，预计2.24年左右可回收成本。

4.3无形效果

（1）采用两台水泵替代一台水泵运行，安全性能更好，使供暖工作更加有保障。（2）加装变频装置后，电机可以在零速、零电压的情况下启动，从而降低启动电流，提高电机绕组的承受力，延长电机的使用寿命。（3）水泵低速运行，可以减少机件磨损、震颤，延长水泵的使用寿命。（4）采用变频调速后，可降低环境噪音，对减少职工劳动强度也有积极的作用。

5结语

推广使用高效电机和变频技术对于我国当前的节能减排具有重要意义，随着科学技术的发展，变频调速技术和高效电机将广泛地应用于流体机械领域。通过对电机动力系统改造，可有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，有利于改善环境，延长设备使用寿命，这对于公司贯彻国家节能减排政策，减少公司经营成本，提高公司经济效益具有重要意义。

[1]陆耀庆.供热通风设计手册[M].北京中国建筑工业出版社,1987.

[2]徐海.变频器原理及应用[M].北京：电子工业出版社,2011.

[3]GBT 21056-2007风机、泵类负载变频调速节电传动系统及其应用技术条件.[S].国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会,2007.

[4]李孟波.浅谈高效节能电机在电厂中的应用.电源技术应用, 2013(02).

李超（198—），男，山西临汾人，硕士研究生，2009年毕业于中国石油大学（北京）热能工程，工程师，研究方向：节能技术。