張 鑫,張會妍,龍吉生,杜靈亮,孫軼斐
(1.上??岛悱h境股份有限公司,上海 201703;2.北京航空航天大學能源與動力工程學院,北京100083)
目前,某廠商自主投資建設運營的垃圾焚燒發電項目達15 座,項目建設的發展規劃一般為5~10 a,電氣設備隨工藝要求配置較大裕量,實際長期運行中電氣設備處于低負荷運行狀態,并存在一次性投資和廠用電損耗問題。根據在運行項目統計數據及電氣設備負荷運行狀況分析,一次性投資在變壓器和大功率電動機體現明顯,而大功率電動機長期低負荷運行帶來的電量損耗極具代表性。因此,本研究從電氣專業角度,以變壓器選型及大功率電動機配置變頻調速的節能措施為例,論述降低廠用電量、提高上網電量的電氣節能效果,以期對垃圾焚燒發電廠建設和投運的節能起到一定的指導作用。
根據運行1~5 a 的5 座類似垃圾焚燒發電廠2021 年度運行數據,選取全年單月發電量最高的月份運行數據進行統計,其結果如表1 所示。
表1 垃圾焚燒發電廠數據統計(單月)Table 1 Statistical data of waste incineration power plant(single month)
垃圾焚燒發電廠電氣設備分為一次設備和二次設備,電能損耗主要發生在屬于一次用電設備的變壓器和電動機設備上。電氣設備額定值和實際運行數據對比,選擇廠用電率相對較高的焚燒廠A 項目,在發電量接近設計容量的情況下,分析原設計方案及采取節能措施后的運行節能效果。
3.1.1 概述
變壓器是一種通過交變的磁通起到變壓目的的電氣設備,由繞組、鐵芯組成。目前垃圾發電廠廠用電部分基本使用的是10/0.4 kV 電壓等級,廠用電系統變壓器選擇為SCB 型干式變壓器。
由于變壓器本身的空載損耗和負載損耗特性,為了降低用電損耗,應經濟合理地選用變壓器的容量。變壓器容量選擇要以全廠計算負載為依據,適當考慮后期項目建設計劃用電需求[1]。
變壓器的損失電量由鐵損和銅損兩部分組成。因此,計算損失電量的同時,變壓器能效等級選擇也尤為重要。1 000 kVA 變壓器不同能效等級標準電量損耗[2]見圖1,變壓器功率損耗率特性曲線見圖2。
圖1 1 000 kVA 變壓器不同能效等級標準電量損耗Figure 1 Standard energy loss for different energy efficiency levels of a 1 000 kVA transformer
圖2 變壓器功率損耗率特性曲線Figure 2 Characteristic curve of transformer power loss rate
由圖1、圖2 可以看出,在變壓器實際選擇時,應綜合考慮容量和能效等級、負載率和變壓器對應的效率關系。
3.1.2 變壓器損耗計算
以鍋爐變壓器為例,計算變壓器運行產生的損耗電量。
鍋爐變壓器實際運行負載SN2=600 kVA,選擇SCB14-1 000 kVA 型二級能效干式變壓器,負載率β1=50%。已知:P11=1.205 kW[2],Pk1=7.315 kW[2]。則變壓器電量損耗如下:
鐵損P11=1.205 kW;
銅損P12=β12×Pk1
[3]=(50%)2×7.315=1.829 kW;
總損耗P1=P11+P12=1.205+1.829=3.034 kW。
鍋爐變壓器實際運行負載SN2=600 kVA,選擇SCB12-2 000 kVA 型干式變壓器,負載率β2=30%。已知:P21=2.44 kW[2],Pk2=14.45 kW[2]。則變壓器電量損耗如下:
鐵損P21=2.44 kW;
銅損P22=β22×Pk2
[3]=(30%)2×14.45=1.30 kW;
總損耗P2=P21+P22=2.44+1.30=3.74 kW。
由以上實例可知,實際運行負載不變的情況下,使變壓器保持在合理的負載系數范圍內,變壓器損耗應根據短路損耗和空載損耗綜合計算,結合變壓器阻抗百分比不同,實際變壓器負載率在50%~70%為最經濟運行狀態[4]。而相同容量的變壓器,能效等級更高的節能型變壓器,不僅可降低其鐵損和負載損耗,同時也符合國家關于變壓器能效提升計劃的要求。
3.1.3 變壓器能效等級選擇
變壓器能效等級越高,其空載損耗和負載損耗就越低。在已建設運營項目中,不便于更換低能耗變壓器的情況下,可采取平衡負荷分配和并列運行等措施,以提高變壓器的負載率和效率。
3.2.1 概述
垃圾焚燒發電廠各工藝系統的運行離不開電動機的驅動。在全廠運行的設備中,大功率風機和水泵類具有一定代表性。電動機能否在最經濟合理的方式下運行,是影響電動機電能損耗的因素之一。
我國的三相異步電動機根據其本身性能,以負載率為界定劃分3 個運行區域:經濟運行區負載率為70%~100%、一般運行區負載率為40%~70%、非經濟運行區負載率在40%以下[5]。
三相異步電動機效率和負載率的關系如圖3所示,其在不同負載情況下的功率因數和效率如表2 所示。
圖3 三相異步電動機效率和負載率對應曲線Figure 3 Corresponding curve of efficiency and load rate of three phase asynchronous motor
表2 電動機在不同負載階段運行的功率因數和效率參數Table 2 Parameter for power factor and efficiency parameter of electric motors in different load stages
3.2.2 電動機損耗計算
以循環水泵電動機為例,根據銘牌數據,電壓10 kV、軸功率280 kW,取η1=0.920、η2=0.875、cosφ2=0.89、η3=0.880、cosφ3=0.85,計算電動機功率355 kW 和220 kW 時的電能損耗,驗證低負載運行損耗的差值。
電動機輸出功率Pe1=P1/η1=280/0.920=304.35 kW;
電動機輸入功率Pa1=P1/η1/η2=280/0.920/0.875=347.83 kW。
根據軸功率及機械效率選擇電動機為355 kW等級,匹配度合適。但根據循環水泵滿載電流為26.5 A,目前最高運行電流為13 A。顯然根據高峰值裕量選擇的電動機容量在實際運行中出現“大馬拉小車”的現象。
電 動 機 實 際 輸 出 功 率Pe2= 3×U×I×cosφ2=1.732×10×13×0.89=200.39 kW。
根據實際運行數據計算,選擇電動機為220 kW 作為日常平穩運行的容量比較合適。
以上計算可知,選擇355 kW 電動機的實際運行負載率為56%、效率為0.850、功率因數為0.77;而220 kW 電動機、90% 以上負載率,效率為0.875、功率因數為0.89。以此計算兩個不同功率電動機耗電量。
355 kW 電動機的電網輸入功率Pb1=Pe2/η3=200/0.85=235.3 kW;
220 kW 電動機的電網輸入功率Pb2=Pe2/η3=200/0.875=228.6 kW;
損耗功率為Pb1-Pb2=235.3-228.6=6.7 kW。
根據以上計算得出:相較實際輸出功率200 kW,大部分功率成為無用功返回電網。而真正損耗的有功功率也有近7 kW,其中一部分損耗體現在電動機本身的銅損和鐵損。
3.2.3 變頻器節能計算
項目建設中,電動機根據長遠規劃和工藝考慮最高峰值作為選擇容量的依據,而長期低負荷運行無疑會造成電能損耗。因此,應選擇高效節能型電動機并采取變頻調節措施。
本研究基于通用工況下,對風機和水泵使用變頻器后的節能效果進行計算,進一步分析垃圾發電廠低負荷運行電動機的節能方案。
變頻器節能計算應基于中心調速,即最低頻率和額定頻率(50 Hz)的中心值[6]。流量和揚程的取值決定風機泵類的能效:流量(Q)與轉速(n)成一次方關系,即Q1/Q2=n1/n2;揚程(H)與轉速(n)成二次方關系,即H1/H2=(n1/n2)2;電動機軸功率(P)與轉速(n)成三次方關系,即P1/P2=(n1/n2)3。推導可知,在風機泵類同樣功效需求情況下,變頻器頻率與轉速取決于流量和揚程的三次方比例關系。不同流量調節方式的風機泵類運行工況見圖4。
圖4 不同流量調節方式的風機泵類運行工況Figure 4 Operating conditions of fan and pump types with different flow regulation methods
項目中3#給水泵電動機400 kW,根據工藝參數,實際運行閥門開度最大流量取82%、功率系數為0.63、效率為0.96。251 kW 實際運行工況下,變頻器節能效果計算[7]如下:
工頻運行功率Pg=251 kW;
變頻運行功率Pb=(251/0.63)×0.823/0.96=228.83 kW;
節約電功率△P=251-228.8=22.17 kW;
節電r=22.2/251×100%=8.83%。
3.2.4 電動機及變頻器運行數據分析
針對大功率電動機運行負載情況,以具有代表性的垃圾焚燒廠A 數據計算為基礎,對電動機的選型、功率計算等運行數據進行分析,探討節能降耗的措施。A 廠大功率電動機實際運行及變頻器電能降耗投資成本對比見表3。
表3 A 廠大功率電動機實際運行及變頻器電能降耗投資成本對比Table 3 Comparison of investment costs for actual operation of high power motors and energy consumption reduction of frequency converters in factory A
引風機等電動機已經配置變頻調速裝置,不進行節能改造效果的論證;給水泵及循環泵電動機可根據實際情況考慮變頻器補償,補償電動機自身損耗的同時,更多地降低工藝運行損耗。
A 廠變頻器投資成本核算:電價按0.65 元/kWh計,年運行8 000 h。則年節約電能金額為89.4×0.65×8 000=46.488 萬元,投資成本回收時間為95/46.488=2.04 a。
根據A 廠的運行數據,大部分電動機低負荷運行,功率損耗不可忽視。更換為變頻器調節方式后,從項目建設的經濟投入和項目運行的長期損耗來分析,節能結果如表4 所示。
表4 電動機采取變頻節能措施的回報時間Table 4 The return time for frequency conversion energy-saving measures taken by electric motors
根據表4 統計可以看出,雖然電氣設備單臺損耗不明顯,但疊加到全廠電動機負載、變壓器所供電的負載統計并疊加到年度,其數值還是可觀的。
目前變壓器和電動機選型的容量是滿足項目實際需求的,另外考慮建設資金的投入,選擇性價比高的三級能效變壓器和工頻電動機,雖然可以節省投入資金,但是從項目運營方面來看,設備消耗的電量也相應增加。
根據分析,針對低負荷運行電動機,通過增加投資和降耗以節約資金的對比,已運行項目首選增加變頻器節能的方式來達到降低損耗的目標;在建項目則選擇配置高效節能電動機及變壓器以節能降耗。主要節能措施如下:
1)容量選擇。項目建設階段,根據高效節能型電動機和變壓器超載能力的特性和經濟性價比,合理選擇設備容量、型號和能效等級。
2)設備選型。核算經濟成本和運行節能成本,合理選用節能設備,提高設備運行的功率因數及效率。
3)負載分配。對工作段的負載進行分配調整,保持變壓器50%~70% 負載率的最佳運行狀態,電動機負載率在70%以上時跟蹤調配。
4)經濟運行。根據電動機運行狀態,盡量使工頻電動機負載接近滿載,通過變頻調整補充,同樣可以彌補低負載運行帶來的損耗。
目前在項目發電效率達到遠期目標前,機組、工藝及電氣設備長期低負荷運行狀況成為常態,從而不可避免地存在一次性投資和長期廠用電損耗過高(高于實際需要)問題。電氣系統的優化作為垃圾發電廠節能降耗的有效措施之一,通過選擇合適容量的節能型變壓器及大功率電動機配置變頻調速,可達到節能降耗、降低廠用電量、提高上網電量的目標,同時對垃圾焚燒發電廠的建設起到一定的指導作用。
1)方案設計方面:電動機功率選擇,使電動機功率保持在高效運行范圍內,合理設置臺數、容量,采用變頻調速技術等;變壓器容量選擇,使變壓器負載率在合理范圍內。
2)設備選型方面:選擇高效節能型變壓器及電動機,提高設備運行效率。
3)負荷分配方面:合理分配不同工作段的負荷,針對大容量變壓器,保持50%~70% 的負載率,70%以上狀態隨時跟蹤調配。
4)運行調節方面:根據電動機運行狀態,調整運行方案,盡量使得工頻電機負荷接近滿載,變頻電機作調節補充。