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供水企業(yè)主要節(jié)能方法及節(jié)能效果分析論文名稱:供水企業(yè)主要節(jié)能方法及節(jié)能效果分析
作者:呂云
摘要:供水企業(yè)節(jié)能的主要方法包括變壓器節(jié)能、高壓電機節(jié)能、無功功率補償節(jié)能、水泵改型或調(diào)速節(jié)能和供水經(jīng)濟運行節(jié)能等,就此對各種方法的節(jié)能效果進行分析,通過對機電設(shè)備進行更新,科學(xué)選型設(shè)計或調(diào)整運行工況達到節(jié)能效果,并指出了各種節(jié)能方法的適用場合。
關(guān)鍵字:供水企業(yè)節(jié)能方法效果分析
供水企業(yè)是通過水泵輸送自來水,完成電能→機械能→勢能的能量轉(zhuǎn)換過程,是城市的用電大戶,筆者對某水司進行調(diào)查了解,發(fā)現(xiàn)近三年電費占整個制水成本分別為24.5%、17.7%和21.4%,平均每年電費支出高達4060萬元,同時供水企業(yè)又有著巨大的節(jié)能潛力,以該公司為例,能耗每下降一個百分點,就可節(jié)約成本40余萬元。筆者根據(jù)多年的電氣技術(shù)管理和節(jié)能工作經(jīng)驗,對供水企業(yè)主要的節(jié)能技術(shù)和方法歸納總納,并進行節(jié)能效果分析,以對供水企業(yè)節(jié)能工作和經(jīng)濟運行管理進行探討。1變壓器節(jié)能變壓器節(jié)能是指隨著變壓器設(shè)計技術(shù)和制造工藝的提高,不斷生產(chǎn)出更低損耗的變壓器,通過設(shè)備更新達到節(jié)能的效果,具體反映在變壓器空耗損耗、負(fù)載損耗的降低,即效率的提高。
變壓器效率η為輸出的有功功率與輸入有功功率之比的百分?jǐn)?shù),即:
η=βS2Ncosψ2/βS2Ncosψ2+P0+β2Pf×100%(1)
式中S2N——二次側(cè)額定容量;
cosψ2——二次側(cè)功率因數(shù),一般取0.8;
β——負(fù)載系數(shù),β=I2/I2N;
P0——空載損耗;
Pf——負(fù)載損耗。
由公式(1)可知,變壓器負(fù)載運行時,空載損耗與β無關(guān),為一恒定值,負(fù)載損耗與β2成正比,,當(dāng)β=√P0/Pf時,η值最大,也即為最經(jīng)濟運行點。以某水廠常用的800kVA容量的三種變壓器為例,進行節(jié)能效果比較,畫出3種變壓器的η~β曲線,見圖1。變壓器降耗為新變更新舊變時同親負(fù)載時降低損耗的百分?jǐn)?shù),即:
△η=[(βS2Ncosψ2/η2-βS2Ncosψ2/η1)/(βS2Ncosψ2/η2)]×100%
=(1-η2/η1)×100%(2)
式中η1——新變效率;
η2——舊變效率。
若以新變S9型更新舊變S7、SL7型,取年平均負(fù)荷率β=0.5,則根據(jù)公式(1)、(2)計算,各變壓器效率和降耗率見表1。表1變壓器效率和降降耗率型號η/%△η/%S9-800/10
SS7-800//10
SL7-800//1099.098
999.092
999.8922
0.006
0.2208根據(jù)圖1、表1可以看出,S7、S9型變壓器和SL7型變壓器相比有較好的節(jié)能效果,且負(fù)荷率越大,降耗率越大;而S9與S7型變壓器之間,損耗相差不大,甚至β>0.6時S9型比S7型損耗略大,經(jīng)以上分析可知,變壓器節(jié)能是通過采用更低損耗的變壓器來實現(xiàn)的。2高壓電機節(jié)能目前國內(nèi)城市配電網(wǎng)多為10kV級和6kV級,在城市大中型水廠的設(shè)計選型或技術(shù)改造中,由于在技術(shù)經(jīng)濟分析中展現(xiàn)了很大的優(yōu)越性,大中型高壓電機得到廣泛、迅速的應(yīng)用,其優(yōu)點如下:
①減少配備10kV、6kV變0.4kV級變壓器及其低配系統(tǒng)投資(因配用低壓電機)。
②減少因低壓電機容量小而需配更多數(shù)量的機泵。
③減少因①、②條中變壓器、低配、更多的機泵必須配套的土地占用和建筑物占用及相應(yīng)投資。
④減少供電環(huán)節(jié),提高電氣安全可靠性,減少維修工作量。
在節(jié)能方面還有如下效果:
①避免了變壓器損耗(例:β=0.5時,S7-800/10損耗達1%)。
②減少因配用低壓電機引起的線路損耗增多。
③大中型高壓電機效率高,低容量的與同樣容量的低壓電機效率相當(dāng),大中容量效率更高,特別是效率越大,效率越高,突破了低壓電機容量和效率的雙重極限。例如,選用高壓電機Y6303-61400kW電機,效率為96.5%,而要達到相同容量需配備5臺JS2-400M3-6280kW低壓電機,單臺效率只有93.4%,效率相差高達3.1%。
④減少因多臺低壓電機并聯(lián)運行時引起的效率下降。3無功功率補償節(jié)能電流通過線路或變壓路時要產(chǎn)生線路電阻損耗或變壓器負(fù)載損耗,其有功功率損失:
△P=3·P2R/U2cos2ψ(3)
式中P——有功功率,kW;
U——額定電壓,kV;
R——線路或變壓器總電阻,Ω;
cosψ——功率因數(shù)。
從公式(3)中可知,在負(fù)載有功功率一定時△P與cos2ψ成反比,如果功率因數(shù)從cosψ1上升到cosψ2,則有功功率損失下降百分率:
(△P%)=[(3·P2R/U2cos2ψ1-3·P2R/U2cos2ψ2)/3·P2R/U2cos2ψ1]×100%
=(1-cos2ψ1/cos2ψ2)×100%(4)
如果功率因數(shù)從0.8補償?shù)?.9,根據(jù)公式(4)計算得(△P%)=21%,即線路或變壓器損耗下降21%,從以上分析可知,無功功率補償是通過提高功率因數(shù),降低運行電流從而降低線路或變壓器中損耗,達到節(jié)能效果。4水泵節(jié)能供水企業(yè)負(fù)載主要是機泵,運行效率更低的是水泵,水泵節(jié)能是水廠主要節(jié)能途徑,具體表現(xiàn)在兩個方面。
4.1水泵改型更新節(jié)能
近年來,城市發(fā)展和管網(wǎng)改造很快,管路阻力特性曲線不斷下移,供水量不斷增加,而水廠水泵不能同步改造,使很多水廠水泵工作揚程下降,并遠離高效區(qū),大大降低水泵效率,造成大量電能浪費。通過對水泵進行改型更新,使水泵運行在高效區(qū),可以大幅提高水泵效率,進而達到節(jié)能目的。
水泵有效功率N=HQ/102(kW)(5)
水泵軸功率P軸=HQ/102η泵(kW)(6)
式中H——水泵揚程,m;
Q——水泵流量,L/s;
η泵——水泵效率,%。
下面以某水廠某泵為例,計算分析節(jié)能效果,圖2為原有Ⅰ型泵和新改型Ⅱ型泵的Q1~H1、Q1~η1曲線和Q2~H2、Q2~η2曲線,原有Ⅰ型泵額定揚程55m,高效區(qū)揚程59m~47.5m,實際運行揚程平均為42m,已遠離高效區(qū)。此時從圖2可得,流量Q1=360L/s,效率η1=72%代入公式(5)、(6)計算可得有效功率N1=148.2kW,軸功率P1=205.9kW;如改用新泵Ⅱ型泵,同樣流量即Q2=Q1=360L/s時,從圖2可得,揚程H2=41m,效率η2=82%,代入公式(5)、(6)計算得,有效功率N2=144.7kW,軸功率P2=176.5kW,若以線性關(guān)系近似折算水泵有效功率相同時,Ⅱ型泵比Ⅰ型泵節(jié)能(軸功率):
△P軸=P1-N1/N2·P2=25.1(kW)
節(jié)能效果:
(△P軸%)=△P軸/P1×100%=12.2%
也就是說,如果Ⅰ型泵改型更新為Ⅱ型泵,可以使水泵實際工況在高效區(qū)運行,同時可降低能耗12.2%。
從以上分析可以知道,水泵改型更新節(jié)能實質(zhì)上是通過提高水泵工況點效率來實現(xiàn)的。實際運行工況離高效區(qū)越遠,水泵改型后節(jié)能效果越大。
4.2水泵調(diào)速節(jié)能
水廠機泵的選型,一般是按城市日最高、時最高的需水量來確定的,因此在大部分的時間內(nèi)機泵處于低負(fù)荷運行,需要降低轉(zhuǎn)速改變運行工況,當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速n改變,水泵的性能參數(shù)都發(fā)生改變,其公式如下:
Q‘/Q=n‘/n(7)
H‘/H=(n‘/n)2(8)
P‘/P=(n‘/n)3(9)
式中Q(Q‘)、H(H‘)、P(P‘)分別表示水泵轉(zhuǎn)速n(n‘)時的流量、揚程和功率。
以Q~H(n)曲線(見圖3),來畫一組各轉(zhuǎn)速下的Q~H曲線和一組等效線,任取A點(Q,H),當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降到n‘時,按公式(7)、(8)計算,可求得A‘(Q‘,H‘)點。同樣在Q~H(n)曲線上依次取B、C、D各點,當(dāng)n下降到n‘時,可求出相應(yīng)的B‘、C‘、D‘各點,把A‘、B‘、C‘、D‘這些點連接起來就得到Q‘~H‘(n‘)曲線。因此,隨轉(zhuǎn)速下降可得一組下移的Q~H曲線,把這組曲線上對應(yīng)的A、A‘、B、B‘、…分別連起來,就可得到一組等效線AA‘、BB‘、CC‘、DD‘、…。水廠水泵調(diào)速一般以恒壓進行調(diào)速,下面以某水泵為例(見圖3),來分析調(diào)速節(jié)能效果,圖3中,A點為設(shè)計工況點,此時轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速,流量QA=550L/s,揚程HA=35m,效率ηa=88%,代入公式(6)計算得,軸功率PA=214kW。如果水量減少到80%,此時水泵工況點移到E點,即QE=440L/s,從圖3得,揚程HE=39m,效率ηe=82%,代入公式(6)計算得,軸功率PE=205kW。
若采用恒壓調(diào)速,流量為440L/s時,保持揚程不變,此時工況點移到F點(F-A水平線為恒壓線)。流量QF=QE=440L/s,揚程HF=HA=35m,經(jīng)過F點的等效線與Q~H交于G點,對應(yīng)的效率ηg=84%,代入公式(6)計算得,軸功率PF=179kW,節(jié)能△P軸=PE-PF=26kW,節(jié)能效果:
(△P軸%)=△P軸/PE×100%=12.6%
同樣道理,可以計算得各流量值時的節(jié)能效果,見表2。
表2節(jié)能效果果流量80%QA70%QA60%QA50%QA40%QA30%QA節(jié)能效果/%12.618.923.228.43135.2由以上計算分析可以知道,恒壓調(diào)速是由兩個因素實現(xiàn)節(jié)能的,第一是提高水泵效率(以80%流量調(diào)整為例,ηg>ηe),第二是減少了用閥門節(jié)流引起的壓力損失(HE-HF)。由此可見,恒壓調(diào)速具有雙重節(jié)能效果。從表2還可得出結(jié)論:對某臺水泵而言,流量越小,則恒壓調(diào)速節(jié)能效果越大。5供水經(jīng)濟運行節(jié)能要根據(jù)城市供水管網(wǎng)平差,確定管網(wǎng)若干基本測壓點及壓力標(biāo)準(zhǔn)值,確保這些測測壓點的壓力值不小于標(biāo)準(zhǔn)值就能滿足城市供水需求,在此基礎(chǔ)上制定并優(yōu)化城市各制水廠出廠水壓力控制值范圍與城市需水量成對應(yīng)關(guān)系,使各水廠以基本測壓點標(biāo)準(zhǔn)值為控制目標(biāo)進行調(diào)度運行,既保證城市供水,又減少多余的壓力浪費,使全水司1000m3水耗降至最低,從而實現(xiàn)供水經(jīng)濟運行。這種節(jié)能方式效果可以從單臺泵的單位電耗~揚程曲線來分析,以圖3中泵的Q~H曲線為例,根據(jù)水泵的流量Q,可由圖3查出對應(yīng)的揚程H和效率η,代入公式(6)求得軸功率P軸,再求出單位電耗F=P軸/[Q](這里單位電耗只包括出水泵房水泵電耗有關(guān)。單位電耗計算中的“[Q]”的單位是1000m3/h),如表3中每降低單位揚程單位電耗下降百分?jǐn)?shù):
△Fi+1=[Fi-Fi+1/Hi-Hi+1/Fi]×100%
式中Fi——對應(yīng)揚程Hi的單位電耗。表3水泵性能數(shù)據(jù)Q/L/s0100200300400500550600650H/m49.548.546.544.041.037.035.033.031.0η00.260.470.620.770.870.880.860.82P軸/kW∞182.9194.0208.7208.8208.8214.5225.7240.9F(kW/10000m3)
508.0269.3193.3145.0115.8108.3104.5103.0△F(%)∞
23.411.38.35.03.31.80.7將表中數(shù)據(jù)畫成F~H、△F~H曲線,從圖4可以發(fā)現(xiàn),單位電耗隨著揚程下降而下降,也就是說,如果降低水泵運行揚程,1000m3水單位電耗也隨之下降,從表3中可知,在額定揚程(H=35m)處,揚程下降1m,可降低單位電耗3.3%,揚程越高時節(jié)能效果越大。這也可從調(diào)速節(jié)能中得到驗證,圖3中如果流量Q=440L/s時,恒壓調(diào)速HF=35m改為HH=30m,可以減少壓力損失HF-HH=5m和水泵效率ηg=0.84提高到ηi=0.86,達到進一步節(jié)能的效果。同樣,如果降低水廠或全公司出廠水運行揚程(或壓力),就能降低整個水廠或全公司的1000m3水單位電耗,達到全面節(jié)能的效果。6結(jié)束語供水企業(yè)節(jié)能(主要是節(jié)電)是一個綜合性課題,
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