海水淡化電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探索

水處理網(wǎng)訊:摘要：淡水資源的缺乏已經(jīng)成為了全世界所關(guān)注的嚴(yán)峻問(wèn)題，在全世界14個(gè)嚴(yán)重國(guó)家之中，中國(guó)位列其次，電廠作為眾所周知的用水大戶，水資源緊缺成為了多數(shù)電廠面臨的挑戰(zhàn)，作為沿海電廠，向大海要水發(fā)電是發(fā)展的必要趨勢(shì)，為降低海水淡化系統(tǒng)的能源消耗，文章將從功率因數(shù)、設(shè)備選型以及變頻調(diào)速三方面對(duì)電氣節(jié)能技術(shù)進(jìn)行探索，以達(dá)到節(jié)能目的。

關(guān)鍵詞：海水淡化；能源損耗；電氣

上世紀(jì)70年代以來(lái)，大多數(shù)沿海國(guó)家都競(jìng)相投入海水淡化的潮流，建立海水淡化裝置和海水淡化廠，近兩年我國(guó)海水淡化的發(fā)展速度有所增長(zhǎng)，海水淡化已經(jīng)從市場(chǎng)培育期進(jìn)入市場(chǎng)成熟期，作為用水大戶的沿海發(fā)電廠，建立自己的海水淡化系統(tǒng)不僅可以緩解供水壓力，還可在一定程度上節(jié)約成本。建立海水淡化系統(tǒng)前期需要一定投資，從階段性經(jīng)營(yíng)角度分析，降低系統(tǒng)能源損耗，節(jié)約運(yùn)行成本，對(duì)企業(yè)扭轉(zhuǎn)盈虧十分有必要。

1 探索海水淡化電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的重要意義

1.1有利于提高對(duì)節(jié)能降耗的重視程度

截至2015年底，我國(guó)已建成海水淡化工程121個(gè)，海水淡化產(chǎn)能為100.88萬(wàn)噸/日,國(guó)內(nèi)海水淡化項(xiàng)目總體呈上升趨勢(shì)，但仍然與其他國(guó)家有一定差距，且我國(guó)目前所建幾個(gè)大型海水淡化廠，基本用于供電或工業(yè)制造，用途單一，配電工程較為簡(jiǎn)單，雖然我國(guó)在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始引進(jìn)海水淡化設(shè)施，但是海水淡化的發(fā)展速度一直十分緩慢，而且上馬的都是小型淡化裝置，其原因主要在于人們對(duì)缺水以及海水淡化的認(rèn)識(shí)還不夠深刻、我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還難以承受海水淡化相對(duì)高昂的成本。從海洋中提取淡水，資源可謂取之不盡、用之不竭，是真正實(shí)現(xiàn)水資源持續(xù)利用的高新技術(shù)，符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境持續(xù)發(fā)展的國(guó)策。我國(guó)政府對(duì)海水淡化技術(shù)十分重視，海水淡化技術(shù)已經(jīng)列入《中國(guó)21世紀(jì)議程》中作為實(shí)現(xiàn)水資源持續(xù)利用的推廣示范技術(shù);《中國(guó)海洋21世紀(jì)議程》更是把發(fā)展海水淡化技術(shù)和建立海水淡化的示范工程并進(jìn)一步在有條件的地區(qū)推廣列為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目。國(guó)家科技部和國(guó)家海洋局對(duì)發(fā)展海水淡化技術(shù)十分重視，先后在―七五、―八五、―九五、―十五期間對(duì)海水淡化技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)費(fèi)支持。探索對(duì)海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)措施，可以在一定程度上節(jié)約成本，降低損耗，盡快扭轉(zhuǎn)企業(yè)盈虧，促使更多的用水企業(yè)投入到海水淡化系統(tǒng)的建設(shè)中來(lái)，從而提高對(duì)資源節(jié)約的重視程度。

1.2有利于降低發(fā)電廠能源損耗

電氣系統(tǒng)作為海水淡化系統(tǒng)重要的組成部分，對(duì)水電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電廠而言是能源消耗的主要原因，由于近幾年新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的崛起以及國(guó)家鼓勵(lì)優(yōu)先調(diào)度新能源發(fā)電的一系列舉措，使得傳統(tǒng)火力發(fā)電廠陷入空前的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)壓力之中。降低生產(chǎn)用能，減少能源損耗，成為了減少發(fā)電企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的重要環(huán)節(jié)，尤其在新建系統(tǒng)中，因前期投資較大，不能短時(shí)高效地收回成本，所以節(jié)能降耗措施不僅可以緩解運(yùn)行壓力，還可以節(jié)約成本，保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3有利于提高設(shè)備的使用頻率

隨著用電負(fù)荷的不斷增加，設(shè)備使用率也隨之提高，尤其是重大活動(dòng)保電、迎峰度夏及供熱季期間，設(shè)備故障頻發(fā)不僅影響著機(jī)組運(yùn)行，也增添社會(huì)、居民用電壓力，使得發(fā)電量無(wú)法滿足城市發(fā)展以及人們的生活正常需求，故積極探索設(shè)備的節(jié)能降耗技術(shù)，提高設(shè)備性能是非常必要的，設(shè)備性能的提高可以降低設(shè)備故障率，從而降低檢修成本，減少不必要的開(kāi)支。故優(yōu)先選用節(jié)能變頻設(shè)備，不僅可以降低能源消耗，節(jié)約企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，更在一定程度上提高了設(shè)備的使用頻率，減少故障發(fā)生率，提高系統(tǒng)的可靠程度。

2海水淡化系統(tǒng)能源損耗原因分析

2.1系統(tǒng)負(fù)載水平導(dǎo)致的能源損耗

功率因數(shù)的大小是衡量電氣設(shè)備的重要參數(shù)，由于系統(tǒng)中設(shè)備眾多，一些非線性電氣設(shè)備或功率因數(shù)低的設(shè)備使得整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)偏高，異步電動(dòng)機(jī)和變壓器是配電系統(tǒng)提供無(wú)功功率的主要對(duì)象，架空線等電力線路由于電抗的存在，在電流通過(guò)時(shí)也需消耗一定的無(wú)功功率。阻感性負(fù)荷的固有性質(zhì)決定了其在工作過(guò)程中，必須消耗一定的無(wú)功功率才能維持工作。電力用戶功率因數(shù)較低時(shí)，用戶配電系統(tǒng)在消耗有功功率的同時(shí)也消耗大量的無(wú)功功率，這些無(wú)功功率對(duì)發(fā)電、輸電、供電、配電系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，并增加電力用戶的用電費(fèi)用，無(wú)功功率輸出降低，從而電能不能充分利用，導(dǎo)致部分電能無(wú)法有效輸出，導(dǎo)致能源損耗。

2.2電動(dòng)設(shè)備能源損耗

由于海水淡化系統(tǒng)水泵類負(fù)載很多，主要有給水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等，通常耗電量最大的是一些高壓泵和水泵的電機(jī)，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵流量時(shí)，通常采用給水泵定速運(yùn)行或是調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度的方法，往往會(huì)帶來(lái)節(jié)流損失大、管損嚴(yán)重、出口壓力高等問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中流量降低時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)使閥門開(kāi)度減小，從而使壓差增加，造成嚴(yán)重的壓力損失，使得設(shè)備壽命降低，并大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 海水淡化電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

3.1 控制系統(tǒng)功率因數(shù)的措施

因系統(tǒng)的功率因數(shù)是由各電氣設(shè)備自身固有的特性參數(shù)決定的，所以合理選擇電氣設(shè)備的類型、參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)是顯著提高系統(tǒng)功率因數(shù)最為有效的方式。在各類電氣設(shè)備中，變壓器是其中消耗無(wú)功功率較多的一類設(shè)備，故在選擇變壓器用型時(shí)，要充分考慮其容量以及臺(tái)數(shù)對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，其高壓側(cè)與低壓側(cè)的功率因數(shù)相同，此時(shí)變壓器鐵芯的勵(lì)磁的有功損耗和無(wú)功損耗是變壓器損耗的主要組成部分，且無(wú)功損耗遠(yuǎn)大于有功損耗，故空載運(yùn)行時(shí)變壓器的功率因數(shù)接近于0，當(dāng)變壓器輕載運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)載的增加，變壓器一次側(cè)的功率因數(shù)開(kāi)始接近于用電負(fù)載的功率因數(shù)，故提高負(fù)載率可提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先明確用電負(fù)載的容量，做到合理分配，再根據(jù)容量選取合適的變壓器型號(hào)，使系統(tǒng)功率因數(shù)得到顯著優(yōu)化。

在海水淡化的電氣系統(tǒng)中，異步電機(jī)是其中消耗無(wú)功功率最多的電氣負(fù)荷，在用電功率較大的情況下，用同等容量的同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更為合適，因其本身的自然功率因數(shù)較高且可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)，但海水淡化系統(tǒng)中由于無(wú)大型水泵，使用同步電動(dòng)機(jī)造工復(fù)雜、造價(jià)高，故在此探究合理選擇異步電動(dòng)機(jī)的方案。異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)同樣與負(fù)載率有著較為密切的關(guān)系，其無(wú)功功率的消耗主要由空載無(wú)功損耗與帶負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率兩部分構(gòu)成，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的勵(lì)磁電流小于轉(zhuǎn)子電流，而定子電流與轉(zhuǎn)子電流相差無(wú)異，故轉(zhuǎn)子與定子的功率因數(shù)都較高，因此為了提高異步電機(jī)的自然功率，應(yīng)盡量不要讓其處于空載運(yùn)行狀態(tài)，合理提高其負(fù)載率。一般要求異步電機(jī)負(fù)載率在0.7以上，所以在選擇異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)負(fù)載率來(lái)選擇合適容量的設(shè)備。因?yàn)楹ＫO(shè)備并不是長(zhǎng)期運(yùn)行的，所以對(duì)于間歇運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其空載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致其功率因數(shù)降低，從而消耗大量無(wú)功功率，所以可以通過(guò)技術(shù)手段，使用自動(dòng)投切裝置或自動(dòng)斷電裝置來(lái)控制異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，從而減少其空載運(yùn)行的時(shí)間。

3.2 變頻調(diào)速的技術(shù)措施探究

變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以使電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行工況變化時(shí)減少能量損耗，并且可以使其具有軟啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)時(shí)做到平滑、無(wú)沖擊啟動(dòng)，減少電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流。變頻調(diào)速系統(tǒng)一般由變頻器、控制器等裝置組成，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率公式n=60f(1-s)/p可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與其輸入電源頻率f、電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、極對(duì)數(shù)p有關(guān)，故調(diào)節(jié)這三者均可能達(dá)到電機(jī)調(diào)速的效果，變頻調(diào)速技術(shù)正是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。在調(diào)速過(guò)程中，由于電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)是由定子繞組切割磁感線產(chǎn)生，根據(jù)表達(dá)式E=4.44Kwφf(shuō)W可知，當(dāng)頻率f發(fā)生改變時(shí)，電動(dòng)勢(shì)E不變必然會(huì)導(dǎo)致氣隙磁通φ的改變，故而給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)磁路飽和、勵(lì)磁電流增大、定子繞組過(guò)熱損傷電機(jī)等不利影響，所以在電機(jī)變頻調(diào)速過(guò)程中，須同步協(xié)調(diào)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的控制，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。

舉例說(shuō)明,在矢量控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,矢量調(diào)節(jié)控制方法基于空間相量理論，同時(shí)考慮了磁通量和感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩M的控制。原則上定子電流空間相量被分解為兩個(gè)垂直分量（磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量），這兩個(gè)分量是單獨(dú)控制的,下面將分析定子磁通受控制的變頻運(yùn)行的永久諧波狀態(tài),但必須指出的是，在理論成果中，將考慮具有恒定參數(shù)，無(wú)鐵損或飽和的感應(yīng)電機(jī)。當(dāng) = var時(shí)，感應(yīng)電機(jī)的相位等效方案如圖1所示。

由于 = ?，這意味著定子磁通實(shí)際上在勵(lì)磁電流控制下減小,當(dāng)頻率>時(shí)，由于定子電壓限制為=，因此感應(yīng)電機(jī)將在弱定子磁通條件下運(yùn)行, 根據(jù),可得定子磁通的減小是按照“ 1/”的規(guī)律,故定子磁通的減少將決定最大扭矩,在此情況下，定子頻率最大值將由不變的電磁功率下的定子頻率值確定，將針對(duì)不同的定子頻率值從不變的電磁功率條件=M=M/p建立定子頻率最大值,所以為了確保=ct在頻率范圍內(nèi),需滿足, 如果在最大定子頻率處施加條件=，則有：=,,另：，可得：。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)具有增加的過(guò)載轉(zhuǎn)矩能力的感應(yīng)電機(jī)，可以獲得頻率的增加。同樣，該技術(shù)也可以用于海水淡化的水泵中，主要是通過(guò)改變水泵葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵流量的控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，探究海水淡化電氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)不僅意義重大而且十分必要，尤其在目前水資源短缺以及居民用電緊張的大環(huán)境下，探究該技術(shù)對(duì)國(guó)民生產(chǎn)以及居民生活都帶來(lái)良好的影響，本文主要通過(guò)探究對(duì)變壓器等設(shè)備的選型以及對(duì)電動(dòng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速方面來(lái)探究節(jié)能降耗措施，通過(guò)一系列舉措，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能降耗，從而降低能源浪費(fèi)，減少企業(yè)成本，促進(jìn)資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。

原標(biāo)題:海水淡化電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探索