光伏企业循环水系统节能改造技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：曾勇（1973），男，汉族，本科学历，副教授，高级工程师，主要研究方向为太阳能光伏设备及供电系统谐波治理技术，太阳能光伏生产设备维护、节能技术改造及应用；机电一体化技术等实践实训教学。-175-光伏企业循环水系统节能改造技术研究 曾 勇 新疆昌吉职业技术学院，新疆 昌吉 831100 摘要：摘要：针对笔者所在光伏企业的单晶硅生产设备外循环冷却水系统运行现状，研究外循环冷却水系统工程改造的技术原理和技术方案，有效抑制和消除用电设备谐波等电力污染，优化用电设备控制线路，保护终端用电设备不受损害，最大限度地保护整个系统和各用电设备工作的稳定性和安全性，提高设备生产力及有效延长设备的使用寿命。降低电费开支，有效节省用电成本，保证设备运行成本、维修和检修成本的最低化，能源利用效率最大化，从而达到节能增效益的目的。关键词：关键词：外循环冷却水系统；温控系统；电能效率；多功能节电器；节能增效 中图分类号：中图分类号：TU8 1 概述 随着社会经济的迅速发展，有效的使用电力，提升电能效率，让工业生产制造企业电力产生更大的功效，已经变得刻不容缓。企业要提升自身的竞争力，就一定要确保产品的品质，降低生产制造成本，都与能源消耗和用电效率有着非常直接和密切的联系。企业的外部竞争力，今后将主要体现为企业内部电能消耗的科学管控能力和电能效率的改善和提升能力，企业长期稳步发展的综合竞争力，将是企业有效提升电效能力一种延伸的结果和展现。构建可持续的能源资源体系，推进绿色能源生产和高效利用，实现能源节能高效、低碳转型，是我国工业高速、高质量发展持之以恒的奋斗目标。2 研究背景 在电力、工矿、生产制造等不同行业领域，其生产及附属设备工作运行系统中，风机或水泵设备有着广泛应用，成为工业生产过程中不可缺少的设备之一。这些静态负载型设备一般都以电动机进行驱动；而电机是能源消耗的重要设备之一,其节能要求、工作模式及运用控制方式会直接影响企业稳步发展。在许多工业企业的生产现场，配置的冷却循环水系统主要采用水流恒流运行模式，生产耗能较大，电能效率较低，实际运行中大部分水泵负荷均不在额定功率下的满负荷状态运行，因生产工艺原因及实际需求，经现场检测，冷却循环系统中水泵的工作负荷一般在其额定功率的百分之五十至百分之七十之间，甚至更低。但电机工作基本处在恒速状态，普遍方法是通过调节管道阀门大小或放空回流控制流量或压力，这样导致大量损失消耗电能，运行功率越大的风机和水泵电能能耗越高。笔者所在光伏企业的太阳能级生产设备的外网循环冷却水系统主要由：4 台型号为 KLW200-315K 的循环水泵（电机额定功率 55 千瓦），4 台150 板换式换热器及 6 台5.5KW 风机的静音圆形逆流式冷却塔以及工艺水池、冷却水泵、冷却管路等装置组成的循环水系统。按照生产设备循环冷却水工艺要求，控制生产设备内网循环进水温度为 24+0.2之间，企业目前的内循环水温控制方式为人为手动控制阀门开度和冷却塔轴流风机开启数量方式，每年的 11 月至次年 4 月，一般运行 1 台循环外循环水泵并配合开启冷却塔风机的数量来调节温度，夏季为 3 台循环水泵配开冷却塔风机来调节，人工控制方式很难根据户外温度变化来自动调节，无法保证进水温度稳定在 24，从而造成大量的人力和能耗浪费。图 1 循环冷却水系统图 中国科技期刊数据库 工业 A 图 2 水泵流量和扬程工作曲线图 3 节电原理 3.1 调速节电 在配置风机、水泵的冷却循环系统中,风机或水泵电机如采取合理转速控制方式进行控制风量或流量,在节电方面是一种非常有效的措施，水泵的节电工作原理按上图说明：采用水泵的工作现场都需在保持恒定管道压力的情形下调整给水量（流量 Q），上图为 n1、n2、n3 不同三种转速与 流量、扬程的关系曲线图；如图分析：如流量下降时，若不改变水泵转速，扬程将上升，如图输出功率为 Q2*H2。原 A 工作点功率为 Q1*HT，面积AHTOQ1，两个工况实际所耗用的功率相差不大，当水泵转速降低至曲线 2 时，节电量为 Q2（H2HT），图上 DBH2HT 区域大小就是节电量。水泵电机输出功率正比于转速的三次方关系，当工作转速降至额定转速80%，那么输出功率降至 Pe 的 50%；保持扬程稳定，实际转速下降到额定转速 70%时，此时电机轴功率是额定值的 34%,节电达 55%以上，节电效益非常明显。3.2 软起动节电 电动机软启动器是一台晶闸管相控调压器，其运行节能功能通过适当降低电机定子端电压来进行实现，定子端电压下降后电机的工作特性变化情况：（1）因减小的电压会降低励磁电流，功率因数会提升；(2)由于励磁电流下降，定子铁损会以平方关系下降；定子电压得到控制后,会提升功率因数、减少定子铁耗。从而达到节能效果 510%。此外交流异步电动机如采用直接启动方式，其起动电流是额定时 5-7 倍，设备不仅电耗高，机械磨损和振动都大，也会导致电网电压严重受到冲击；如电机启动采用软启动控制技术，可将起动电流限制到 1.2*Ie 以下，电机启动平稳，机械应力影响降到最低，起动能耗大大减少。3.3 轻载降压节电 电动机的实际输出功率在正常运行状况下大部分都不是按额定功率满载工作，存在很多时段场合处于轻载运行；根据电动机运行工作的负载特性分析，电机只有在满负荷运行时其输出的效率最高、功率因数最佳，而轻载时导致很多不必要的电能损耗。轻载情况下，电机转动时负载较小，电机输出功率不需要达到额定功率水平，因此可以降低电机供电电压，控制电机的输出功率达到节能目的；是因为轻载、空载时绕组电流有功分量很小，故功率因数很低，而空载损耗中主要是电机定子满电压的铁损没有降低。另外，随着电压下降定子铁损迅速下降，轻载时主要损耗的铁损能耗会大量减少，由此电机额运行效率会大幅度提升，这就是轻载降压节电的原理。3.4 提升功率因数节电 通过功率因数补偿装置，可以功率因数大幅度提高，这样可以节省很大的无功损耗，一般可节省 25%左右。4 技术改造方案 现场测量 KLW200-315K/Pe=55KW 型循环水泵的运行技术数据，有功功率为 49KW，功率因数为 0.87，开启户外冷却塔的 3 台5.5KW 风机和一台循环泵来控制生产设备内网进水温度为 24，根据上述测量结果，通过技术改造，研究采用以下解决方案：在现场附属设备水泵房内安装高效能节电装置 3 台，一台做变量控制，另两台做定量控制。在内网进水口安装两套温度传感器，其中一套做 PID 调节作为远程温度反馈信号采样，另一套做报警输出，整个系统采用西门子 PLC+温控系统+高效能节电装置。根据现场生产设备循环水温度工艺要求做配方，来完成整个系统的自动控制。通过实施，工作水泵功率因数将由现在的 0.87 提高到0.95，节电率可以控制在 15%左右。5 改造方案实现的功能与技术特点 5.1 改造方案实现的功能 （1）节能与自动化 本技术方案设计的研究思路是“控制液体循环系统的流量，达到最大的节能及自动化控制”，适用于176中国科技期刊数据库 工业 A 风机、水泵，螺杆式压缩机等机械设备运行的流量调节控制。（2）多种功能选择 本技术方案不同于产业机械的控制特性，风机水泵等流体负载具有不同的起动，停止及运转特性，包括水泵低惯量，水槌效应，风机高惯量及正反馈工作特性等，节电设备设置有不同功能的选择模式。（3）PID 功能闭环控制 本技术方案在对循环系统关键指标-流量的自动化控制调节过程中，综合利用 PLC 控制技术、变频调速技术、动态无功功率补偿技术，通过 PID 闭环控制功能，自动跟踪负载变化，实时调节水泵输出功率，大幅度降低用电成本。在管道进出口处配置压力、流量、温度传感器实时检测，通过内部设置好 PID 功能参数构成系统闭环控制，达到自动调节运行效果，适用与许多恒压供水或恒压供气（如多台螺杆式空压机并联方式运转）的工作场合。水泵至板换出口的实际压力由温度传感器转换成电信号反馈到 PID 调节器的输入端，在输入端给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值经过 PID 调节，PID 调节器可以通过改变其输出频率调整水泵的转速，迅速、准确地消除系统的温度偏差，回复到设备所需的给定值温度。（4）节能省电 风机泵浦类负载与转速关系为三次方曲线，低流量时设备负载较轻，此时水泵电机的实际功率因数较低；为提高节能省电的效果，设定有节能省电模式功能，可以提高功率因数，使无功电流降至最少，水泵电机的损耗将会进一步降低，节能效果显著。（5）输出管路泄露及阻塞检测 在水泵的流量调节过程中，当发生管路泄露及阻塞问题时，若单纯由流量、压力进行闭合回路控制，节电装置将产生误判，形成失控（例如：自来水管路破裂时一般系统会判定是用水增加而不断增加流量供给）。因此在循环系统管路设置堵塞或破口故障检测和预防非常重要，本技术方案具有管路泄漏及阻塞的检测功能，同时可根据系统的变化作灵敏度的调整。（6）输入管路的检测及驱动系统的保护 水泵在运行过程中如发生入口处杂物或泥污等物质堵塞，将会造成水泵无水运行导致过载烧毁电机可能；本技术方案设计负载检知功能，能对管路阻塞故障提出警报信号，确保达到驱动水泵正常运行及相关机械部件的保护功能。（7）多泵恒压供水的应用 依据实际情况除适合单台水泵恒压供水的情况，本技术方案也适用多台循环水泵系统的使用，通过设定多段运行频率，通过远程压力传感器检测水压可自动启动另一台备用水泵运行，以增加流量供给。太阳能级光伏生产制造企业中单晶硅生长炉在拉晶过程中，设备对管道水压及流速稳定不波动有特殊要求，方案中采用自动调节功能，保证循环冷却水系统稳定运行。避免循环冷却水供应不及时或水压波动频繁造成单晶生长炉设备炉体加热器跳闸断电、中止单晶炉正常运转，炉体内部因冷却不到位发生形变等危害人身及设备安全以及单晶硅产品质量问题。5.2 改造方案的技术特点 本技术方案采用高品质、低噪声多功能智能节电装置，具有以下技术性能：（1）采用优化空间矢量 SPWM 控制，输出电流谐波成分小，运行平稳效率高。（2）采用新一代绝缘栅双极晶体管功率模块驱动，最大载波频率可达 25KHZ，静音运行。（3）融合先进的微电脑控制技术、抑制高次谐波、降低水泵频繁启动所产生的峰值电流、修复平衡输入电网供电电源的波形，输出电压基本保持稳定。（4）防水型数字键盘、模拟量电位器、PC 接口等多种输入方式，控制方式灵活、方便。（5）具有过欠压失速、过流限幅保护、转速追踪平滑再启动等功能，适应各种复杂工况。（6）配置 PID 调节器，实施压力、流量及温度参数优化闭环控制，操作简单。（7）配置 RS-485 通讯接口，并提供 Modbus 通讯协议和计算机联网操作软件功能。（8）保护功能完善，当发生短路、过流、过载、过压故障时，系统均能即时保护。5.3 技术改造达到的目标：（1）可以降低电耗 152%，降低电费开支，有效节省用电成本；（2）可以有效抑制和消除谐波等电力污染，提高用电品质；（3）最大限度地保护整个系统和各用电设备工作177中国科技期刊数据库 工业 A 的安全性；（4）降低用于设备维护、检修、更新所带来的各类成本的投入；（5）充分发挥水泵电机实际输出功率的运用。6 节电效果分析:冬季运行费用分析：（11 月至来年 5 月）在此期间循环水泵运行工作 1 台，风机 3 台。系统改造前每天耗电量为（49KW+35.5KW）24 小时=1572 度电，每月耗电量为 157230=47160 度，每月消耗电费为47160*0.50 元=23580 元，通过节能改造后节电率 15%计算，每月电费可节约 3500 元左右，半年节约 21000元。夏季运行费用分析：夏季在此期间运行为 2 台循环水泵及 6 台风机，功率 249KW+65.5KW 为98KW+33KW=131KW，系统改造前每天耗电量 13124=3144 度，每月消耗电费为 3144*30=94320 度，按节电率 15%计算，每月可节约 14148 度电0.50 元/度=7074 元；半年节约 42400 元。全 年 节 约 电 费:冬 季 节 电 21000+夏 季 节 电42400=63400（元）。7 结束语 综合各方面因素，技术人员需根据现场实际管道线路及水泵控制线路情况进行技术改造方案的设计，依据现场多次实测数据（管道压力、水泵负载功率、水温），结合经济角度考虑，以符合现场应用环境为标准，从水泵管道、电气控制线路、控制程序、水泵保护及预警功能进行系统改造，一方面能起到用电设备电能使用效率，降低用电成本的作用，同时还能起到保护用电设备不受电网谐波损害的功能。对循环冷却水系统进行技术改造后，技术方案达到了节能增效的预期目标，节能效果明显。技术改造后的冷却循环水系统可根据光伏太阳能生产线工艺的要求进行动态调整，系统稳定可靠，有力保证单晶生长设备产品质量，提高了生产附属设备的使用寿命，值得在行业全面推广和应用。参考文献 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