电气节能技术-第2章节能原则与节能方法

第2章节能原则与节能方法11级电力电子与电力传动专业电气节能技术学时20+10任课教师王世荣联系电话[phone]第2章节能原则与节能方法一、电动设备节能原则二、电动设备节能方法三、节能原理第2章节能原则与节能方法第2章节能原则与节能方法第2章节能原则与节能方法一．电动设备节能原则电是经过精炼的二次能源。目前的电力，主要是由水力或煤、石油等资源转化而成，转化效率很低。即使现代化火力发电厂的转化效率也只有40%，若把输电损耗考虑在内，则只有35%左右。与其他能源相比，可以说电是高价的贵重能源。第2章节能原则与节能方法就应用来说，与其他能源相比，电具有稳定、无公害、高效率、便于输送、便于控制、准确度高等优点。因此，电的使用范围很广，从家庭到采光、动力、产热、化学、电子等工矿企业，需要电就如同需要空气和水一样重要。其中，在采光和动力(汽车等除外)方面，电的应用独占鳌头，其用电量占总用电量的70～80％；在基础工业中，除电炉、电解用电外，在普通工厂的总用电量中，动力用电占70～80％；以电灯为主的商店或办公楼，因为用电采暖制冷，动力耗电也在50％以上。因此，电动设备的节能占电气节能的一大半。第2章节能原则与节能方法1全面改进电动设备—提起电动设备，往往就会想到电动机，但电动设备不仅是电动机本身，而是以电动机作动力的全部机械设备，电动机只是设备的动力源。因此，改进电动设备，除改进电动机这重要的一项以外，还要改进整个设备，使之合理化。电动设备包括的范围非常广泛，形式各种各样，难以一一说明。因此，可根据工作性质和目的不同进行分类，如表2-1所示。第2章节能原则与节能方法第2章节能原则与节能方法电动设备的工作机理如图2-1所示：物质由电动设备做功，即输送和加工。为了达到生产目的，投入的主要能量是动力(电气)和劳力，要尽可能地将劳力转换成动力(电气)，以节省劳力。在做功过程中，还可加入各种形式的自然能(包括热、重力、气体等)。由于加入能量的方法不同，所得效果也不同。例如，有的将促进做功增加能的效率，也有的为达到做功目的还要加入能量而减低能的效率，此外，还有加入的能量没有做功反而损耗掉的。第2章节能原则与节能方法损耗有下列几方面：①电动机损耗；②动力传递损耗(打滑、摩擦等)；③多余做功损耗(过量、修正)；④控制损耗。因此，电动设备的节能就是要减少损耗，而且要使包括自然能在内的能量有效地做功。第2章节能原则与节能方法（1）改进电动设备的重点以上述内容为标准，改进电动设备的重点可举出下列几方面：①关于省力和节能方面的劳力和动力的配置是否良好；②设备容量是否适合所需的工作量；③自然能是否有效地得到利用；④主要能量的动力源是否合适；⑤控制损耗是否少；⑥动力传递方法是否合适。为了达到做功目的，要对以上各条进行研究。第2章节能原则与节能方法（2）性能分析（对上述各项的看法）对节能的研究不是笼统的，而应看其效果如何。为此，用数字表示节能的效果是很必要的。对于电动设备来说，电力输入是比较容易测定的，并可准确地进行计算，但还要把它转换成机械功。这种情况，做功量可用W(瓦)或kW(千瓦)表示。图2-1中“达到目的”不是简单的机械做功量，而是要以各种不同的形式表现出来。因此，作为标准要求用单位用电量、电能成本进行比较是合适的，即①标准生产量总用电量单位用电量电能单价单位用电量电能成本总用电量支付电费电能单价第2章节能原则与节能方法②关于省力和节能方面的动力和劳力配置在机械工业发展以前，做功都以劳力为主。由于机械工业的迅速发展以及计算机的出现，不仅减轻了体力劳动的强度，而且在某种程度上也减轻了脑力劳动的强度，出现了劳力向动力转化的省力化局面。由于用动力代替劳力可减轻劳动强度，所以动力用量随之增加了。但适当地、正确地管理机械运转所需的劳力是必要的，管理的好坏，会使电动设备的能力和效率大不相同。③设备容量是否适合于工作量设备容量不足，产量马上会减小；设备容量过大，往往会造成意想不到的、巨大的浪费。设备过大，效率低下；若一部分设备容量过大，总设备容量也要增大，还会增加电能成本。第2章节能原则与节能方法④自然能的有效利用自然能，即太阳能、风力、势能(落差)等。其中，有的可以利用，达到节能的目的；但有的却会起反作用，造成很大的能量损失。有效利用自然能与发生相反作用的自然能之间，效果相差二倍。例如，势能(落差)mgh为9.8×质量×高度。有效地利用势能，即从高处向低处输送物体时，几乎不需要动力；相反，当从低处向高处输送时，则所需动力＝输送动力十势能这是谁都明白的。但是，因为这是司空见惯的事，往往引不起注意，不难设想这可能是节能的一个方面。第2章节能原则与节能方法⑤动力源的电动机是否适当电动设备的主要动力源是电动机，电动机种类很多，各有各的特性。表2-2列出了电动机的分类。第2章节能原则与节能方法关于选择的电动机是否合适，可以从下列几方面考虑：(i)对于特定机械和作业特性是否是最合适的；(ii)容量是否适合于60%～100%负荷；(iii)转速是否适当；(iv)形式及安装方法是否合适；(v)动力传递方法、负载控制是否适当。在最佳状态下，使用对特定作业最合适的电动机是很重要的。第2章节能原则与节能方法⑥适当的控制万法电动设备需要控制的情况有下列两种：(i)负载性质的变化，常常需要改变速度时的控制；(ii)平常以一定速度运转，由于负载状态的变化为了调整输出功率而进行的控制。对于第(i)种情况，可根据调速范围，采用各种控制方法；对于第(ii)种情况，一般使用应用范围最广的三相感应电动机，因为这种电动机速度一定，变速困难，所以常常在负载侧对负载进行调整，这样往往把能量浪费在进行负载调整上。第2章节能原则与节能方法在这种场合，如果进行的是最佳设计，则第(ii)种控制就不需要了，但实际上因下述理由，一定要改变负载。(i)因生产变化使负载变化；(ii)因气温、季节变化使负载变化；(iii)因原材料变化使负载变化；(iv)因时间分段使负载变化。因此，不改变负载是不可能的。从而，对于在这种负载变化时输出功率的调整，需要由负载变化的频度和变化量而定，要尽可能考虑经济的调整方法。第2章节能原则与节能方法关于电动机的调速方法，如表2-3所示:第2章节能原则与节能方法⑦动力传递方法以电气为动力源的设备传递动力的方法有以下几种：(i)由皮带传递：其特点是A皮带因打滑、摩擦等损耗多，效率低；B改变皮带轮直径，容易改变速度；C负载急剧变化时，因转差可缓和振动。(ii)直接连接：电动机的旋转可直接传递出去，效率高。(iii)电磁耦联：能控制速度，联接器大，设备费高。(iv)齿轮连接：其特点是A电动机转矩可不变地传递，冲击小；B改变齿轮可以改变速度。第2章节能原则与节能方法(v)离合器连接：其特点是A有转差损耗，效率低；B由于转差可缓和冲击；C动力可自由接脱。(vi)油压、气压传递：其特点是A因为把动力变成油压和气压传递，需要转换装置；B在细小复杂的部分，用软管传递比较容易；C可用小型装置输出较大的转矩；D有漏损，要认真管理。第2章节能原则与节能方法如上所述，传递方法种类繁多、各有优缺点，需要由最适合设备的方法传递。用油压和气压传递动力，其优点很多，新开发的机种也多。但对改成油压、气压的理由，以及其优点和转换损耗等要加以认真考虑，这一点也很重要。第2章节能原则与节能方法2．制定改造设备的方针以上从节能观点出发，对改进电动设备和存在问题分别作了说明。接着，应制定改造方针，然后再进行改造。在这种情况下，虽然找出了存在的问题，但还要考虑从哪方面、采用什么方法进行改造等问题，如：①由于需要设备投资，预算上的问题；②改造后效果确实提高了，但还存在技术上的问题；③不停产进行改造，与何时进行的问题等。第2章节能原则与节能方法对于这些问题的决定要有自信和勇气，因此，把存在的许多问题加以清理是必要的。(1)确定重点改造项目的方法检修设备，可找出存在的许多问题，为了解决这些问题，应考虑如何进行改造。若要全部改造，就要考虑效果以及是否会半途而废。对存在的问题中，要确定这次改什么、进行到什么程度等问题，制定重点集中的目标，需要做出改造计划。第2章节能原则与节能方法关于确定重点的方法，可考虑以下几个方面：(a)要从现存问题最大的部分、生产上关键部分、认为效果较大的部分进行改造这种场合，要从企业整体的目的出发，不能有任何差错，如果弄错了，就成为不符合要求的改造，也就成为没有效果的改造。(b)从容易着手的设备进行改造虽然问题弄清楚了，但要进行改造，还需要设备投资,其结果能否取得投资效果，还有各种担心；另外，在技术上也要充分慎重的研究。因此，作出决定要有很大勇气，而且，过分考虑结果也会什么都决定不下来。如果从容易着手的设备开始，循序渐进地改造，再根据积累的经验还可提出下一步的改造措施，最后往往能达到预期的目的。第2章节能原则与节能方法(c)在研究经济效益的基础上，实施有效的改造计划对于改造的效果，要研究需要多少改造资金以及能在几年内回收投资，一定要进行有经济效益的改造。在这种情况下，计算投资效果是很重要的。如果得不到效果，可以停止改造；若计划不能一次完成，就把目标放低一点，再次研究经济效益，直到能得到效益的时候再修改计划。因此在这个范围实施计划是很重要的。设备改造一旦完成，与新设备时相比，改造费用总是比较高的，然而，按当初想象的形式改造是相当困难的。但如果完成第一阶段后，再循序渐进地研究第二阶段的改造，最后往往能够实现当初的目标。第2章节能原则与节能方法(2)改造时间改造项目决定后，就要计划何时进行改造。关于改造时间可从长期和短期两方而考虑：(i)长期考虑：①损耗量和改造效果的大小；②设备使用年限和折旧年限；③生产情况；④年投资预算的估算。(ii)短期考虑：①工厂作业情况和改造停机时间；②季节变化；③机器交付期。第2章节能原则与节能方法下面对上述各项作如下说明：(a)损耗量与改造效果的大小每天每小时都会发生损耗，其量很大。每天都有巨额资金的东西损耗掉，希望能早一天采取改变这种状态取得巨大效果的措施。如果投资金额和利息能在一年内回收，就应该尽快进行改造。(b)设备使用年限和折旧年限设备都是有寿命的，使用一定时间后，效率也会下降，若用图表示，就如图2-2(a)所示。第2章节能原则与节能方法图2-2设备改造的时间（a）设备效率与折旧年限的关系；（b）损失的金额与折旧年限的关系1-改造时间P；2-由于效率下降造成的损耗；3-改造时，一年的费用假定设备的使用寿命为10年，10年后当然要更新，这10年是设备改造的最长时期；此外，由于损耗，损失的金额随效率降低而增大，如图2-2(b)的曲线所示。第2章节能原则与节能方法图2-2设备改造的时间（a）设备效率与折旧年限的关系；（b）损失的金额与折旧年限的关系1-改造时间P；2-由于效率下降造成的损耗；3-改造时，一年的费用另一方面，设备改造的每年费用(设备投资金额的折旧费十投资金额的利息-改造效果的效益)，如图2-2(b)的虚线所示。因此，若现有设备效率下降的损耗金额，大于设备改造每年费用，则在这时进行改造设备费用小，这是有利的；改造设备时间就是图2-2(b)的损耗曲线和改造费用曲线的交点，即图中P点。只要改造效果大，设备改造费用就小，其交点就越来越短第2章节能原则与节能方法(c)生产情况从长期生产设想来看，假定设备能力不足，就需要增加设备能力，增加设备的时刻就是改造时间。常有这样的例子，由于改造设备，增大了设备能力，因此，就不需要增加设备了。(d)每年投资预算的估算任何企业设备投资所需的费用，不是没有限制的。因此，要根据企业年度预算的多少，估计能在哪些方面进行改造，确定轻重缓急，有必要逐年依次按计划进行。以上是从长期考虑的。其次，对于在年预定计划中，应确定今年哪些设备需要改造，以及什么时候进行改造，并应对一年的短期改造想法加以说明。第2章节能原则与节能方法(e)工厂作业情况和停产改造时间工厂是靠经常运转而提高生产的，停止作业，损失是非常大的。例如，每月产值为P的工厂，如果停产l天，就