海水淡化电气系统节能技术探索

摘要：淡水资源的缺乏已经成为了全世界所关注的严峻问题，在全世界14个严重国家之中，中国位列其次，电厂作为众所周知的用水大户，水资源紧缺成为了多数电厂面临的挑战，作为沿海电厂，向大海要水发电是发展的必要趋势，为降低海水淡化系统的能源消耗，文章将从功率因数、设备选型以及变频调速三方面对电气节能技术进行探索，以达到节能目的。

关键词：海水淡化；能源损耗；电气

上世纪70年代以来，大多数沿海国家都竞相投入海水淡化的潮流，建立海水淡化装置和海水淡化厂，近两年我国海水淡化的发展速度有所增长，海水淡化已经从市场培育期进入市场成熟期，作为用水大户的沿海发电厂，建立自己的海水淡化系统不仅可以缓解供水压力，还可在一定程度上节约成本。建立海水淡化系统前期需要一定投资，从阶段性经营角度分析，降低系统能源损耗，节约运行成本，对企业扭转盈亏十分有必要。

1 探索海水淡化电气系统节能技术的重要意义

1.1有利于提高对节能降耗的重视程度

截至2015年底，我国已建成海水淡化工程121个，海水淡化产能为100.88万吨/日,国内海水淡化项目总体呈上升趋势，但仍然与其他国家有一定差距，且我国目前所建几个大型海水淡化厂，基本用于供电或工业制造，用途单一，配电工程较为简单，虽然我国在上世纪80年代就开始引进海水淡化设施，但是海水淡化的发展速度一直十分缓慢，而且上马的都是小型淡化装置，其原因主要在于人们对缺水以及海水淡化的认识还不够深刻、我国的经济发展水平还难以承受海水淡化相对高昂的成本。从海洋中提取淡水，资源可谓取之不尽、用之不竭，是真正实现水资源持续利用的高新技术，符合我国经济和资源环境持续发展的国策。我国政府对海水淡化技术十分重视，海水淡化技术已经列入《中国21世纪议程》中作为实现水资源持续利用的推广示范技术;《中国海洋21世纪议程》更是把发展海水淡化技术和建立海水淡化的示范工程并进一步在有条件的地区推广列为优先发展项目。国家科技部和国家海洋局对发展海水淡化技术十分重视，先后在―七五、―八五、―九五、―十五期间对海水淡化技术进行了经费支持。探索对海水淡化系统的节能降耗技术措施，可以在一定程度上节约成本，降低损耗，尽快扭转企业盈亏，促使更多的用水企业投入到海水淡化系统的建设中来，从而提高对资源节约的重视程度。

1.2有利于降低发电厂能源损耗

电气系统作为海水淡化系统重要的组成部分，对水电联产的发电厂而言是能源消耗的主要原因，由于近几年新能源发电产业的崛起以及国家鼓励优先调度新能源发电的一系列举措，使得传统火力发电厂陷入空前的生产运营压力之中。降低生产用能，减少能源损耗，成为了减少发电企业运营成本的重要环节，尤其在新建系统中，因前期投资较大，不能短时高效地收回成本，所以节能降耗措施不仅可以缓解运行压力，还可以节约成本，保证电力系统经济稳定运行。

1.3有利于提高设备的使用频率

随着用电负荷的不断增加，设备使用率也随之提高，尤其是重大活动保电、迎峰度夏及供热季期间，设备故障频发不仅影响着机组运行，也增添社会、居民用电压力，使得发电量无法满足城市发展以及人们的生活正常需求，故积极探索设备的节能降耗技术，提高设备性能是非常必要的，设备性能的提高可以降低设备故障率，从而降低检修成本，减少不必要的开支。故优先选用节能变频设备，不仅可以降低能源消耗，节约企业运营成本，更在一定程度上提高了设备的使用频率，减少故障发生率，提高系统的可靠程度。

2海水淡化系统能源损耗原因分析

2.1系统负载水平导致的能源损耗

功率因数的大小是衡量电气设备的重要参数，由于系统中设备众多，一些非线性电气设备或功率因数低的设备使得整个系统功率因数偏高，异步电动机和变压器是配电系统提供无功功率的主要对象，架空线等电力线路由于电抗的存在，在电流通过时也需消耗一定的无功功率。阻感性负荷的固有性质决定了其在工作过程中，必须消耗一定的无功功率才能维持工作。电力用户功率因数较低时，用户配电系统在消耗有功功率的同时也消耗大量的无功功率，这些无功功率对发电、输电、供电、配电系统都会产生不良的影响，并增加电力用户的用电费用，无功功率输出降低，从而电能不能充分利用，导致部分电能无法有效输出，导致能源损耗。

2.2电动设备能源损耗

由于海水淡化系统水泵类负载很多，主要有给水泵、凝结水泵、循环水泵等，通常耗电量最大的是一些高压泵和水泵的电机，在系统调节水泵流量时，通常采用给水泵定速运行或是调节阀门开度的方法，往往会带来节流损失大、管损严重、出口压力高等问题。当系统运行过程中流量降低时，通过调节使阀门开度减小，从而使压差增加，造成严重的压力损失，使得设备寿命降低，并大大降低了系统运行的可靠性。

3 海水淡化电气系统节能技术研究

3.1 控制系统功率因数的措施

因系统的功率因数是由各电气设备自身固有的特性参数决定的，所以合理选择电气设备的类型、参数等各项指标是显著提高系统功率因数最为有效的方式。在各类电气设备中，变压器是其中消耗无功功率较多的一类设备，故在选择变压器用型时，要充分考虑其容量以及台数对系统功率因数的影响。当变压器空载运行时，其高压侧与低压侧的功率因数相同，此时变压器铁芯的励磁的有功损耗和无功损耗是变压器损耗的主要组成部分，且无功损耗远大于有功损耗，故空载运行时变压器的功率因数接近于0，当变压器轻载运行时，随着负载的增加，变压器一次侧的功率因数开始接近于用电负载的功率因数，故提高负载率可提高系统的功率因数，在设计电气系统时，应先明确用电负载的容量，做到合理分配，再根据容量选取合适的变压器型号，使系统功率因数得到显著优化。

在海水淡化的电气系统中，异步电机是其中消耗无功功率最多的电气负荷，在用电功率较大的情况下，用同等容量的同步电动机代替异步电动机运行更为合适，因其本身的自然功率因数较高且可通过调节励磁电流来调节，但海水淡化系统中由于无大型水泵，使用同步电动机造工复杂、造价高，故在此探究合理选择异步电动机的方案。异步电动机的功率因数同样与负载率有着较为密切的关系，其无功功率的消耗主要由空载无功损耗与带负载时的无功功率两部分构成，当异步电动机带额定负载运行时，此时的励磁电流小于转子电流，而定子电流与转子电流相差无异，故转子与定子的功率因数都较高，因此为了提高异步电机的自然功率，应尽量不要让其处于空载运行状态，合理提高其负载率。一般要求异步电机负载率在0.7以上，所以在选择异步电动机时，应根据负载率来选择合适容量的设备。因为海水淡化设备并不是长期运行的，所以对于间歇运行的异步电动机，其空载运行时间较长，会导致其功率因数降低，从而消耗大量无功功率，所以可以通过技术手段，使用自动投切装置或自动断电装置来控制异步电动机的启动，从而减少其空载运行的时间。

3.2 变频调速的技术措施探究

变频调速技术不仅可以使电动机在运行工况变化时减少能量损耗，并且可以使其具有软启动功能，在启动时做到平滑、无冲击启动，减少电动机的启动冲击电流。变频调速系统一般由变频器、控制器等装置组成，通过改变电动机的电源频率来调节其转速，通过异步电动机的实际转速和转差率公式n=60f(1-s)/p可知，异步电动机的转速n与其输入电源频率f、电机转差率s、极对数p有关，故调节这三者均可能达到电机调速的效果，变频调速技术正是通过改变电机定子绕组频率来实现对电机转速的改变。在调速过程中，由于电动机的电动势是由定子绕组切割磁感线产生，根据表达式E=4.44KwφfW可知，当频率f发生改变时，电动势E不变必然会导致气隙磁通φ的改变，故而给电动机带来磁路饱和、励磁电流增大、定子绕组过热损伤电机等不利影响，所以在电机变频调速过程中，须同步协调对电动势的控制，实现有效调节。

举例说明,在矢量控制的驱动系统中,矢量调节控制方法基于空间相量理论，同时考虑了磁通量和感应电机电磁转矩M的控制。原则上定子电流空间相量被分解为两个垂直分量（磁通分量和转矩分量），这两个分量是单独控制的,下面将分析定子磁通受控制的变频运行的永久谐波状态,但必须指出的是，在理论成果中，将考虑具有恒定参数，无铁损或饱和的感应电机。当 = var时，感应电机的相位等效方案如图1所示。

由于 = ?，这意味着定子磁通实际上在励磁电流控制下减小,当频率>时，由于定子电压限制为=，因此感应电机将在弱定子磁通条件下运行, 根据,可得定子磁通的减小是按照“ 1/”的规律,故定子磁通的减少将决定最大扭矩,在此情况下，定子频率最大值将由不变的电磁功率下的定子频率值确定，将针对不同的定子频率值从不变的电磁功率条件=M=M/p建立定子频率最大值,所以为了确保=ct在频率范围内,需满足, 如果在最大定子频率处施加条件=，则有：=,,另：，可得：。因此，通过设计具有增加的过载转矩能力的感应电机，可以获得频率的增加。同样，该技术也可以用于海水淡化的水泵中，主要是通过改变水泵叶轮的转速来实现对水泵流量的控制，从而实现节能的效果。

4结束语

综上所述，探究海水淡化电气系统的节能降耗技术不仅意义重大而且十分必要，尤其在目前水资源短缺以及居民用电紧张的大环境下，探究该技术对国民生产以及居民生活都带来良好的影响，本文主要通过探究对变压器等设备的选型以及对电动机、水泵的变频调速方面来探究节能降耗措施，通过一系列举措，可实现对海水淡化系统的节能降耗，从而降低能源浪费，减少企业成本，促进资源节约型社会的建设。