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GTG30工频感应电锅炉

用途
    GTG30工频感应电锅炉利用电能(尤其是廉价的谷电)对储水箱中的水进行循环加热,将电能转换成热能储存起来,以供全天的生活热水、饮用、采暖及工业使用。
    适用于酒店、宾馆、饭店、学校、住宅小区、部队、商业中心、办公楼、企事业单位等。
    GTG30属常压热水锅炉,出口压力<0.1Mpa,产品性能符合Q/320411AYR001—2010企业标准。

结构
    GTG30主要由感应加热的主机、循环水箱、防护外壳组成一体,主机系一种特殊结构的水冷干式短路变压器,它设置在循环水箱内。电锅炉与PLC电控箱安装在同一底座上,固定式结构,见图8所示。

工作原理
    短路加热  由感应短路电流产生焦耳效应的一种电加热。其工作原理是,根据变压器原副边匝数比,使副边获得低电压大电流,在这里副边为1匝,且短接形成回路,故称短路加热。
    涡流加热  由感应涡流产生焦耳热效应的一种电加热。其工作原理是,交变的磁力线通过导体在导体内产生涡流与磁滞,其中产生焦耳效应的主要是涡流,故称涡流加热。
    短路漏磁  变压器短路情况下的漏磁见图1所示(见《工程电磁场》,清华大学出版社-2004.9)。
    当GTG30的主机接通三相工频电源,其副边外壳感应产生短路大电流和相与相之间及三相间的短路大电流。该主机的短路漏磁穿过介质水与循环水箱形成回路,在循环箱体内产生涡流与磁滞使之成为一涡流发热体。
    接通电源的是主机,而加热介质水的是短路与涡流两个加热装置,且漏磁属无功,因此GTG30的实测热效率突破了不大于1.0的传统概念。


图1   变压器短路磁场

直接加热
    传统的燃煤、燃油、燃气及电热管等锅炉的加热方式为火焰或电能加热管道,再由管道加热周围的介质水,这些传统锅炉的加热方式均为间接加热,其产品热交换效率必然受到影响。而GTG30副边短路的主机外壳即为主发热体,直接设置在循环水中,循环水箱又是副发热体,两发热体共同对流经它们的介质水进行直接加热,热交换效果好。

循环加热
    在传热学中,有一基础理论:流体流经发热体表面时,由于粘滞作用,紧贴发热体表面的流体是静止的,热量传递只能以导热的方式进行,离开发热体表面才发生热对流;而强迫对流换热的传热系数是自然对流换热的10~15倍!
    传统设备在加热时,将冷水加热至设定温度后翻水再进冷水。而GTG30与储水箱间加循环水泵,形成介质水在GTG30内的强迫循环,见图2。循环加热时,增加的温度越接近原始温度,热传导效果越好,能效也越高。GTG30加热时,循环介质水进出口温升不大于6℃。这样既保证了变压器主机的使用寿命,避免了交替冷热水对不锈钢缩胀的影响,又大大增加了GTG30的产品热效率及系统热效率。


图2

开创电气短路应用新领域
    特斯拉发明的交流电动机已有一百多年历史了,现在几乎所有的工矿企业及家家户户都少不了它。其实它的铸铝转子(见图3)就是电气领域最为广泛应用短路的一个典型范例。GTG30、ZJ20同样也是副边短路的原理。不同的是:电动机输出的是动力,而GTG30与ZJ20输出的是焦耳热量。
    众所周知,电气中的短路常常是坏事,而在这里却利用短路来造福人类。


图3  电动机转子

开创无功应用新领域

 GTG30感应加热的主机系一种特殊结构的水冷干式短路变压器,直接设置在循环水中。在这里,与众不同的是主机的不锈钢防护外壳又是它主发热的副边。运行时,副边感应产生的大电流、原边铜损、铁损、杂散损耗及短路漏磁等有功及无功几乎全部通过介质水转换成热能。这种结构为世界首创,绝无仅有。而更具实质意义的是,无功获得了有效的利用。
 

热效率η≥1.05
    大家都知道,当电流通过导体时,在导体的四周会产生磁场。同理,GTG30在运行时,设置在循环水箱中的主机,它的副边短路电流达到1~4.6万安培,它的每相磁场强度达到(1.4~5.2)×104A/m。如此强大的交变磁场,其漏磁使循环水箱感应产生了很大的涡流。由此,循环水箱成为一副发热体。
    简言之,接通电源的是主机,而加热介质水的是短路与涡流两个加热装置,且漏磁属无功,因此GTG30的实测热效率突破了不大于1.0的传统概念。
    另外,直接加热及循环加热方式使得电能在转换成热能时,热量充分的被介质水吸收。因此,GTG30工频感应电锅炉的热效率就特别的高了。
    GTG30的热效率经中国电力科学研究院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心测试,“锅炉能效比为:1.056”。


(热效率测试报告)

功率因数cosφ≥0.98
    在工频感应类电器中,功率因素cosφ是一项重要参数。cosφ越高,电流就越小,用铜量及用铁量就越少。它不但涉及产品的制造成本,同时还关系到资源的高效利用。为使国产Y系列电动机的cosφ提高两个百分点,宝钢集团投资数十亿建造了电机硅钢片冷轧生产线。即使这样,Y系列2极电机的cosφ最高只能达到0.90,10极电机cosφ仅为0.77。
    同属工频感应的 GTG30,cosφ为什么能高达0.98以上呢?对此,我们借用图4作简单地说明。图4中,在铁芯、原边绕组相同的条件下,副边的包覆系数低,cosφ低;包覆系数高,cosφ高。 GTG30的主机非常巧妙地利用外壳作为副边,包覆系数几乎是百分之百,所以功率因数能如此之高。


图4

磁化功能
>>GTG30的磁化流程
    GTG30的主机在运行时,每相磁场强度达(1.4~5.2)·104A/m,强大的电磁场使流经它周围的介质水在被加热的同时被磁化。

>>磁化水的意义
●防垢
    GTG30在运行时,对流经它周围的介质水进行磁化,使水分子氢键角从105°减小到103°左右,这一微观结构的变化使水分子产生了一系列电性和磁性的变化。水的物理性能与化学性质也发生了一系列的变化,水的活性溶解度大大提高,水中的CaCO3、MgCO3在加热过程中分解成较为松软的Ca(HCO32、Mg(HCO32,它们不易在壁上积存而被循环的介质水带走;另外,水的聚合度也提高了,被溶解的固态物质成为更细的颗粒,粒子细化后,不易凝结在壁上,从而达到了加热水不结垢、加热油不结碳的良好效果。
有益人体健康   
    经过磁化的水,pH值、表面张力、电导率、溶氧量、渗透力等性质都发生了变化。磁化水可增加生物膜的通透性,降低血液粘稠度,保持血液弹性,对结石、皮肤病有预防作用。我国著名医学家李时珍早在500多年前就指出,经磁化处理过的水具有“去疮瘘、长肌肤、长饮令人有子、宜入酒”等功效,见《本草纲目》582-586页。
    阳光、空气、水—生命”,我们没法改变前两者,但是现在我们却能改变“水”。


图5

改变城市能源结构,有利城市环境
    图6为常州地区2010年最高日负荷曲线。由此可见,峰谷差达1250兆瓦,谷峰比不到0.75。尤其是20~22这个最高峰,这与此时电热水器的使用不无关系。电网的峰谷差,不仅常州地区,其他地区乃至世界都存在这一问题。谷电这种高级能源不能得到很好的利用,俗称窝电,实为最大浪费。                                    
    若将廉价的低谷电能转换成热能——热水储存起来,供居民24小时生活使用。既可平衡电网负荷,又可降低居民生活热水成本。我国城市居民人口6.91亿,每人配置生活热水功率0.3千瓦,则平衡谷电可达2.07亿千瓦。生活热水,人人要用、天天要用,不但城市居民要用,宾馆、学校、部队、企事业等也要用。这是电力系统谷电消费的一个稳定的潜在大市场。开发好这个大市场,足够平衡我国21世纪谷电余量。
    GTG30高效地利用谷电蓄热,当其达到一定规模时,必将改变城市能源结构,减少石化能源的低效使用,有利城市环境。当然更有利电力,有利电网,普惠百姓。


图6  2010.8.3常州联络线总加计算结果

安  全
    GTG30属常压热水锅炉,出口压力<0.1Mpa,使用中无爆炸危险。无需特种设备生产许可及安全检查程序。
    GTG30采用的是零电压设计,运行时,副边三相短路,外壳呈零电位,因此主机工作时副边外壳不带电,运行十分安全,另外在控制系统中设有漏电保护装置,这样就更增加了电锅炉的安全性。


图7

简单可靠
    每台感应电锅炉均配感应加热的主机及电控箱各一只,模块化设计,整个系统结构简单,运行可靠。
    GTG30配套的电控箱所选择的低压电器能有效地检测电气系统中的短路、过流、漏电等故障信号,以及从各传感器检测到的水位、水温、出进口水温差、压力等信号均送到PLC,然后由PLC根据编制的程序发出控制或报警信号,实现无人、安全自动运行。LED屏幕显示,触摸按键,操作简单。

寿命长
    GTG30感应加热的主机是在保证变压器的使用寿命不少于20年的基础上制订的。对此有一“6度定则”,即绕组温升超过绝缘标准6℃,寿命缩短一半;绕组温升低于绝缘标准6℃,寿命则延长一倍。由此可见,GTG30主机的寿命远超过国家标准。
    考虑到各地水质的千差万别,GTG30的主机外壳、内胆、管道法兰均采用优质不锈钢制作,采用专业的焊接工艺,每台设备在出厂前均经过承压试验,且循环加热的运行设计模式避免了冷热水交替对不锈钢缩胀的影响。所以说本产品在正常使用条件下其使用寿命达到锅炉标准10年是完全有保证的。
 

高效保温
    选择合理的储水温度作为临界保温点,既免去反复加热的浪费,又缩短了再次加热的时间,可实现高效目的。
    GTG30的循环水箱容积≤250L,采用6cm厚硅酸铝纤维板保温层,对热量起到反射作用,有效避免热量损失,确保实测η≥1.05的积极效果。

主要技术参数(三相,fe50Hz,Ue400V)

表1
型号规格 输出热功率
kw
输入电功率
kw
额定电流
A
cosф 循环水量
m3/h
重量
kg
GTG30-70/65 70 65 95 0.98 30
﹡IRG50-100(I)
560
GTG30-105/100 105 100 145 0.98 610
GTG30-140/130 140 130 190 0.98 650
GTG30-210/200 210 200 290 0.98 60
﹡IRG65-100(I)
870
GTG30-280/265 280 265 390 0.98 950
GTG30-350/330 350 330 480 0.98 1020
GTG30-420/400 420 400 580 0.98 1260
GTG30-500/475 500 475 700 0.985 120
﹡IRG80-100(I)
1330
GTG30-600/570 600 570 830 0.985 1420
GTG30-700/660 700 660 960 0.985 1510
GTG30-800/760 800 760 1100 0.985 1600
GTG30-1000/950 1000 950 1390 0.985 220
﹡IRG125-250(I)
1900
GTG30-1250/1185 1250 1185 1735 0.985 2200
GTG30-1500/1420 1500 1420 2080 0.985 2400



外型及安装尺寸

图8  GTG30-70~1500kw

表2
型号规格 外形尺寸 mm 安装尺寸 mm 法兰通径 mm
L B H I b 进口 出口
GTG30-70~140 1280 700 1800 1240 660 50 65
GTG30-210~420 1280 800 1800 1240 760 65 100
GTG30-500~800 1280 900 1800 1240 860 80 125
GTG30-1000~1500 1280 1000 2200 1240 960 125 150


循环加热系统

图 9  GTG30循环加热系统
 

PLC自动程序控制
●启停程序:开机先开循环泵后开主机,关机先停主机后停循环泵,启停均有延时程序。
●水温自控:出口水温加热到设定温度上限自动停机,到设定温度下限自动开机,设定温度控制误差≤±2℃。
●温差自控:出进口水温差自动控制,温差超过7℃自动停机,低于6℃自动开机。
●液位自控:储水箱液位自控。
●压力自控:进水口压力大于正常值0.02MPa自动开机,小于正常值0.02MPa自动关机。
●时段自控:24h任意设定时段(如谷电时段),运行自控。
●漏电自控:主机漏电流大于等于400mA自动切断电源。
●数字显示:出口温度、出进口温差、进口压力、每天运行时间、累计运行时间、漏电故障显示等。

选型计算
>>GTG30的功率选型

●生活热水(水的比热、比重均按1计,这里略)
 
P×η×T×860 = G×△t×K×1000
(公式一)
 
式中:
P —— GTG30的电功率,单位:kw
 
η —— 产品热效率,按1.056计
 
T —— 加热时间(谷电按7.9h计),单位:h
 
G —— 加热水量,单位:m3
 
△t—— 储水箱初、终水温差,单位:℃
 
K —— 热损失系数,取1.05~1.2

 

●采暖
 
P×η×T1= S×Q×T2÷1000
(公式二)
 
式中:
P —— GTG30的电功率,单位:kw
 
η —— 产品热效率,按1.056计
 
T1 —— 加热时间(谷电按7.9h计),单位:h
 
S —— 采暖面积,单位:m2
 
Q —— 采暖热负荷,单位:w/m2
 
T2  ——— 采暖时间,单位:h

    进储水箱冷水温度按实际工况定,其加热水温一般为:生活热水65℃、采暖90℃、饮用水95℃。在这里,若加热水量G、采暖面积S、采暖时间T2确定,则锅炉电功率P就很方便计算出来。

>>水箱容积选型
    储水箱为常压设计,不锈钢材质,16小时的保温应符合热损失不大于6%的要求。
    若功率P已知,则加热水量G可根据公式一计算出来。
    储水箱容积按加热水量G的1.05~1.2倍计。
    为保证24小时供水温度及流量的稳定性,部分生活热水项目,需加设供热水箱一只,容积为储水箱容积的20%


>>循环加热水泵选型参见表1。


>>系统其他设备按具体项目情况设计

经济对比
>>1m3热水能耗成本比较
    (以自来水年均温度18℃,加热水温至58℃,4万kcal)

 

表3
设备类型 GTG30 家用电热水器 电热管锅炉 天然气锅炉 液化气锅炉
能源单价 0.2528元/kwh 0.3583元/kwh 0.2528元/kwh 3.45元/m3 9元/kg
单位热值 860kcal/kwh 860kcal/kwh 860kcal/kwh 7800kcal/m3 10900kcal/kg
产品热效率 1.056 0.98 0.98 0.92 0.92
系统热效率 0.93 0.88 0.8 0.45 0.45
能耗成本 12.64元 18.94 14.7元 39.32元 73.39元
GTG30省钱 / 33.26% 14.01% 67.85% 82.78%
GTG30节能   5.38% 13.98% 51.61% 51.61%

注:1、上述“省钱”、“节能”为GTG30与其他设备对比数据。
    2、上述能源单价为江苏常州2012年8月统计数据,各地价格有所差异。
    其中:·服务于居民生活的电热锅炉谷电价0.2528元/Kwh,时间:0:00~8:00。
          ·居民谷电价:0.3583元/kwh,时间21:00~8:00。
    由此可见,之所以出现图6中20:00~22:00全天用电最高峰,与此时居民使用电热水器有关。

>>系统热效率即实测使用热量与输入能量之比。GTG30系统热效率是蒸汽加热的10倍,运行成本不到1/10。

>>其他供热设备如热泵机组、太阳能机组,因其受天气波动影响较大,为维持系统稳定,另需配套电或气加热设备。因我国幅员辽阔,差异较大,在此不做详细说明。

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