大功率風機水泵調(diào)速節(jié)能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析
1前言
風機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風機、水泵電動機裝機總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。據(jù)估計，提高風機和水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)能潛力可達（300～500）億kW·h/年，相當于6～10個裝機容量為1000MW級的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。
在火力發(fā)電廠中，風機和水泵也是最主要的耗電設(shè)備，加上這些設(shè)備都是長期連續(xù)運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，其節(jié)能潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計：全國火力發(fā)電廠八種風機和水泵（送風機、引風機、一次風機、排粉風機，鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵。）配套電動機的總?cè)萘繛?5000MW，年總用電量為520億kW·h，占全國火電發(fā)電量的5.8％。發(fā)電廠輔機電動機的經(jīng)濟運行，直接關(guān)系到廠用電率的高低。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分家、競價上網(wǎng)等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本提高電價競爭力，已成為各發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟目標。
我國火電機組的平均煤耗為0.4kg/kW·h，比發(fā)達國家高(0.07～0.1)kg/kW·h，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發(fā)電成本的主要因素之一。國產(chǎn)300MW機組的廠用電率平均為4.71％，而進口（GE公司）機組為3.81％。國產(chǎn)機組比進口機組約高20％左右。國產(chǎn)機組廠用電率偏高的原因主要是輔機電動機在經(jīng)濟運行方面存在問題和差距。
國外火電廠的風機和水泵已紛紛增設(shè)調(diào)速裝置，而目前我國火電廠中除少量采用汽動給水泵，液力耦合器及雙速電機外，其它風機和水泵基本上都采用定速驅(qū)動。這種定速驅(qū)動的泵，由于采用出口閥，風機則采用入口風門調(diào)節(jié)流量，都存在嚴重的節(jié)流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效點，使運行效率降低。調(diào)查表明：我國50MW以上機組鍋爐風機運行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右。由于目前普遍的機組負荷偏低，風機的效率就更低，有的甚至不到30％，結(jié)果是白白地浪費掉大量的電能，已經(jīng)到了非改不可的地步。
目前國內(nèi)的火電機組大都處于低負荷或變負荷運行狀態(tài)，原因有三：
——近年來由于裝機容量的迅速增長，全國基本上擺脫了電力供應(yīng)緊張的局面，電力供應(yīng)有了盈余，火電機組不得不壓低負荷運行；
——由于負荷結(jié)構(gòu)的變化，電網(wǎng)負荷的峰谷差加
大，其值一般達到電網(wǎng)最高負荷的30％，有的電網(wǎng)甚至高達50％；
——由于目前電網(wǎng)還缺少專門帶尖峰負荷的機
組（例如壩庫式水電機組，抽水蓄能機組，燃氣輪機組等），所以一般電網(wǎng)的尖峰負荷和低谷負荷都要求火電機組來承擔，火電機組不得不作調(diào)峰變負荷運行。
在機組變負荷運行方式下，如果主要輔機采用高效可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)取代常規(guī)的定速驅(qū)動系統(tǒng)，無疑可節(jié)約大量的節(jié)流損耗，節(jié)電效果顯著，潛力巨大，這已是不爭的事實。除此之外，由于可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)都具有軟起動功能，可使電廠輔機實現(xiàn)軟起動，避免了由于電動機直接起動引起的電網(wǎng)沖擊和機械沖擊，從而可以防止與此有關(guān)的一系列事故的發(fā)生。例如電動機轉(zhuǎn)子籠條的疲勞斷裂，定子端部繞組絕緣損壞擊穿等重大事故，提高了輔機運行的可靠性。
2風機水泵調(diào)速運行的必要性和優(yōu)越性
2?1風機
風機是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備之一，鍋爐的四大風機（送風機、引風機、一次風機或排粉風機和煙氣再循環(huán)風機）的總耗電量約占機組發(fā)電量的2％左右。隨著火電機組容量的提高，電站鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產(chǎn)200MW機組，風機的總功率達6440kW（其中，送風機2臺2500kW，引風機2臺2500kW，排粉風機總功率1440kW），占機組容量的3％以上。因此，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。
我國電站風機已普遍采用了高效離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調(diào)速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點。我國現(xiàn)行的火電設(shè)計規(guī)程SDJ－79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5％和5％～10％，風壓裕度分別為10％和10％～15％。這是因為在設(shè)計過程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常總是把系統(tǒng)的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設(shè)計值。但風機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送引風機的風量和風壓富裕度達20％～30％是比較常見的。
電站鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行導致風機的運行工況點與設(shè)計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調(diào)節(jié)的風機，在兩者偏離10％時，效率下降8％左右；偏離20％時，效率下降20％左右；而偏離30％時，效率則下降30％以上。對于采用風門擋板調(diào)節(jié)風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進離心風機的調(diào)節(jié)方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。圖1給出了離心式風機不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較曲線。
離心式風機在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風機的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負荷率低于80％時才略有下降）。圖2給出了采用風門擋板調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)方式時，風機的效率－流量曲線。
由圖2可知：在風機的風量由100％下降到50％時，變速調(diào)節(jié)與風門擋板調(diào)節(jié)方式相比，風機的效率平均高出30％以上。因而，從節(jié)能的觀點來看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。發(fā)電廠輔機采用定速驅(qū)動時，風機靠風門擋板，水泵則靠閥門開度來調(diào)節(jié)流量，除產(chǎn)生大量的節(jié)流損耗外，反應(yīng)速度慢，導致鍋爐的燃燒自動無法投入，因而機組的協(xié)調(diào)控制無法投入，機組無法響應(yīng)負荷的動態(tài)變化。輔機采用調(diào)速驅(qū)動后，機組的可控性提高了，響應(yīng)速度加快，控制精度也提高了。從而使整個機組的控制性能大大改善，不但改善了機組的運行狀況，還可以大大節(jié)約燃料，進一步節(jié)約能源。同時，采用變速調(diào)節(jié)以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設(shè)備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動性能。工藝條件的改善也能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
圖1離心式風機不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較
圖2不同調(diào)節(jié)方式下的風機效率
2?2水泵
火力發(fā)電機組必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環(huán)水泵和凝結(jié)水泵，其次還有射水泵、低壓加熱器疏水泵、熱網(wǎng)水泵、冷卻水泵、灰漿泵、軸封水泵、除鹽水泵、清水泵、過濾器反洗泵、生活水泵、消防水泵和補給水泵等。這些水泵數(shù)量多，總裝機容量大。50MW火電機組的主要配套水泵的總裝機容量為6430kW，占機組容量的12.86％；100MW機組為10480kW，占10.48％；200MW機組為15450kW，占7.73％。100MW機組主要配套水泵的總耗電量約占全部廠用電量的70％左右。由此可見，水泵確實是火力發(fā)電廠中耗電量最大的一類輔機。因此，提高水泵的運行效率，降低水泵的電耗對降低廠用電率具有舉足輕重的意義。
與風機一樣，除由于設(shè)計中層層加碼，留有過大的富裕量，造成大馬拉小車的現(xiàn)象之外，還由于為滿足生產(chǎn)工藝上的要求，采用節(jié)流調(diào)節(jié)，造成更大的能源浪費現(xiàn)象。以鍋爐給水泵為例，1臺200MW發(fā)電機組的給水泵，其電動機功率達5000kW，水泵的出口壓力為25.0MPa，而正常運行時的汽包壓力為16.5MPa。水泵的出口壓力與正常的汽包壓力之間的差別如此之大（8.5MPa）的原因有兩個：
——鍋爐檢修以后打水壓試驗的需要；
——為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
由以上分析可知，當電動機定速運行時，為了維持汽包壓力在正常值，必須在給水管道上加裝給水調(diào)節(jié)閥，增加阻力，以至消耗大量的能源。若電機采用調(diào)速驅(qū)動，則可用改變電機的轉(zhuǎn)速來滿足不同的壓力要求，節(jié)省了因閥門阻力引起的附加損耗，從而達到節(jié)能的目的。同時以調(diào)速方法改變壓力的響應(yīng)速度遠比改變閥門開度來的快，使鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)加快，改善了鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。
為了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率，降低管路系統(tǒng)阻力，合理配套并實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度外，采用調(diào)速驅(qū)動是一種更加有效的途徑。因為大多數(shù)水泵都需要根據(jù)主機負荷的變化調(diào)節(jié)流量，對調(diào)峰機組的水泵尤其如此。根據(jù)目前我國電網(wǎng)的負荷情況，大多數(shù)125MW機組已參與調(diào)峰，為擴大調(diào)峰能力甚至一些200MW機組也不得不參與調(diào)峰運行。所以為這類調(diào)峰機組配套的各種水泵最好采用調(diào)速驅(qū)動，以獲得最佳節(jié)能效果。例如，有1臺國產(chǎn)200MW機組配備3臺DG400－180型定速給水泵，當主機負荷為180MW時運行2臺泵，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失高達2.21MPa，僅此一項每年浪費電能883.9萬kW·h。如果改用1臺全容量調(diào)速給水泵則可以節(jié)省大量電能，參見表1。由表1可見，當主機采用定壓運行方式時，可平均節(jié)電20％；當主機采用定－滑－定運行方式時，可平均節(jié)電30％。以上是沒有考慮給水焓升變化的計算結(jié)果，如果考慮調(diào)速泵中給水焓升較小，則平均節(jié)電率將下降3％～5％。
表1200MW機組采用全容量調(diào)速給水泵的節(jié)電效果
| 主機負荷/（MW） | 給水流量/（t/h） | 主機定壓運行 | 主機滑壓運行 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 節(jié)約功率/（kW） | 相對節(jié)電率/（％） | 節(jié)約功率/（kW） | 相對節(jié)電率/（％） | ||
| 200 | 616 | 710 | 14.61 | 950 | 19.69 |
| 180 | 535 | 770 | 17.15 | 1050 | 23.08 |
| 160 | 470 | 875 | 20.59 | 1530 | 36.00 |
| 140 | 410 | 950 | 23.93 | 1750 | 43.21 |
水泵軸功率的計算公式為：Pa=（2）
式中：Pa——泵的軸功率，kW;
Q——流量，m3/h；
H——揚程，m；
ρ——水的密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
η——泵效率。
為分析問題方便，以系數(shù)K來表示ρg／1000，于是式（2）可改寫為：Pa=（3）
用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)時，運行于B點，軸功率PaB為：PaB=
變化此式可得：PaB=KQ2H3＋KQ2(H2－H3)＋KQ2H2 （4）
式中：KQ2H3——有用功；
KQ2(H2－H3)——閥門節(jié)流損失的功率；KQ2H2——泵本身損失的功率。
用變速調(diào)節(jié)法時，運行于C點，軸功率PaC為：PaC=
同樣變化此式可得：PaC=KQ2H3＋KQ2H3（5）
用變速調(diào)節(jié)法比用節(jié)流調(diào)節(jié)法少消耗的軸功率ΔPa為：
ΔPa=PaB－PaC=KQ2(H2－H3)＋KQ2（6）
從式（6）可知，變速調(diào)節(jié)法節(jié)省的功率由二部分組成：一是因不存在閥門節(jié)流損失而少消耗的功率；二是與節(jié)流調(diào)節(jié)法相比，因H3ηB而使泵內(nèi)少消耗的功率。
節(jié)流損失的大小與泵的性能曲線（H－Q）和管路系統(tǒng)阻力曲線R的形狀有關(guān)，這兩條曲線越陡減小流量時的節(jié)流損失越大。因此，改用變速調(diào)節(jié)法的節(jié)電效果也越顯著。
對鍋爐給水泵來說，節(jié)流損失的大小還與負荷和汽輪機的運行方式有關(guān)，參見表2。在同一種運行方式下負荷越小節(jié)流損失越大；在負荷相同時采用滑壓運行方式的節(jié)流損失比采用定壓運行方式還大。因此，對調(diào)峰和滑壓運行機組，采用調(diào)速給水泵的節(jié)電效果尤為顯著。
表2DG500?180（高效）型泵改為調(diào)速泵的節(jié)電效果
| 給水流量/(t/h) | 每小時節(jié)電量/(kW·h/h) | |
|---|---|---|
| 主機定壓運行 | 主機滑壓運行 | |
| 400 | 14 | 319 |
| 350 | 75 | 365 |
| 300 | 125 | 450 |
| 250 | 160 | 560 |
從效率變化方面來看，節(jié)流調(diào)節(jié)法在工況改變時泵的效率曲線不變，因此隨著流量減小泵的效率下降比較快，而變速調(diào)節(jié)法當水泵轉(zhuǎn)速改變時，泵的效率曲線也相應(yīng)改變。因此，可以保證泵始終在高效區(qū)范圍內(nèi)
圖3離心泵調(diào)速節(jié)能原理圖
圖4采用不同調(diào)節(jié)法時的泵軸功率
運行。
如果管路系統(tǒng)的靜揚程H0=0（例如水平開式供水的情況），那么管路系統(tǒng)阻力曲線近似于相似拋物線，泵的運行工況點近似于相似工況點。這樣，泵在變速運行過程中性能參數(shù)的變化可用比例定律表示：Q2=Q1H2=H1Pa2=Pa1
因此，用變速調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)流量可以大幅度節(jié)約電能。譬如流量下降到額定流量的80％，軸功率將下降到額定值的51％；如果流量下降到50％，那么軸功率可以大幅度地下降到13％。當然，實際上還要考慮調(diào)速裝置的滑差損失等因素，即使如此節(jié)電效果也是十分可觀的。如果靜揚程H0不太大，也可以近似用比例定律來估計調(diào)速節(jié)能的效果。
以上敘述了1臺泵單獨供水時調(diào)速節(jié)能的原理，火力發(fā)電廠中單泵供單爐的單元制給水系統(tǒng)就屬于這種情況。但是，單機容量100MW以下的火力發(fā)電廠基本上采用母管制給水系統(tǒng)，這種系統(tǒng)根據(jù)所需給水量的變化增減運行泵的臺數(shù)，即所謂臺數(shù)調(diào)節(jié)法。如果泵的臺數(shù)比較多，采用這種方法也可以使各泵的運行工況點接近于高效區(qū)，所以運行經(jīng)濟性也比較好。有些給水系統(tǒng)還配備了流量大小不同的給水泵，根據(jù)負荷進行大小泵搭配運行，即所謂經(jīng)濟調(diào)度，這樣運行經(jīng)濟性會更好些。但是，為了最大限度地提高運行經(jīng)濟性，最理想的方案還是變速調(diào)節(jié)，因為臺數(shù)調(diào)節(jié)法仍然存在一些節(jié)流損失，而且在變負荷時泵的運行效率仍然有些降低，圖4表示采用臺數(shù)調(diào)節(jié)法與變速調(diào)節(jié)法時泵軸功率的差異。
另外，與變速調(diào)節(jié)法相比，臺數(shù)調(diào)節(jié)法不僅經(jīng)濟性差，而且安全性也差，因為它必須根據(jù)負荷經(jīng)常起動和停泵，增加了不安全因素。
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