大功率風機水泵調速節能運行的技術經濟分析（1）??

1前言

風機和水泵在國民經濟各部門中應用的數量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據有關部門的統計，全國風機、水泵電動機裝機總容量約35000MW，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。據估計，提高風機和水泵系統運行效率的節能潛力可達（300～500）億kW·h/年，相當于6～10個裝機容量為1000MW級的大型火力發電廠的年發電總量。

在火力發電廠中，風機和水泵也是最主要的耗電設備，加上這些設備都是長期連續運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態，其節能潛力巨大。據統計：全國火力發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、循環水泵、凝結水泵、灰漿泵。）配套電動機的總容量為15000MW，年總用電量為520億kW·h，占全國火電發電量的5.8％。發電廠輔機電動機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低。隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分家、競價上網等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發電成本提高電價競爭力，已成為各發電廠努力追求的經濟目標。

我國火電機組的平均煤耗為0.4kg/kW·h，比發達國家高(0.07～0.1)kg/kW·h，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發電成本的主要因素之一。國產300MW機組的廠用電率平均為4.71％，而進口（GE公司）機組為3.81％。國產機組比進口機組約高20％左右。國產機組廠用電率偏高的原因主要是輔機電動機在經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調速裝置，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動。這種定速驅動的泵，由于采用出口閥，風機則采用入口風門調節流量，都存在嚴重的節流損耗。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％，結果是白白地浪費掉大量的電能，已經到了非改不可的地步。

目前國內的火電機組大都處于低負荷或變負荷運行狀態，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緊張的局面，電力供應有了盈余，火電機組不得不壓低負荷運行；

——由于負荷結構的變化，電網負荷的峰谷差加

大，其值一般達到電網最高負荷的30％，有的電網甚至高達50％；

——由于目前電網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速驅動系統取代常規的定速驅動系統，無疑可節約大量的節流損耗，節電效果顯著，潛力巨大，這已是不爭的事實。除此之外，由于可調速驅動系統都具有軟起動功能，可使電廠輔機實現軟起動，避免了由于電動機直接起動引起的電網沖擊和機械沖擊，從而可以防止與此有關的一系列事故的發生。例如電動機轉子籠條的疲勞斷裂，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風機水泵調速運行的必要性和優越性

2?1風機

風機是火力發電廠重要的輔助設備之一，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風機）的總耗電量約占機組發電量的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速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點。我國現行的火電設計規程SDJ－79規定，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％。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通?？偸前严到y的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。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峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調節的風機，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節風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題?？梢姡仩t送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門消耗掉的。因此，改進離心風機的調節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節方式耗電特性比較曲線。

離心式風機在變速調節的過程中，如果不考慮管道系統阻力R的影響，且風壓H隨流量Q成平方規律變化，則風機的效率可在一定的范圍內保持最高效率不變（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節和變速調節方式時，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，變速調節與風門擋板調節方式相比，風機的效率平均高出30％以上。因而，從節能的觀點來看，變速調節方式為最佳調節方式。發電廠輔機采用定速驅動時，風機靠風門擋板，水泵則靠閥門開度來調節流量，除產生大量的節流損耗外，反應速度慢，導致鍋爐的燃燒自動無法投入，因而機組的協調控制無法投入，機組無法響應負荷的動態變化。輔機采用調速驅動后，機組的可控性提高了，響應速度加快，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，還可以大大節約燃料，進一步節約能源。同時，采用變速調節以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動性能。工藝條件的改善也能夠產生巨大的經濟效益。

圖1離心式風機不同調節方式耗電特性比較

圖2不同調節方式下的風機效率

2?2水泵

火力發電機組必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環水泵和凝結水泵，其次還有射水泵、低壓加熱器疏水泵、熱網水泵、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，除由于設計中層層加碼，留有過大的富裕量，造成大馬拉小車的現象之外，還由于為滿足生產工藝上的要求，采用節流調節，造成更大的能源浪費現象。以鍋爐給水泵為例，1臺200MW發電機組的給水泵，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；

——為給水調節閥前提供較大的壓力，以提高調節系統的反應速度。

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節閥，增加阻力，以至消耗大量的能源。若電機采用調速驅動，則可用改變電機的轉速來滿足不同的壓力要求，節省了因閥門阻力引起的附加損耗，從而達到節能的目的。同時以調速方法改變壓力的響應速度遠比改變閥門開度來的快，使鍋爐汽包水位自動調節系統的反應加快，改善了鍋爐給水調節系統的性能。

為了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率，降低管路系統阻力，合理配套并實現經濟調度外，采用調速驅動是一種更加有效的途徑。因為大多數水泵都需要根據主機負荷的變化調節流量，對調峰機組的水泵尤其如此。根據目前我國電網的負荷情況，大多數125MW機組已參與調峰，為擴大調峰能力甚至一些200MW機組也不得不參與調峰運行。所以為這類調峰機組配套的各種水泵最好采用調速驅動，以獲得最佳節能效果。例如，有1臺國產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，調節閥的節流損失高達2.21MPa，僅此一項每年浪費電能883.9萬kW·h。如果改用1臺全容量調速給水泵則可以節省大量電能，參見表1。由表1可見，當主機采用定壓運行方式時，可平均節電20％；當主機采用定－滑－定運行方式時，可平均節電30％。以上是沒有考慮給水焓升變化的計算結果，如果考慮調速泵中給水焓升較小，則平均節電率將下降3％～5％。

表1200MW機組采用全容量調速給水泵的節電效果

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K來表示ρg／1000，于是式（2）可改寫為：Pa=（3）

用閥門節流調節時，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)——閥門節流損失的功率；KQ2H2——泵本身損失的功率。

用變速調節法時，運行于C點，軸功率PaC為：PaC=

同樣變化此式可得：PaC=KQ2H3＋KQ2H3（5）

用變速調節法比用節流調節法少消耗的軸功率ΔPa為：

ΔPa=PaB－PaC=KQ2(H2－H3)＋KQ2（6）

從式（6）可知，變速調節法節省的功率由二部分組成：一是因不存在閥門節流損失而少消耗的功率；二是與節流調節法相比，因H3ηB而使泵內少消耗的功率。

節流損失的大小與泵的性能曲線（H－Q）和管路系統阻力曲線R的形狀有關，這兩條曲線越陡減小流量時的節流損失越大。因此，改用變速調節法的節電效果也越顯著。

對鍋爐給水泵來說，節流損失的大小還與負荷和汽輪機的運行方式有關，參見表2。在同一種運行方式下負荷越小節流損失越大；在負荷相同時采用滑壓運行方式的節流損失比采用定壓運行方式還大。因此，對調峰和滑壓運行機組，采用調速給水泵的節電效果尤為顯著。

表2DG500?180（高效）型泵改為調速泵的節電效果

從效率變化方面來看，節流調節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，而變速調節法當水泵轉速改變時，泵的效率曲線也相應改變。因此，可以保證泵始終在高效區范圍內

圖3離心泵調速節能原理圖

圖4采用不同調節法時的泵軸功率

運行。

如果管路系統的靜揚程H0=0（例如水平開式供水的情況），那么管路系統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的變化可用比例定律表示：Q2=Q1H2=H1Pa2=Pa1

因此，用變速調節法調節流量可以大幅度節約電能。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，實際上還要考慮調速裝置的滑差損失等因素，即使如此節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速節能的效果。

以上敘述了1臺泵單獨供水時調速節能的原理，火力發電廠中單泵供單爐的單元制給水系統就屬于這種情況。但是，單機容量100MW以下的火力發電廠基本上采用母管制給水系統，這種系統根據所需給水量的變化增減運行泵的臺數，即所謂臺數調節法。如果泵的臺數比較多，采用這種方法也可以使各泵的運行工況點接近于高效區，所以運行經濟性也比較好。有些給水系統還配備了流量大小不同的給水泵，根據負荷進行大小泵搭配運行，即所謂經濟調度，這樣運行經濟性會更好些。但是，為了最大限度地提高運行經濟性，最理想的方案還是變速調節，因為臺數調節法仍然存在一些節流損失，而且在變負荷時泵的運行效率仍然有些降低，圖4表示采用臺數調節法與變速調節法時泵軸功率的差異。

另外，與變速調節法相比，臺數調節法不僅經濟性差，而且安全性也差，因為它必須根據負荷經常起動和停泵，增加了不安全因素。