第一章 電力行業(yè)
第七節(jié) 火電廠水泵變頻調(diào)速節(jié)能綜述
1 火電廠水泵概述
在火力發(fā)電廠中，水泵也是極其重要的輔機設(shè)備。由于在熱力系統(tǒng)中所使用的水泵的工作條件有很大的差異，不同的使用條件，對水泵的性能和結(jié)構(gòu)要求也就不一樣，其中給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵是發(fā)電廠完成熱力循環(huán)最為重要的輔機設(shè)備，要求這些水泵連續(xù)運轉(zhuǎn)。否則會直接影響發(fā)電機組的安全和經(jīng)濟運行。這些水泵數(shù)量多，總裝機容量大，耗電量約占全部廠用電量的60％左右。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，由于設(shè)計中層層加碼，留有過大的富裕量，造成大馬拉小車之外，由于采用節(jié)流調(diào)節(jié)，為滿足生產(chǎn)工藝上的要求，造成更大的能源浪費現(xiàn)象。
與風機系統(tǒng)不同的是：風機系統(tǒng)由于沒有反壓的存在，滿足三個相似條件，其阻力曲線是一條通過坐標原點的二次拋物線，所以可以使用比例定律的三個公式進行節(jié)能計算；而水泵系統(tǒng)由于都有較大靜揚程的存在，其阻力曲線是一條具有較高起點的二次曲線，所以水泵系統(tǒng)已經(jīng)不是相似系統(tǒng)，因此不能直接套用比例定律的三個公式進行節(jié)能計算，必須首先求出各個工作點的相似工況點后再進行計算，就使得水泵系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)較為復(fù)雜。
2 水泵系統(tǒng)的流量控制方法
2.1 入口閥門控制
與風機系統(tǒng)相似，當水泵系統(tǒng)采用入口閥門調(diào)節(jié)流量時，改變的是水泵的性能曲線，其性能曲線呈一組梳子狀的曲線簇，每一個入口閥門開度對應(yīng)一條性能曲線。這一條性能曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點即為工作點，它的坐標決定水泵系統(tǒng)的出口壓力和流量值。但是對于水泵系統(tǒng)來講，由于采用入口閥門控制流量時容易引起水泵的氣蝕，所以水泵系統(tǒng)一般都采用出口閥門控制流量。
圖1 水泵系統(tǒng)采用入口門控制時工作點的變化
2.2 出口閥門控制
圖2 水泵系統(tǒng)采用出口閥門控制流量時工作點的變化
由圖2可見，采用出口閥門控制流量時，改變的是系統(tǒng)的阻力曲線，會在出口閥門上產(chǎn)生很大的節(jié)流損耗，使泵效降低，能耗增加。如圖4中所示，在工作點M3，點，很明顯相對于入口門控制和調(diào)速控制來講，采用出口門控制時多消耗的能量就是矩形H3,-M3-M3,-H3,所圍成的面積，有些系統(tǒng)甚至占到了總消耗能量的40%以上。
出口閥門上產(chǎn)生的節(jié)流損耗就等于出口閥門前后的壓力差與流量的乘積。因此只要知道了出口門前后的壓力或壓力差，以及當時的工作流量，就可以算出出口門上的節(jié)流損耗（電功率）了，再除以根據(jù)當時的工作電流算出的實際功率，就是節(jié)電率！在一般的水泵系統(tǒng)中，壓力和流量數(shù)據(jù)是比較容易采集到的。
具體計算時，可按式：ΔN = k(ΔP×Q) 計算出口閥門的節(jié)流損耗（單位為kW）。式中：若流量Q的單位取m3/s，差壓ΔP的單位取kPa時，系數(shù)k取1；若流量Q的單位取m3/h，差壓ΔP的單位取MPa時，系數(shù)k取0.278（=1000/3600）。
2.3 調(diào)速控制
水泵系統(tǒng)調(diào)速控制流量的方法，可以采用定速電動機驅(qū)動，液力耦合器改變水泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，也可以通過變頻器改變電動機輸入供電電源的頻率，從而改變電動機（水泵）的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。圖3所示是水泵系統(tǒng)采用調(diào)速控制時工作點的變化情況及相似拋物線的求法。
2.4 三種控制方式的比較
圖4將設(shè)備（水泵、風機）、系統(tǒng)和控制方式有機的結(jié)合在一起了，希望能通過它演繹出水泵（風機）系統(tǒng)流量控制的真諦！
由圖4可以看出：只要系統(tǒng)的阻力曲線不改變，無論采用哪種控制方式，滿足系統(tǒng)流量和壓力要求的工作點都是一樣的。當流量控制在Q3時，揚程(壓力)為H3，，工作點為M3，，無論是調(diào)速控制還是入口閥門控制都一樣，即使是出口閥門控制，其工作點雖然達到了M3，也就是說其閥前壓力達到了H3，但是其閥后壓力則還是H3,，因為其閥后的阻力曲線并沒有改變，壓力都降在了閥門上了！
出口閥門節(jié)流損耗的計算見上述2.2。但是這也并不說明調(diào)速控制和入口門控制的能耗是一樣的，因為調(diào)速控制比入口門控制時的泵效要高得多了，所以即使是采用入口門控制的系統(tǒng)（例如風機系統(tǒng)），在采用調(diào)速控制時也是有很大的節(jié)能潛力的。節(jié)能的真諦就在于不同控制方式之間的效率差。
圖3 水泵系統(tǒng)采用調(diào)速控制時工作點的變化和相似拋物線的求法
圖4 水泵系統(tǒng)采用三種控制方式時工作點的變化情況綜合
3 水泵系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能計算方法
值得注意的是：水泵系統(tǒng)由于靜揚程的存在，所以比例定律三大關(guān)系式的使用是有條件的，在實際使用中，水泵由于受系統(tǒng)參數(shù)和運行工況的限制，并不能簡單地套用比例定律來計算調(diào)速范圍和估算節(jié)能效果。
當管路阻力曲線的靜揚程（或靜壓）等于零時，即HST=0（或PST=0）時，管路阻力曲線是一條通過坐標原點的二次拋物線，它與過M點的變轉(zhuǎn)速時的相擬拋物線重合，因此，M與M＇又都是相似工況點，故可用比例定律直接由M點的參數(shù)求出M＇點的參數(shù)。對于風機，其管路靜壓一般為零，故可用相似定律直接求出變速后的參數(shù)。而對于水泵，其管路阻力曲線的靜揚程（或靜壓）不等于零時，即Hst≠0（或Pst≠0）時，轉(zhuǎn)速變化前后運行工況點M與M＇不是相似工況點，故其流量、揚程（或全壓）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。而應(yīng)將實際工況轉(zhuǎn)化為相似工況后，才能用比例定律進行計算。
水泵系統(tǒng)由于靜揚程的存在，阻力曲線不是相似曲線，因此圖4中轉(zhuǎn)速變化前后的運行工況點M與M＇不是相似工況點，故其流量、揚程（或全壓）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得。但當管路性能曲線的靜揚程（或靜壓）等于零時，即HST=0（或PST=0）時，管路性能曲線是一條通過坐標原點的二次拋物線，它與過M點的變轉(zhuǎn)速時的相擬拋物線重合，因此，M與M＇又都是相似工況點（比如風機），故可用比例定律直接由M點的參數(shù)求出M＇點的參數(shù)。
特別是對于給水泵系統(tǒng)，其靜揚程（汽包壓力）特別大，一般可達額定揚程的60～80%，所以變速前后流量比不再等于轉(zhuǎn)速比，而是流量比恒大于轉(zhuǎn)速比。管路性能曲線的靜揚程越高，水泵性能曲線和管路性能曲線的夾角就越小，則變速調(diào)節(jié)流量時，改變相同流量時的轉(zhuǎn)速變化就越小，其軸功率的減小值也越小，還有可能引起管路的水擊，因此水泵的調(diào)速節(jié)能效果比風機要差一些。由于計算比較困難，每一個工況點都要首先進行相似折算后才能用比例定理計算，工作量巨大。下面給大家提供一種簡單的查表法：一般可以在算出流量百分比和靜揚程占額定揚程的百分比后用查表的方法得出轉(zhuǎn)速、軸功率和節(jié)電率來。這時只要知道額定流量、工作流量、額定揚程和靜揚程4個參數(shù)就可以通過簡單的查表就得到所要的結(jié)果了。
表1 水泵系統(tǒng)在不同靜揚程和不同流量時轉(zhuǎn)速、軸功率和節(jié)電率：
|
流量Q/Qe 靜揚程Hst |
零 流量 |
10％ |
20％ |
30％ |
40％ |
50％ |
60％ |
70％ |
80％ |
90％ |
|
|
10％ |
轉(zhuǎn)速% |
31.6 |
37.1 |
42.8 |
48.5 |
54.8 |
61.3 |
68.4 |
75.8 |
83.3 |
91.2 |
|
軸功率% |
3.16 |
4.27 |
7.84 |
11.4 |
16.5 |
23.1 |
32.0 |
43.6 |
57.8 |
75.9 |
|
|
節(jié)電率% |
|
90.5 |
86.7 |
82.2 |
75.5 |
70.4 |
62.5 |
51.2 |
38.3 |
20.9 |
|
|
20％
|
轉(zhuǎn)速% |
44.7 |
49.5 |
54.4 |
59.4 |
64.5 |
69.6 |
74.8 |
80.1 |
85.8 |
92.1 |
|
軸功率% |
8.93 |
12.1 |
16.1 |
21.0 |
26.8 |
33.7 |
41.9 |
51.4 |
63.2 |
78.1 |
|
|
節(jié)電率% |
|
79.4 |
75.2 |
70.8 |
65.3 |
59.2 |
51.5 |
42.4 |
31.2 |
17.0 |
|
|
30％
|
轉(zhuǎn)速% |
54.8 |
58.6 |
62.5 |
66.5 |
70.6 |
74.7 |
78.9 |
83.4 |
88.1 |
93.0 |
|
軸功率% |
16.5 |
20.1 |
24.4 |
29.4 |
35.2 |
41,7 |
49.1 |
58.0 |
68.4 |
80.4 |
|
|
節(jié)電率% |
|
65.6 |
62.2 |
59.1 |
53.4 |
49.5 |
42.6 |
35.0 |
25.8 |
14.5 |
|
|
40％ |
轉(zhuǎn)速% |
63.2 |
66.2 |
69.3 |
72.5 |
75.8 |
79.2 |
82.7 |
86.3 |
90.0 |
93.9 |
|
軸功率% |
25.2 |
29.0 |
33.3 |
38.1 |
43.6 |
49.7 |
56.6 |
64.3 |
72.9 |
82.8 |
|
|
節(jié)電率% |
|
55.8 |
53.5 |
49.9 |
46.0 |
40.5 |
34.5 |
28.0 |
20.9 |
12.0 |
|
|
50％ |
轉(zhuǎn)速% |
70.7 |
73.1 |
75.6 |
78.1 |
80.7 |
83.4 |
86.2 |
88.9 |
91.8 |
94.8 |
|
軸功率% |
35.5 |
39.1 |
43.2 |
47.6 |
56.7 |
58.0 |
64.1 |
70.3 |
77.4 |
85.2 |
|
|
節(jié)電率% |
|
43.6 |
41.5 |
36.0 |
32.7 |
29.5 |
25.8 |
21.3 |
16.1 |
9.4 |
|
|
60％ |
轉(zhuǎn)速% |
77.5 |
79.2 |
80.9 |
82.6 |
84.5 |
86.6 |
88.8 |
91.0 |
93.3 |
95.7 |
|
軸功率% |
46.6 |
49.7 |
52.9 |
56.4 |
60.3 |
65.0 |
70.1 |
75.4 |
81.2 |
87.7 |
|
|
節(jié)電率% |
|
30.1 |
28.4 |
26.6 |
24.5 |
22.2 |
18.9 |
15.5 |
11.9 |
6.8 |
|
|
70％ |
轉(zhuǎn)速% |
83.7 |
85.0 |
86.3 |
87.6 |
88.9 |
90.3 |
91.8 |
93.3 |
94.8 |
96.6 |
|
軸功率% |
58.6 |
61.4 |
64.3 |
67.2 |
70.3 |
73.6 |
77.4 |
81.2 |
85.2 |
90.2 |
|
|
節(jié)電率% |
|
12.4 |
11.4 |
10.3 |
9.3 |
8.3 |
7.2 |
6.2 |
5.1 |
4.2 |
|
|
80％ |
轉(zhuǎn)速% |
89.5 |
90.3 |
91.1 |
91.9 |
92.7 |
93.6 |
94.5 |
95.4 |
96.4 |
97.5 |
|
軸功率% |
71.7 |
73.6 |
75.6 |
77.6 |
79.7 |
82.0 |
84.4 |
86.8 |
89.6 |
92.7 |
|
|
節(jié)電率% |
|
5.9 |
5.1 |
4.3 |
3.6 |
3.1 |
2.6 |
2.2 |
1.8 |
1.5 |
|
|
閥門 |
調(diào)節(jié)功耗 |
％ |
73 |
77 |
80 |
84 |
87 |
90 |
93 |
96 |
98 |
注意：1.表中最左邊一欄為水泵系統(tǒng)靜揚程與額定揚程的百分比；
2.表中最上邊一欄為水泵系統(tǒng)的實際流量與額定流量的百分比；
3.本表所列數(shù)據(jù)系根據(jù)某典型水泵特性得出，與實際的泵有一定誤差。
以上討論的只是單泵運行的給水系統(tǒng)的情況，目前一般的供水系統(tǒng)都采用多泵并列運行，大小泵搭配，以及采用泵的臺數(shù)調(diào)節(jié)等經(jīng)濟運行手段，其運行的經(jīng)濟性也很好。在此基礎(chǔ)上再進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，其節(jié)能潛力已不是很大了，對于這一點應(yīng)當有一個清醒的認識，不要過分夸大水泵變頻調(diào)速的節(jié)能效果，否則將適得其反。
高性能離心式水泵由于采用了三元流動，進口導葉等先進技術(shù)，離心式水泵的特性曲線已經(jīng)做得非常平坦，高效率的工作區(qū)域很寬，這也正是水泵生產(chǎn)廠家努力追求的目標。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調(diào)速的范圍很小。見圖7所示。供水系統(tǒng)的靜揚程越大，也就是空載功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，調(diào)速范圍就越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果也就越差。
對于定壓供水系統(tǒng)的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會引起一些問題，甚至不能正常工作。因為水泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調(diào)速范圍非常小。且因為供水壓力小的波動，新的工作點會發(fā)生劇烈變動，雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定速水泵配置方案運行匹配較為困難，且節(jié)能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節(jié)能控制的初衷相違背的。因此對于實際工程中的高性能離心泵機群，所有的運行泵都采用變頻調(diào)速控制才是最合理的。
如果出于經(jīng)濟原因的考慮，調(diào)速泵的臺數(shù)應(yīng)是最常開泵的臺數(shù)，其它泵則采用工頻備用。如果還要減少調(diào)速泵的臺數(shù)的話，則一定要使揚程最高、流量最大的泵調(diào)速運行，才能取得較好的效果。
