火電廠變頻節(jié)能策略

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1.前言
 隨著全球氣候變化影響的日益顯著，推進(jìn)節(jié)能減排逐漸成為國(guó)際共識(shí)。節(jié)能減排是我國(guó)落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、保證社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，是建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的必然選擇。我國(guó)又提出了“堅(jiān)持開(kāi)發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位”的能源發(fā)展總方針。
 《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》確定了電力行業(yè)“十二五”期間節(jié)能減排的具體指標(biāo)：到2015年，火電供電煤耗325克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時(shí)，較2010年降低8克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時(shí)；火電廠廠用電率6.2%，較2010年降低0.13個(gè)百分點(diǎn)；電網(wǎng)綜合線損率6.3%，較2010年降低0.23個(gè)百分點(diǎn)；火電行業(yè)二氧化硫排放量800萬(wàn)噸，較2010年下降16%；火電行業(yè)氮氧化物排放量750萬(wàn)噸，較2010年下降29%。同時(shí)“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃指出：到2015年，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到4.5萬(wàn)億元，節(jié)能市場(chǎng)潛力巨大。由此可見(jiàn), 火電發(fā)電廠節(jié)能減排工作勢(shì)在必行。
2.火電廠能源消耗現(xiàn)狀
火力發(fā)電廠發(fā)電過(guò)程是一個(gè)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程：從化學(xué)能（煤、油、氣等）轉(zhuǎn)變成熱能，在轉(zhuǎn)化機(jī)械能，最后發(fā)出清潔的電能。從火電廠的生產(chǎn)工藝和特點(diǎn)分析，火力發(fā)電廠不僅是能源轉(zhuǎn)換的企業(yè)，也是一次能源消耗大戶，每年消耗的煤、石油、天然氣、水和電非常大。
在我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中，截至2012年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到114491萬(wàn)千瓦,其中，火電81917萬(wàn)千瓦（含煤電75811萬(wàn)千瓦、氣電3827萬(wàn)千瓦），占全部裝機(jī)容量的71.5%；水電24890萬(wàn)千瓦（含抽水蓄能2031萬(wàn)千瓦），占全部裝機(jī)容量的21.7%；核電1257萬(wàn)千瓦，占全部裝機(jī)容量的1.1%;并網(wǎng)風(fēng)電6083萬(wàn)千瓦，占全部裝機(jī)容量的5.3%;并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電328萬(wàn)千瓦,占全部裝機(jī)容量的0.4%。從以上數(shù)據(jù)可知火力發(fā)電仍然占據(jù)我國(guó)發(fā)電量的主導(dǎo)地位。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%。其中全國(guó)火力發(fā)電廠的平均廠用電率約為4～10% ，而泵與風(fēng)機(jī)的耗電量占廠用電的75％左右。而火電廠的輔機(jī)設(shè)備多數(shù)是定速電動(dòng)機(jī)的風(fēng)機(jī)和水泵，如鍋爐輔機(jī)設(shè)備有：一次風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等，汽輪機(jī)輔助設(shè)備有：給水泵、循環(huán)泵、凝結(jié)泵、射水泵、供水泵等。目前來(lái)說(shuō)，火力發(fā)電廠普遍存在著能耗浪費(fèi)現(xiàn)象:
1. 主機(jī)輔機(jī)設(shè)備的風(fēng)機(jī)水泵都是定速電機(jī)，不能調(diào)節(jié).
2. 風(fēng)機(jī)水泵流量靠風(fēng)門(mén)或閥門(mén)調(diào)節(jié),節(jié)流損耗大.
這種定速驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和水泵，調(diào)節(jié)線性差，如果需要調(diào)節(jié)的壓力或流量，只好采用流到上的閥門(mén)，泵采用出口閥，風(fēng)機(jī)則采用入口風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)流量。對(duì)于采用風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)和出口門(mén)調(diào)節(jié)流量或壓頭的水泵這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題。這種機(jī)械的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)和水泵的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng),而被調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)消耗掉的,因此泵和風(fēng)機(jī)都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。普遍采用擋板和閥門(mén)調(diào)節(jié)，節(jié)流能耗損失大，造成不必要的浪費(fèi)。
3. 調(diào)峰電廠，輔機(jī)調(diào)節(jié)線性差，節(jié)流耗能損失大。
調(diào)峰的電廠都共同具有的特性：主輔設(shè)備長(zhǎng)期在低負(fù)荷條件下運(yùn)行，機(jī)組綜合利用效率大幅度降低；同時(shí)，需要調(diào)峰時(shí)，主輔機(jī)設(shè)備又不能滿足機(jī)組快速提升到需求峰值的要求。
根據(jù)調(diào)峰電廠調(diào)幅大，低負(fù)荷的特性，必須要求輔機(jī)設(shè)備滿足主機(jī)組線性調(diào)節(jié)需求。但是目前火電廠輔機(jī)的調(diào)節(jié)方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式反應(yīng)遲緩、動(dòng)作慢，根本不能夠滿足機(jī)組迅速調(diào)峰時(shí)快速上升的線性需求；同時(shí)，由于采取節(jié)流調(diào)節(jié)，加大了通道的通流阻抗，增加電動(dòng)機(jī)的用電量，浪費(fèi)了電能。
3.火電廠的節(jié)能空間
目前火力發(fā)電廠之所以節(jié)能空間主要有三個(gè)方面：
3.1設(shè)計(jì)問(wèn)題
1．火電設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)裕度
我國(guó)現(xiàn)行的《 DL/T 5000-2000火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：燃煤鍋爐一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量裕度分別為5%~35%、5%~10%、10%，風(fēng)壓裕度分別為10~30％、10％～20％、20%；大容量鍋爐的冷卻風(fēng)機(jī)宜選用二臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕量宜為15％；風(fēng)機(jī)的壓頭裕量宜為25％。
這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)值。但風(fēng)機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。這樣，電廠鍋爐送引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20％～30％是比較常見(jiàn)的。
一般在鍋爐風(fēng)機(jī)容量設(shè)計(jì)時(shí)，單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)具備帶75％負(fù)荷運(yùn)行的能力，這主要是從機(jī)組運(yùn)行的安全性出發(fā)的；當(dāng)失去一側(cè)送引風(fēng)機(jī)時(shí)，機(jī)組還能帶75％的負(fù)荷運(yùn)行。所以當(dāng)雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，機(jī)組帶滿負(fù)荷時(shí)，送引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)余量在20～30％左右，風(fēng)門(mén)開(kāi)度一般為50～60%。節(jié)能空間很大，即使在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，也有20～30%的節(jié)電率。
電廠鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。一般情況下，采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，在兩者偏離10％時(shí)，效率下降8％左右；偏離20％時(shí)，效率下降20％左右；而偏離30％時(shí)，效率則下降30％以上。對(duì)于采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題。可見(jiàn)，鍋爐一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門(mén)消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。
2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的余量
不僅風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械在設(shè)計(jì)時(shí)留有相當(dāng)大的余量，其配用電動(dòng)機(jī)也都留有很大的余量，如某行業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械配用電機(jī)的導(dǎo)則如下：電動(dòng)機(jī)容量選擇
電動(dòng)機(jī)的容量按機(jī)械所需軸功率選擇，可按下式計(jì)算：
Pe≧K Ki Kh Pz
其中   Pe—電動(dòng)機(jī)的額定功率（kw）
K —機(jī)械的儲(chǔ)備系數(shù) ，見(jiàn)表1.2.1
Ki —溫度修正系數(shù)，見(jiàn)表1.2.2
Kh —海拔修正系數(shù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)用于海拔1000m以上時(shí)，如使用地點(diǎn)的溫度隨海拔增高而遞減，并滿足下式時(shí)，容量不作修正，若不滿足下式要求，則每超過(guò)1℃電動(dòng)機(jī)降容1%：
（h-1000）Δθ/100-（40-θ）＜ 0
式中   h—使用地點(diǎn)海拔高度（m）
Δθ—海拔高度每升高100m電動(dòng)機(jī)溫升的遞增值，其職位電動(dòng)機(jī)額定溫升的1%（℃）。
θ—使用地點(diǎn)的最高環(huán)境溫度。
Pz—機(jī)械需要軸功率（kw）
表1.2.1    機(jī)械的儲(chǔ)備系數(shù)     
機(jī)械性質(zhì) 水泵 啟動(dòng)困難的風(fēng)機(jī) 較易啟動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī) 輸送粉狀物質(zhì)的風(fēng)機(jī) 可能帶負(fù)載啟動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)械
儲(chǔ)備系數(shù) 1.2 1.26 1.15 1.3 1.2
表1.2.2    溫度修正系數(shù)
冷卻空氣溫度t 25 30 35 40 45 50
溫度系數(shù)Kt 1.1 1.08 1.05 1.0 0.95 0.875
擬合函數(shù)Kt = -1E-06t³ - 0.0001t² + 0.0055t + 1.0598
這種選型原則，節(jié)能空間大。
3.2技術(shù)問(wèn)題
調(diào)節(jié)手段落后，造成損耗損失嚴(yán)重。
一般情況下，風(fēng)機(jī)和水泵基本上都采用定速驅(qū)動(dòng)。這種定速驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和水泵，如果需要調(diào)節(jié)服務(wù)點(diǎn)的壓力或流量，只好采用流到上的閥門(mén)，對(duì)于泵采用出口閥，風(fēng)機(jī)則采用入口風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)流量，都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低。
1.風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)：
在200MW及以下機(jī)組，一般采用調(diào)整入口導(dǎo)向葉片的角度（風(fēng)門(mén)開(kāi)度）的方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，這種風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的截流損耗一般為30％Pe（額定容量）。在300MW及以上機(jī)組，則采用調(diào)節(jié)動(dòng)、靜葉片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式的截流損耗也在20％Pe左右。
2.給水泵閥門(mén)調(diào)節(jié)：
一臺(tái)200MW發(fā)電機(jī)組的電動(dòng)給水泵，其電動(dòng)機(jī)功率達(dá)5000ｋW，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）原因有兩個(gè)：（1） 鍋爐檢修以后打水壓試驗(yàn)的需要；（2） 為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高水位調(diào)節(jié)品質(zhì)的需要。如此大的截流損耗，造成大量的能源浪費(fèi)。
中、小型熱電廠鍋爐給水多采用母管制給水系統(tǒng)，給水泵多為定速運(yùn)行，鍋爐汽包水位靠自動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，屬節(jié)流調(diào)節(jié)，存在節(jié)流損耗。一般是負(fù)荷越小母管壓力越高，鍋爐自動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度越小，其節(jié)流損耗就越大。
3.循環(huán)水泵 調(diào)節(jié)法門(mén)調(diào)節(jié):
循環(huán)水泵是為汽輪機(jī)組凝汽器提供冷卻水的重要鋪機(jī)設(shè)備，隨著機(jī)組負(fù)荷和季節(jié)的變化，為了保證機(jī)組在合理的經(jīng)濟(jì)真空值運(yùn)行，需要的冷卻水量是變化的。通常冬季單臺(tái)泵運(yùn)行流量偏大，夏季單臺(tái)泵流量不足，需要兩臺(tái)泵運(yùn)行，而兩臺(tái)泵的流量又過(guò)大。
目前國(guó)內(nèi)中等以上容量的機(jī)組也有采用調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)冷卻水流量調(diào)節(jié)的，這種調(diào)節(jié)方式控制的汽輪機(jī)真空度不穩(wěn)定，不能保證汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閥門(mén)的節(jié)流損耗大，泵的運(yùn)行效率也很低，節(jié)能空間大。
4.凝結(jié)水泵 調(diào)節(jié)閥門(mén)調(diào)節(jié)：
一般一臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)二臺(tái)110％容量的凝結(jié)水泵，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用；大機(jī)組采用三臺(tái)泵，二臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用，每臺(tái)泵的出力均為55％額定容量，目前存在的問(wèn)題是：由于凝結(jié)水泵定速運(yùn)行，靠出口調(diào)節(jié)門(mén)的節(jié)流控制，節(jié)流量大。
3.3電廠調(diào)峰問(wèn)題
調(diào)峰原則:
⑴.調(diào)峰電源主要以常規(guī)大型火電機(jī)組為主，抽水蓄能、水電站等為輔。在供熱期間，網(wǎng)內(nèi)供熱機(jī)組肩負(fù)供熱任務(wù)．一般不參與調(diào)峰或調(diào)節(jié)能力下降為30%。自備電廠主要為滿足企業(yè)負(fù)荷供電，一般不參與調(diào)峰.
⑵.在不投油的工況下，300ＭＷ、330ＭＷ及600ＭＷ常規(guī)大型火電機(jī)組的正常可調(diào)出力系數(shù)（指機(jī)組可調(diào)節(jié)范圍占裝機(jī)容量的百分比）為60％，100~200ＭＷ火電機(jī)組的正常可調(diào)出力系數(shù)為40%-50%。
⑶.發(fā)電日最小負(fù)荷率一般為70%~80%，電網(wǎng)供電負(fù)荷峰谷差經(jīng)驗(yàn)值為20%左右．
⑷.電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量一般取系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%~5%。

調(diào)峰現(xiàn)狀:
    目前電網(wǎng)為了吸納更多的風(fēng)電,很多火電機(jī)組處于熱備用狀態(tài)或者低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行(40%~60%)，運(yùn)行效率很低；同時(shí)調(diào)峰使得輔機(jī)大幅度調(diào)節(jié),輔機(jī)跟隨主機(jī)調(diào)節(jié)線性差。因此,輔機(jī)設(shè)備具有很大的節(jié)能空間。
譬如在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)機(jī)組的給水泵全部為電動(dòng)而又無(wú)變速調(diào)節(jié)功能時(shí),給水壓力損失很大；循環(huán)水泵也是如此，低負(fù)荷不需要那么大的冷卻水量，浪費(fèi)嚴(yán)重；凝結(jié)水泵通過(guò)出口門(mén)和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大且調(diào)節(jié)線性差；鍋爐輔機(jī)送風(fēng)和引風(fēng)機(jī)需要通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)減少流量，風(fēng)門(mén)線形差,節(jié)流損失嚴(yán)重。
4.變頻調(diào)速改造措施確定
通過(guò)以上設(shè)計(jì)問(wèn)題（裕度）、技術(shù)問(wèn)題（調(diào)節(jié)手段落后）和電廠在調(diào)峰（輔機(jī)調(diào)節(jié)線性差）中三個(gè)問(wèn)題分析，得知，改進(jìn)輔機(jī)風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)水泵的效率，降低風(fēng)機(jī)水泵耗電量的最有效途徑。
節(jié)流調(diào)整是改變系統(tǒng)的阻力特性，而變速調(diào)整是改變揚(yáng)程與流量間的特性。二者都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)要求的調(diào)節(jié)，但耗能不一。下面就幾種調(diào)節(jié)方式（風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)差裝置調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速，電磁耦合調(diào)速，液力耦合調(diào)速，可控硅串級(jí)調(diào)速，變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速，變頻裝置調(diào)速）以離心機(jī)風(fēng)機(jī)為例研究調(diào)節(jié)性能。
按照流體機(jī)械的相似定律，風(fēng)機(jī)、水泵的流量Q、壓頭（揚(yáng)程）H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下比例關(guān)系：Q1 /Q2=n1/n2; H1/H2=（ n1/n2）2 ; P1/P2=（ n1/n2）3 離心式風(fēng)機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過(guò)程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風(fēng)機(jī)的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負(fù)荷率低于80％時(shí)才略有下降）。圖1示出了離心式風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較，圖2示出了采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率—流量曲線。
 
由圖2可知：在風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由100％下降到50％時(shí)，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30％以上。通過(guò)圖1 離心式不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較中可以看出：變頻調(diào)節(jié)方式為節(jié)能最好的方式。同時(shí)，變頻調(diào)速比其他調(diào)速在可靠性高、功率因素高、對(duì)電網(wǎng)影響小、維護(hù)性好、節(jié)能效益好、回收期短方面給具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此，變頻調(diào)速是調(diào)速的最佳調(diào)節(jié)方式。
5.變頻節(jié)能分析
5.1.異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵定速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性
研究異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵定速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性可以清楚地了解他們浪費(fèi)能源的機(jī)理，并為確定節(jié)能方案。圖3給出了某水泵的特性曲線。
一般風(fēng)機(jī)與水泵的特性曲線是指流量為變量，其他一些參數(shù)與這一變量的關(guān)系，一般包括：揚(yáng)程或氣壓升與流量的關(guān)系  H = f( Q ) 或 Δp = f( Q ) ，軸功率與流量的關(guān)系  P = f( Q )，效率與流量的關(guān)系    η = f( Q )  等。
                   圖3 水泵的機(jī)械特性曲線
對(duì)泵或風(fēng)機(jī)出口而言，當(dāng)把它們接入系統(tǒng)，于是由系統(tǒng)阻力與機(jī)械的特性共同決定機(jī)械的工作點(diǎn)。管道系統(tǒng)對(duì)于流體的阻力一般是一條與流量的平方成比例的二次曲線，其常數(shù)項(xiàng)為服務(wù)點(diǎn)壓力。形式是：
Z = a + b Q²
如服務(wù)點(diǎn)的壓力為20m，可在圖1上劃出某工況下出口門(mén)大開(kāi)時(shí)的系統(tǒng)阻力曲線Z0(見(jiàn)圖2)，此時(shí)泵的工作點(diǎn)為2。但如果由于泵的選型問(wèn)題運(yùn)行最大流量?jī)H130 m³/h，當(dāng)需要的水量為130 m³/h，服務(wù)點(diǎn)壓頭為20m時(shí) ，泵出口壓力為140m，這時(shí)要求系統(tǒng)阻力曲線應(yīng)為Z，工作點(diǎn)在1，但系統(tǒng)中，泵出口調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)時(shí)，其阻力曲線僅為Z0，工作點(diǎn)在2，流量要達(dá)到180 m³/h。為此系統(tǒng)要通過(guò)關(guān)小泵的出口調(diào)整門(mén)，節(jié)流水量，直到流量等于130 m³/h。工作點(diǎn)2到工作點(diǎn)1引起的揚(yáng)程差ΔH1消耗在泵出口調(diào)門(mén)上，形成能量的浪費(fèi)。
如果泵的揚(yáng)程特性曲線能從a變成b，泵就可以在全開(kāi)出口調(diào)整門(mén)的情況下，按阻力曲線Z0運(yùn)行，則是工作點(diǎn)為3。同樣的流量，但揚(yáng)程大大減小ΔH2，泵的軸功率也將大大下降，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。泵的揚(yáng)程特性曲線能從a變成b，可以通過(guò)改變其轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。
從以上分析可以看出，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(mén)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，使泵內(nèi)少消耗的功率。圖1中1和3兩工作點(diǎn)的揚(yáng)程差由兩部分組成，一部分是消耗在泵出口調(diào)門(mén)上的ΔH1，形成能量的浪費(fèi)；一是另一部分揚(yáng)程ΔH2的減少，體現(xiàn)了泵本身效率的提高。因此，提高節(jié)電效果的有效途徑可以把定速改用變速調(diào)節(jié)。
5.2風(fēng)機(jī)和水泵變頻調(diào)速節(jié)能的分析與預(yù)測(cè)
對(duì)于原定速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和水泵改為調(diào)速運(yùn)行后到底可以節(jié)能多少，可以通過(guò)已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。
5.2.1. 變頻調(diào)速節(jié)能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
原定速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和水泵改為調(diào)速運(yùn)行后到底可以節(jié)能多少與以下情況有關(guān)：
1.原設(shè)備選型:電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵。
2.原設(shè)備設(shè)計(jì)容量與系統(tǒng)運(yùn)行后的實(shí)際最大負(fù)荷
3.變負(fù)荷運(yùn)行的幅度及各種變負(fù)荷工控的運(yùn)行時(shí)間
4.調(diào)速設(shè)備及系統(tǒng)的效率
5.風(fēng)機(jī)和水泵的服務(wù)點(diǎn)壓力與設(shè)備實(shí)際揚(yáng)程或壓力差
以上這些條件基本可以確定其節(jié)能潛力，節(jié)能效果上與選用調(diào)速設(shè)備或裝置有關(guān)，我們選取效果最好的變頻節(jié)能進(jìn)行分析研究。
5.2.2. 變頻調(diào)速節(jié)能基礎(chǔ)公式
1.流量、壓力、軸功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系
用文字表述為：流量與轉(zhuǎn)速成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
 Q1/Q2 = n1/n2
 H1/H2 = (n1/n2)2
 N1/N2 = (n1/n2)3

根據(jù)流體機(jī)械的相似規(guī)律，以上三種比例關(guān)系作為分析變頻調(diào)速是流量Q，壓頭（揚(yáng)程）H，軸功率P的基礎(chǔ)。
 2. 風(fēng)機(jī)軸功率
軸功率  由原動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置傳到風(fēng)機(jī)軸上的功率，稱為水泵的軸功率，用P表示，單位為kW。
                      P=QP/λ1λ2
     式中：Q---風(fēng)機(jī)風(fēng)量 （ m3/s ）；
      p---風(fēng)機(jī)全壓  ( kPa )；
      λ1－變頻效率；96%
      λ2－傳動(dòng)效率；60~80%
3. 水泵軸功率計(jì)算
水泵軸功率為水泵工作時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)機(jī)械功率，即原動(dòng)機(jī)（電機(jī)）的輸出功率，計(jì)算消耗電功率時(shí)還要考慮電機(jī)的效率。
水泵軸功率的計(jì)算公式為：
Pa=ρgQH×10³/η
式中：
Pa——泵的軸功率，kW
Q——流量，（m3/s）；
H——揚(yáng)程，m
ρ——水的密度，1000kg/m3
g——重力加速度，9.8m/s2
η——泵效率。（50%~80%）
4. 電機(jī)效率和功率
ηN  = PN/（1.732IN UN COSΦN）    ηN ：93-96%
P=1.732I U COSΦηN
5.2.3.風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算方法
風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能效果計(jì)算比較簡(jiǎn)單，由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般不存在反壓，所以風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)消耗的電功率可以直接用比例定律求得。
關(guān)鍵的是要根據(jù)風(fēng)門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)測(cè)算出準(zhǔn)確的風(fēng)量數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確算出節(jié)電率來(lái)。
最準(zhǔn)確的是根據(jù)各種工況下的風(fēng)量、風(fēng)壓和電動(dòng)機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；
其次是根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性曲線以及風(fēng)門(mén)開(kāi)度和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)門(mén)開(kāi)度決定節(jié)電率，而電動(dòng)機(jī)電流的大小則決定節(jié)電量；
最后就只能根據(jù)風(fēng)門(mén)開(kāi)度數(shù)據(jù)用查表法和函數(shù)逼近法算出風(fēng)量來(lái)，然后根據(jù)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比進(jìn)行計(jì)算了。工程實(shí)踐應(yīng)用中最后的方法比較常見(jiàn)，由風(fēng)門(mén)開(kāi)度查出風(fēng)量,如圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時(shí)的風(fēng)門(mén)開(kāi)度與風(fēng)量的關(guān)系曲線
工程實(shí)踐應(yīng)用中，有一種計(jì)算方法算出的風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)的風(fēng)機(jī)軸功率較為準(zhǔn)確，即根據(jù)某一風(fēng)門(mén)開(kāi)度時(shí)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率來(lái)反推風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率（包括電動(dòng)機(jī)的損耗）。根據(jù)圖1離心式風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下不同調(diào)節(jié)方式的軸功率，例如入口風(fēng)門(mén)70%流量時(shí)，功率百分比值大約在65%（表示流量70%消耗的功率約占風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)功率的65%）。詳見(jiàn)案例分析1。
圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時(shí)的風(fēng)門(mén)開(kāi)度與風(fēng)量的關(guān)系曲線
計(jì)算基本步驟：
1.計(jì)算工頻運(yùn)行時(shí)的消耗功率Pd=1.732I U COSΦηN
2.確定流量比：Q1/Q2 = n1/n2 =（H1/H2 ）1/2  
通過(guò)風(fēng)門(mén)開(kāi)度k%，查圖4，確定對(duì)應(yīng)的流量比Q%，在根據(jù)流量百分比，對(duì)應(yīng)圖1確定 此流量百分比下，對(duì)應(yīng)的全功率百分比P%。
3.計(jì)算變頻運(yùn)行時(shí)的消耗功率Pb=Pd /P% *K%3/0.96 (變頻效率)                      
4.節(jié)約功率△P =Pd –Pb
△P 乘上運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)）即為節(jié)約電度數(shù)。
5.節(jié)電率：
          △%= （Pd–Pb）/ Pd*100%
    5.2.4.水泵變頻調(diào)速節(jié)能效計(jì)算
方法：相似拋物線的求法
水泵與風(fēng)機(jī)不同，由于靜揚(yáng)程的存在，阻力曲線不是相似曲線，因此圖5某鍋爐給水泵的性能曲線相似拋物線的求法中轉(zhuǎn)速變化前后的運(yùn)行工況點(diǎn)M與M＇不是相似工況點(diǎn)，故其流量、揚(yáng)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，但是可以在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的H-Q 曲線上找出M＇的相似工況點(diǎn)A，得出A對(duì)應(yīng)的流量，以便求出M＇的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)管路性能曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零時(shí)，即HST=0（或PST=0）時(shí)，管路性能曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，它與過(guò)M點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速時(shí)的相擬拋物線重合，因此，M與M＇又都是相似工況點(diǎn)（比如風(fēng)機(jī)），故可用比例定律直接由M點(diǎn)的參數(shù)求出M＇點(diǎn)的參數(shù)。
 
圖5   某鍋爐給水泵的性能曲線相似拋物線的求法
6．變頻應(yīng)用案例：
6.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題
案例分析一：某電廠440T循環(huán)流化床鍋爐  一次風(fēng)機(jī)變頻改造
1.改造改造前運(yùn)行工況：
某電廠440T循環(huán)流化床鍋爐,改造前一次風(fēng)機(jī)與電機(jī)直接連接，采用入口擋板門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量，開(kāi)度43%，出口風(fēng)壓13KPa左右，爐膛風(fēng)室風(fēng)壓12.5 KPa左右，總一次風(fēng)量在16～18萬(wàn)m³/h，電機(jī)電流均在130A左右。型號(hào)：YKK560-4，額定功率 1400kW，額定電壓 6kV ，額定電流 156.1 A額定轉(zhuǎn)速 1485 轉(zhuǎn)/分 功率因數(shù)：0.85
2.節(jié)能分析：
定速下功率：
一次風(fēng)機(jī)在運(yùn)行電流均為130A，電動(dòng)機(jī)的功率為：
Pd = 1.732×6000×130×0.8= 1081 kW；
變頻下功率：
    確定變頻下的功率，關(guān)鍵是確定變頻時(shí)流量能滿足要求，根據(jù)定速下入口擋板門(mén)開(kāi)度43%時(shí)的風(fēng)量，由圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時(shí)的風(fēng)門(mén)開(kāi)度與風(fēng)量的關(guān)系曲線，入口擋板開(kāi)度在43%時(shí)的流量約在73%，由圖3離心式風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下不同調(diào)節(jié)方式的軸功率，可查得此時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率為全風(fēng)量功率的68％
 所以：
n2/n1= Q2/Q1= 73%
 當(dāng)風(fēng)機(jī)在73％轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，其消耗的電功率為：
Pb = 1081/68%×0.733 /0.96=644kW，
變頻器效率:0.96
節(jié)省電功率:  ΔP = Pd－Pb = 1081–644 = 437 kW
節(jié)電率為 :   ΔP / Pd  = 437/1081 =40%
工程處理：ΔP / Pd*（1-10%）=40%*90%=36%（節(jié)電效果顯著）
3.變頻改造后效果:
一次風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻改造前后節(jié)能數(shù)據(jù)表一
負(fù)荷（MW） 風(fēng)機(jī)電流(A) 風(fēng)室壓力(kPa) 轉(zhuǎn)速 節(jié)電率% 平均節(jié)電率%
 改前 改后 改前 改后 改前 改后  
100-110 128 50 12.3 10.6 1485 1054 61 60
110-135 131 52.6 12.5 10.8  1069 60 
4.誤差分析：
計(jì)算流量在73%是的轉(zhuǎn)速：1485*73%=1084轉(zhuǎn)/分鐘。
從下面運(yùn)數(shù)據(jù)中實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速為：1054轉(zhuǎn)/分鐘和1069轉(zhuǎn)/分鐘，平均值為（1069+1054）/2=1062
誤差：(1084-1062）/1084=2%
誤差2%非常小，說(shuō)明變頻節(jié)能利用入口開(kāi)度差曲線計(jì)算流量，與實(shí)際運(yùn)行的流量差不多相同，驗(yàn)證了理論計(jì)算和工程實(shí)際一致性，充分說(shuō)明風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電效果顯著（節(jié)電率能達(dá)到36%），風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)損耗很大。
平均節(jié)電率(60%)與計(jì)算的節(jié)電率(36%)存在誤差（24%）較大，主要原因可能是電流表讀數(shù)誤差，變頻器的實(shí)際電流較小。

案例分析二： 某電廠循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造：
1.設(shè)備參數(shù)：
循環(huán)泵：64LKXA-20             額定流量：Qe：19726m3/h (5480l/s)
額定揚(yáng)程：He：20m             額定轉(zhuǎn)速：425rps
電動(dòng)機(jī)：YKSL1600－14/1730-1   額定功率；1600kW
額定電壓：6000V               額定電流：203.3A
額定轉(zhuǎn)速：425rps              工頻運(yùn)行電流：154A
額定效率： 95％               功率因數(shù)： 0.85
2.循環(huán)水泵運(yùn)行特性：
由于隨著機(jī)組負(fù)荷和氣溫的變化，為了保證汽輪機(jī)的效率，需要保證凝汽器真空度的穩(wěn)定，隨著發(fā)電負(fù)荷的變化以及晝夜季節(jié)氣溫的變化，為了保證凝汽器真空度的穩(wěn)定，要求循環(huán)水流量大幅度變化，顯然用出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量是達(dá)不到凝汽器真空度穩(wěn)定的目的的，只有采用變頻調(diào)速才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量達(dá)到穩(wěn)定凝汽器真空度的目的。

圖6   水泵在不同工作點(diǎn)的變頻調(diào)速相似拋物線
  3. 相似拋物線分析：
圖6所示為循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理圖，從圖中可以得出：水泵的額定工況點(diǎn)為“A”， 循環(huán)水泵系統(tǒng)的靜揚(yáng)程 Hst=10.3m，（水泵的關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程約為30米，靜揚(yáng)程占30%左右），80％流量工況點(diǎn)為A1，70％流量工況點(diǎn)為A2，60％流量工況點(diǎn)為A3，對(duì)應(yīng)的相似工況點(diǎn)分別為：
A1’(18800 m3/h，22.5m)    相應(yīng)的轉(zhuǎn)速則分別為：n1=16000/18800=85％n0
A2’(17600 m3/h，23.4m)                         n2=14000/17600=79.5％n0
A3’(16200 m3/h，25.2m)                         n3=12000/16200=74％n0。
消耗的電功率分別為：
P1 = Pz×0.853/0.96/0.9= 974 kW，
P2 = Pz×0.7953/0.96/0.9 = 797 kW，
P3 = Pz×0.743 /0.96/0.9 = 643 kW.
變頻效率：0.96，電機(jī)效率：0.9
這里額定軸功率  Pz = 5480l/s×200kPa/0.8 = 1370 kW；
電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行功率  Pd = 1.732×6000×154×0.85=1360kW。
節(jié)電率分別為： 25.1％，38.7％ 和 50.6％。
由于需要的循環(huán)水流量隨著機(jī)組負(fù)荷和季節(jié)氣溫的變化而變化，而隨著循環(huán)水流量的增加，節(jié)電率將減少。因此，實(shí)際的節(jié)電效果，要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷曲線和晝夜季節(jié)氣溫的變化曲線計(jì)算得出。

 案例三：某電廠330MW機(jī)組  凝結(jié)水泵變頻改造
1.設(shè)備參數(shù)：
配兩臺(tái)B640-5型凝結(jié)水泵，額定流量735m3/h，揚(yáng)程293m，泵效率81%，軸功率724kW，轉(zhuǎn)速1489r/min；
配套電動(dòng)機(jī)型號(hào)YLST500-4,電壓6kV,電流115.6A,功率1000kW, 功率因數(shù)0.89，轉(zhuǎn)速1489r/min. 效率 90%。
2. 凝結(jié)水泵變頻器改造前后節(jié)能數(shù)據(jù) 表二
負(fù)荷率 單位 60% 70% 80% 90% 100%
凝結(jié)水泵電機(jī)電流 A 76.8 78.7 80.7 85.1 86.5
凝結(jié)水調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度 % 22.9 23.6 26.4 34.6 40
凝結(jié)水泵出口母管壓力 MPa 3.07 3.02 2.92 2.68 2.6
凝結(jié)水流量 t/h 513 538.5 626 727 825
凝結(jié)水調(diào)節(jié)門(mén)后壓力 MPa 0.61 0.71 0.79 0.9 1.0
母管和調(diào)節(jié)閥后壓差 MPa 2.46 2.31 2.13 1.78 1.6
2010年工作時(shí)間 h 1200 200 667 715 5800
工頻能耗 kW 710 728 746 787 800
變頻能耗 kW 352.4 370 430 500 566.7
節(jié)電率 % 50 49 42 36 29