凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行能耗分析

摘 要：文章從泵的基本理論出發(fā)，提出變頻凝結(jié)水泵效率及能耗的估算方法，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了能耗的分析，計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置變頻器可以有效的降低能耗，減少?gòu)S用電量。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水泵；變頻器；能耗

凝結(jié)水泵作為凝結(jié)水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備和電廠(chǎng)的重要輔機(jī)，其設(shè)計(jì)功耗一般約占機(jī)組額定出力的0.35%，在滿(mǎn)足機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，最大限度的降低其耗能是電力系統(tǒng)節(jié)能減排的重要研究課題之一。目前針對(duì)凝泵變頻運(yùn)行的能耗計(jì)算，主要是基于泵的相似理論，即流量減小一半，揚(yáng)程減為1/4，功率減為1/8。但是這種計(jì)算方法忽略了凝結(jié)水系統(tǒng)阻力的影響。文章以泵的相似理論為基礎(chǔ)，結(jié)合凝結(jié)水系統(tǒng)阻力在各工況的變化，提出了一種泵效率及能耗的估算方法。

1 凝結(jié)水流量的調(diào)節(jié)方式

在電廠(chǎng)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，由于工況的變化，凝結(jié)水流量需要做出相應(yīng)的調(diào)整。

凝結(jié)水量的調(diào)節(jié)主要有兩種方式，一種是針對(duì)定速泵，流量的調(diào)節(jié)主要通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)改變管道的沿程阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)；另外一種是通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

通過(guò)圖1可以看出兩者的差別。對(duì)定速泵，泵的H-Q曲線(xiàn)是不變的，當(dāng)工況變化，流量由Q1變?yōu)镼2時(shí)，我們需要減小調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)提高泵的揚(yáng)程至H3，泵的運(yùn)行工況由A點(diǎn)調(diào)整到C點(diǎn)。而對(duì)于變頻調(diào)節(jié)，泵的H-Q曲線(xiàn)會(huì)隨著泵的轉(zhuǎn)速變化而改變，我們可以找到一個(gè)合適的轉(zhuǎn)速，使泵的H-Q曲線(xiàn)與所要求的流量、揚(yáng)程相匹配，見(jiàn)圖1中B點(diǎn)，此時(shí)，流量為Q2，而揚(yáng)程是該工況下調(diào)閥最大開(kāi)度所對(duì)應(yīng)的凝泵所需揚(yáng)程H2。根據(jù)泵的軸功率與流量和揚(yáng)程的關(guān)系P∝QH，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)流量可以減小泵的能耗，起到節(jié)能的目的。

2 凝結(jié)水泵軸功率估算方法

泵的軸功率計(jì)算公式為：

其中：P為泵的軸功率，kW；g為重力加速度，取9.8m/s2；Q為質(zhì)量流量，kg/s；H為泵的揚(yáng)程，m；η為泵的效率。

（1）式中，流量可通過(guò)機(jī)組運(yùn)行工況的熱平衡圖得到，泵的揚(yáng)程和效率在定速和變頻運(yùn)行兩種情況下則有較大差別。對(duì)定速泵而言，可以通過(guò)泵廠(chǎng)家提供的水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線(xiàn)直接查出泵的揚(yáng)程以及效率，但是對(duì)于變頻運(yùn)行的水泵，在泵的轉(zhuǎn)速?zèng)]有確定的情況下，廠(chǎng)家無(wú)法提供性能曲線(xiàn)，我們只能通過(guò)額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算泵變速運(yùn)行后的參數(shù)。

前面已經(jīng)提到，在泵變頻運(yùn)行的過(guò)程中，為了減小管路的阻力損失，調(diào)節(jié)閥是保持最大開(kāi)度的，此時(shí)，泵所需要的最小揚(yáng)程可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中，？啄h為除氧器水位與凝汽器水位的高差；？駐p為管道的沿程阻力損失（調(diào)節(jié)閥最大開(kāi)度）；pcyq為除氧器內(nèi)部壓力；pnqq為凝汽器內(nèi)部壓力。

在確定了流量Q和揚(yáng)程H之后，就可以根據(jù)相似定律[1]來(lái)計(jì)算泵在變頻運(yùn)行情況下的效率。

相似定律給出了變速運(yùn)行凝結(jié)水泵在相似工況（比轉(zhuǎn)速相同）下的流量Q，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

式（5）表明，在泵的H-Q圖上，相似工況下，揚(yáng)程隨流量的變化曲線(xiàn)是一條通過(guò)圓點(diǎn)的拋物線(xiàn)H=cQ2。

圖2給出了變頻凝結(jié)水泵效率分析的過(guò)程。圖2中A點(diǎn)為凝泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，Q1為該工況下凝結(jié)水流量，H1為通過(guò)（2）式計(jì)算出的凝結(jié)水泵所需要的最小揚(yáng)程。通過(guò)圓點(diǎn)和A點(diǎn)可以做出一條拋物線(xiàn)，見(jiàn)圖2中的相似工況曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)是由A點(diǎn)的相似工況組成的曲線(xiàn)，該相似工況曲線(xiàn)與額定轉(zhuǎn)速下?lián)P程曲線(xiàn)的交點(diǎn)A'為額定轉(zhuǎn)速下A點(diǎn)的相似工況。A'點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率η1可以從泵的性能曲線(xiàn)中得到。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，凝結(jié)水泵變速運(yùn)行時(shí)其水泵效率的降幅較小，一般認(rèn)為在80%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，使用比例定律計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)具有足夠的精度，而在80%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，比例定律可能會(huì)有一定誤差，但基本可滿(mǎn)足工程計(jì)算需要。故A'點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率η1可以近似認(rèn)為是泵在A(yíng)點(diǎn)的運(yùn)行效率。

在確定了泵的流量、揚(yáng)程和效率之后就可以根據(jù)泵的軸功率計(jì)算公式來(lái)估算泵的軸功率。

3 實(shí)例分析

通過(guò)上面的分析可以看出，通過(guò)改變泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，可以降低泵的耗電量。但是，不同運(yùn)行工況，泵變頻運(yùn)行的節(jié)能效果卻有較大差別，下面針對(duì)某350MW供熱機(jī)組的幾個(gè)典型工況來(lái)進(jìn)行具體的分析。

本工程中，凝結(jié)水泵額定轉(zhuǎn)速為1480r/min。在泵定速運(yùn)行的情況下，揚(yáng)程和效率均從泵廠(chǎng)家提供的性能曲線(xiàn)中查得。在變頻運(yùn)行時(shí)，因凝結(jié)水管路中設(shè)備較多，如低壓加熱器、軸封加熱器，另外還有流量測(cè)量裝置的影響，沿程阻力的精確較困難，因此，在文章中在最大流量工況下取用各設(shè)備廠(chǎng)家提供的最大阻力，并根據(jù)達(dá)西公式按各其他各工況流量對(duì)沿程阻力做了修正。除此之外，其他數(shù)據(jù)均來(lái)自于工程中數(shù)據(jù)。

按照《火力發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》要求，凝結(jié)水泵選型時(shí)按最大流量和揚(yáng)程選取并留有一定裕量，因此，在額定轉(zhuǎn)速下，所有運(yùn)行工況凝結(jié)水泵的揚(yáng)程均偏高，都需要通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，這就增加了泵的能耗。采用變頻運(yùn)行后，調(diào)節(jié)閥保持最大開(kāi)度，各個(gè)工況泵的軸功率均有不同幅度的下降。

通過(guò)表1的比較可以看出，機(jī)組負(fù)荷越低，凝結(jié)水流量越小，泵的軸功率下降幅度越大，節(jié)能效果越明顯，例如，夏季工況（TRL）下軸功率只降低18%，而50%額定工況（50%THA）下軸功率的降幅達(dá)到了77%。表中我們也發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊的工況——額定抽汽工況，雖然該工況下凝結(jié)水泵給水量很小，但是，由于采暖回水（400t/h）均回至凝結(jié)水管路中，沿程阻力仍然較大，除氧器壓力也與TRL工況相同，所以泵所需的揚(yáng)程較大，因此節(jié)能效果并不像機(jī)組低負(fù)荷下那么明顯。

以上分析均沒(méi)有考慮變頻器和電機(jī)的損耗。實(shí)際上，變頻器本身有一定的能耗，其效率約為95%[3]，而且，當(dāng)電機(jī)降低轉(zhuǎn)速后，磁滯損耗，渦流損耗，定轉(zhuǎn)子銅耗等都有所上升[4]，根據(jù)電機(jī)廠(chǎng)家提供數(shù)據(jù)，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速80%以上時(shí)，效率基本不變，約為95%，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至70%時(shí)，效率降低至92%，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步降低，效率也會(huì)有更大幅度的下降。

表2在表1的基礎(chǔ)上考慮了變頻器和電機(jī)的損耗，對(duì)凝結(jié)水泵的耗電量進(jìn)行了比較。

從表2的計(jì)算中可以看出，即便考慮了變頻器的損耗和電機(jī)效率的下降，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)依然很明顯。按節(jié)能效果最差的TRL工況考慮，一年運(yùn)行5500小時(shí)，每年可以節(jié)約用電75.9萬(wàn)千瓦時(shí)。因此，凝結(jié)水泵設(shè)置變頻器是電廠(chǎng)節(jié)能的一個(gè)有效手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了對(duì)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行軸功率的估算方法，并使用其對(duì)某350MW供熱機(jī)組的典型工況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，各個(gè)工況下，變頻運(yùn)行均有一定的節(jié)能效果，凝結(jié)水流量越小，所需要揚(yáng)程越低，變頻運(yùn)行的節(jié)能效果越明顯?？傊?，對(duì)凝結(jié)水泵設(shè)置變頻器是降低能耗、減少?gòu)S用電的一項(xiàng)有效措施。

參考文獻(xiàn)

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