大功率風(fēng)機水泵調速節能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析

1前言

風(fēng)機和水泵在國民經(jīng)濟各部門(mén)中應用的數量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據有關(guān)部門(mén)的統計，全國風(fēng)機、水泵電動(dòng)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(fēng)機和水泵運行中還有很大的節能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機和水泵的運行效率。據估計，提高風(fēng)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(gè)裝機容量為1000MW級的大型火力發(fā)電廠(chǎng)的年發(fā)電總量。

在火力發(fā)電廠(chǎng)中，風(fēng)機和水泵也是最主要的耗電設備，加上這些設備都是長(cháng)期連續運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，其節能潛力巨大。據統計：全國火力發(fā)電廠(chǎng)八種風(fēng)機和水泵（送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機、排粉風(fēng)機，鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結水泵、灰漿泵。）配套電動(dòng)機的總容量為15000MW，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(chǎng)輔機電動(dòng)機的經(jīng)濟運行，直接關(guān)系到廠(chǎng)用電率的高低。隨著(zhù)電力行業(yè)改革的不斷深化，廠(chǎng)網(wǎng)分家、競價(jià)上網(wǎng)等政策的逐步實(shí)施，降低廠(chǎng)用電率，降低發(fā)電成本提高電價(jià)競爭力，已成為各發(fā)電廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)用電率平均為4.71％，而進(jìn)口（GE公司）機組為3.81％。國產(chǎn)機組比進(jìn)口機組約高20％左右。國產(chǎn)機組廠(chǎng)用電率偏高的原因主要是輔機電動(dòng)機在經(jīng)濟運行方面存在問(wèn)題和差距。

國外火電廠(chǎng)的風(fēng)機和水泵已紛紛增設調速裝置，而目前我國火電廠(chǎng)中除少量采用汽動(dòng)給水泵，液力耦合器及雙速電機外，其它風(fēng)機和水泵基本上都采用定速驅動(dòng)。這種定速驅動(dòng)的泵，由于采用出口閥，風(fēng)機則采用入口風(fēng)門(mén)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(shí)，由于風(fēng)機和水泵的運行偏離高效點(diǎn)，使運行效率降低。調查表明：我國50MW以上機組鍋爐風(fēng)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(fēng)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(jīng)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(tài)，原因有三：

——近年來(lái)由于裝機容量的迅速增長(cháng)，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(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(zhuān)門(mén)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(lái)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(dòng)系統取代常規的定速驅動(dòng)系統，無(wú)疑可節約大量的節流損耗，節電效果顯著(zhù)，潛力巨大，這已是不爭的事實(shí)。除此之外，由于可調速驅動(dòng)系統都具有軟起動(dòng)功能，可使電廠(chǎng)輔機實(shí)現軟起動(dòng)，避免了由于電動(dòng)機直接起動(dòng)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(dòng)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(fēng)機水泵調速運行的必要性和優(yōu)越性

21風(fēng)機

風(fēng)機是火力發(fā)電廠(chǎng)重要的輔助設備之一，鍋爐的四大風(fēng)機（送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機或排粉風(fēng)機和煙氣再循環(huán)風(fēng)機）的總耗電量約占機組發(fā)電量的2％左右。隨著(zhù)火電機組容量的提高，電站鍋爐風(fēng)機的容量也在不斷增大，如國產(chǎn)200MW機組，風(fēng)機的總功率達6440kW（其中，送風(fēng)機2臺2500kW，引風(fēng)機2臺2500kW，排粉風(fēng)機總功率1440kW），占機組容量的3％以上。因此，提高風(fēng)機的運行效率對降低廠(chǎng)用電率具有重要的作用。

我國電站風(fēng)機已普遍采用了高效離心風(fēng)機，但實(shí)際運行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機的調速性能差，二是運行點(diǎn)遠離風(fēng)機的最高效率點(diǎn)。我國現行的火電設計規程SDJ－79規定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機的風(fēng)量裕度分別為5％和5％～10％，風(fēng)壓裕度分別為10％和10％～15％。這是因為在設計過(guò)程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(cháng)期運行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，通?？偸前严到y的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機型號的設計值。但風(fēng)機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機型號時(shí)，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送引風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達20％～30％是比較常見(jiàn)的。

電站鍋爐風(fēng)機的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機組的調峰運行導致風(fēng)機的運行工況點(diǎn)與設計高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風(fēng)門(mén)調節的風(fēng)機，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。對于采用風(fēng)門(mén)擋板調節風(fēng)量的風(fēng)機，這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題?？梢?jiàn)，鍋爐送、引風(fēng)機的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機的型號與管網(wǎng)系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門(mén)消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機的調節方式是提高風(fēng)機效率，降低風(fēng)機耗電量的最有效途徑。圖1給出了離心式風(fēng)機不同調節方式耗電特性比較曲線(xiàn)。

離心式風(fēng)機在變速調節的過(guò)程中，如果不考慮管道系統阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規律變化，則風(fēng)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(shí)才略有下降）。圖2給出了采用風(fēng)門(mén)擋板調節和變速調節方式時(shí)，風(fēng)機的效率－流量曲線(xiàn)。

由圖2可知：在風(fēng)機的風(fēng)量由100％下降到50％時(shí)，變速調節與風(fēng)門(mén)擋板調節方式相比，風(fēng)機的效率平均高出30％以上。因而，從節能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，變速調節方式為最佳調節方式。發(fā)電廠(chǎng)輔機采用定速驅動(dòng)時(shí)，風(fēng)機靠風(fēng)門(mén)擋板，水泵則靠閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節流量，除產(chǎn)生大量的節流損耗外，反應速度慢，導致鍋爐的燃燒自動(dòng)無(wú)法投入，因而機組的協(xié)調控制無(wú)法投入，機組無(wú)法響應負荷的動(dòng)態(tài)變化。輔機采用調速驅動(dòng)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(gè)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(jìn)一步節約能源。同時(shí)，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(cháng)設備使用壽命，降低噪聲，大大改善起動(dòng)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(fēng)機不同調節方式耗電特性比較

圖2不同調節方式下的風(fēng)機效率