大功率風機水泵調速節(jié)能運行的技術經濟分析

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(tǒng)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(jié)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(tǒng)運行效率的節(jié)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(fā)電廠的年發(fā)電總量。

在火力發(fā)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(xù)運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態(tài)，其節(jié)能潛力巨大。據統(tǒng)計：全國火力發(fā)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(huán)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(fā)電量的5.8％。發(fā)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(yè)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(fā)電成本提高電價競爭力，已成為各發(fā)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(fā)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(fā)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(jié)流量，都存在嚴重的節(jié)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(tài)，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(tǒng)取代常規(guī)的定速驅動系統(tǒng)，無疑可節(jié)約大量的節(jié)流損耗，節(jié)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(tǒng)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(fā)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(yōu)越性

21風機

風機是火力發(fā)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(huán)風機）的總耗電量約占機組發(fā)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(guī)程SDJ－79規(guī)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(fā)生的各種問題，通常總是把系統(tǒng)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(jié)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(jié)風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、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(tǒng)的參數不匹配及調節(jié)方式不當而被調節(jié)門消耗掉的。因此，改進離心風機的調節(jié)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(jié)方式耗電特性比較曲線。

離心式風機在變速調節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風壓H隨流量Q成平方規(guī)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(jié)和變速調節(jié)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(jié)與風門擋板調節(jié)方式相比，風機的效率平均高出30％以上。因而，從節(jié)能的觀點來看，變速調節(jié)方式為最佳調節(jié)方式。發(fā)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(jié)流量，除產生大量的節(jié)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(xié)調控制無法投入，機組無法響應負荷的動態(tài)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(jié)約燃料，進一步節(jié)約能源。同時，采用變速調節(jié)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(jié)方式耗電特性比較

圖2不同調節(jié)方式下的風機效率