凝結(jié)水泵變頻運行能耗分析

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)合具體實例進行了能耗的分析，計算結(jié)果表明，設置變頻器可以有效的降低能耗，減少廠用電量。

關鍵詞：凝結(jié)水泵；變頻器；能耗

凝結(jié)水泵作為凝結(jié)水系統(tǒng)的關鍵設備和電廠的重要輔機，其設計功耗一般約占機組額定出力的0.35%，在滿足機組安全運行的前提下，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。目前針對凝泵變頻運行的能耗計算，主要是基于泵的相似理論，即流量減小一半，揚程減為1/4，功率減為1/8。但是這種計算方法忽略了凝結(jié)水系統(tǒng)阻力的影響。文章以泵的相似理論為基礎，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

在電廠運行的過程當中，由于工況的變化，凝結(jié)水流量需要做出相應的調(diào)整。

凝結(jié)水量的調(diào)節(jié)主要有兩種方式，一種是針對定速泵，流量的調(diào)節(jié)主要通過改變調(diào)節(jié)閥的開度來改變管道的沿程阻力來實現(xiàn)；另外一種是通過改變泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

通過圖1可以看出兩者的差別。對定速泵，泵的H-Q曲線是不變的，當工況變化，流量由Q1變?yōu)镼2時，我們需要減小調(diào)節(jié)閥的開度來提高泵的揚程至H3，泵的運行工況由A點調(diào)整到C點。而對于變頻調(diào)節(jié)，泵的H-Q曲線會隨著泵的轉(zhuǎn)速變化而改變，我們可以找到一個合適的轉(zhuǎn)速，使泵的H-Q曲線與所要求的流量、揚程相匹配，見圖1中B點，此時，流量為Q2，而揚程是該工況下調(diào)閥最大開度所對應的凝泵所需揚程H2。根據(jù)泵的軸功率與流量和揚程的關系P∝QH，通過變頻調(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為泵的揚程，m；η為泵的效率。

（1）式中，流量可通過機組運行工況的熱平衡圖得到，泵的揚程和效率在定速和變頻運行兩種情況下則有較大差別。對定速泵而言，可以通過泵廠家提供的水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線直接查出泵的揚程以及效率，但是對于變頻運行的水泵，在泵的轉(zhuǎn)速沒有確定的情況下，廠家無法提供性能曲線，我們只能通過額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線來計算泵變速運行后的參數(shù)。

前面已經(jīng)提到，在泵變頻運行的過程中，為了減小管路的阻力損失，調(diào)節(jié)閥是保持最大開度的，此時，泵所需要的最小揚程可以通過下式計算：

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和揚程H之后，就可以根據(jù)相似定律[1]來計算泵在變頻運行情況下的效率。

相似定律給出了變速運行凝結(jié)水泵在相似工況（比轉(zhuǎn)速相同）下的流量Q，揚程H與轉(zhuǎn)速之間的關系：

式（5）表明，在泵的H-Q圖上，相似工況下，揚程隨流量的變化曲線是一條通過圓點的拋物線H=cQ2。

圖2給出了變頻凝結(jié)水泵效率分析的過程。圖2中A點為凝泵的實際運行工況點，Q1為該工況下凝結(jié)水流量，H1為通過（2）式計算出的凝結(jié)水泵所需要的最小揚程。通過圓點和A點可以做出一條拋物線，見圖2中的相似工況曲線，該曲線是由A點的相似工況組成的曲線，該相似工況曲線與額定轉(zhuǎn)速下?lián)P程曲線的交點A'為額定轉(zhuǎn)速下A點的相似工況。A'點對應的效率η1可以從泵的性能曲線中得到。根據(jù)文獻[2]，凝結(jié)水泵變速運行時其水泵效率的降幅較小，一般認為在80%額定轉(zhuǎn)速以上時，使用比例定律計算各項參數(shù)具有足夠的精度，而在80%額定轉(zhuǎn)速以下時，比例定律可能會有一定誤差，但基本可滿足工程計算需要。故A'點對應的效率η1可以近似認為是泵在A點的運行效率。

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

3 實例分析

通過上面的分析可以看出，通過改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，可以降低泵的耗電量。但是，不同運行工況，泵變頻運行的節(jié)能效果卻有較大差別，下面針對某350MW供熱機組的幾個典型工況來進行具體的分析。

本工程中，凝結(jié)水泵額定轉(zhuǎn)速為1480r/min。在泵定速運行的情況下，揚程和效率均從泵廠家提供的性能曲線中查得。在變頻運行時，因凝結(jié)水管路中設備較多，如低壓加熱器、軸封加熱器，另外還有流量測量裝置的影響，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備廠家提供的最大阻力，并根據(jù)達西公式按各其他各工況流量對沿程阻力做了修正。除此之外，其他數(shù)據(jù)均來自于工程中數(shù)據(jù)。

按照《火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程》要求，凝結(jié)水泵選型時按最大流量和揚程選取并留有一定裕量，因此，在額定轉(zhuǎn)速下，所有運行工況凝結(jié)水泵的揚程均偏高，都需要通過改變調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)流量，這就增加了泵的能耗。采用變頻運行后，調(diào)節(jié)閥保持最大開度，各個工況泵的軸功率均有不同幅度的下降。

通過表1的比較可以看出，機組負荷越低，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）下軸功率的降幅達到了77%。表中我們也發(fā)現(xiàn)一個特殊的工況——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，所以泵所需的揚程較大，因此節(jié)能效果并不像機組低負荷下那么明顯。

以上分析均沒有考慮變頻器和電機的損耗。實際上，變頻器本身有一定的能耗，其效率約為95%[3]，而且，當電機降低轉(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)電機廠家提供數(shù)據(jù)，當泵的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速80%以上時，效率基本不變，約為95%，但是當轉(zhuǎn)速降低至70%時，效率降低至92%，隨著轉(zhuǎn)速的進一步降低，效率也會有更大幅度的下降。

表2在表1的基礎上考慮了變頻器和電機的損耗，對凝結(jié)水泵的耗電量進行了比較。

從表2的計算中可以看出，即便考慮了變頻器的損耗和電機效率的下降，凝結(jié)水泵變頻運行的優(yōu)勢依然很明顯。按節(jié)能效果最差的TRL工況考慮，一年運行5500小時，每年可以節(jié)約用電75.9萬千瓦時。因此，凝結(jié)水泵設置變頻器是電廠節(jié)能的一個有效手段。

4 結(jié)束語

文章提出了對凝結(jié)水泵變頻運行軸功率的估算方法，并使用其對某350MW供熱機組的典型工況進行分析，結(jié)果表明，各個工況下，變頻運行均有一定的節(jié)能效果，凝結(jié)水流量越小，所需要揚程越低，變頻運行的節(jié)能效果越明顯?？傊?，對凝結(jié)水泵設置變頻器是降低能耗、減少廠用電的一項有效措施。

參考文獻

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[4]張寶，樊印龍，吳文健，等.凝結(jié)水泵變速運行參數(shù)的定量計算[J].動力工程學報，2010，30（9）.