1、熱電廠用水泵和風機調速節能分析河北省石家莊南郊熱電有限奢司楊文忠摘要:簡述熱電廠水泵和風機節能的重要性,分析現有水泵和風機系統的工作模式,提出調遣節能的理論基礎及局限性,并對調速方式的選擇及節能效果加以說明。關鍵司:水泵和風機調建節能1、前言熱電廠是以供熱為主的熱電聯產企業,根據國家產業政策,其設計規模采取以熱定電的方式確定,相對火力發電廠而言機組規模偏小,運行方式上受供熱量大小的制約不能常年滿發多供。從國家環保政策上看,熱電聯產用熱電廠替代丈量的小鍋爐、小煤爐,對降低大氣環境污染.提高一次能源利用率,提高城鎮居民的生活水平有很大的社會效益.但對熱電企業來講,限于設計規模,其單位煤耗產出無法和

2、大型火力發電廠相比,隨著電力市場由缺電到供大于求,面對競價上周的嚴蝮局面,熱電企業若想生存,一靠匡i家政策,二告靠節能降耗。節能降耗除了合理安排運行方式,調整汽機鍋爐運行參數,提高汽饑鍋爐的效率外,降低廠用電率也是一個行之有效的方法。熱電企業廠用電率較高,一個主要原因在于為了維持正常運行有大量的水泵和風機必須常年運轉,而這些水泵和風機的設計選型都要依據最大負荷的要求,對北方而言即冬季采暖期間設備滿發的要求,而采暖期結束后,由于常年熱負荷較低,機爐不能滿負荷運行,這些水泵和風機也就工作在低負荷狀態。如何提高水泵和風機的低負荷運行效率,降低廠用電率,對提高熱電企業的經濟效益和競爭能力有著極為重要的

3、現實意義。2、目前的現狀囿于投資規模及傳統習慣,目前熱電廠的水泵和風機在低負荷狀態下多采用調節伐門和擋板開度的方式來滿足系統的要求,從節能的角度看,這是一種很不經濟的方式,其調節原理及能耗方式如下:水泵和風機做為熱電廠常用工質水、空氣、煙氣的動力源應用在各種管路、容器等構成的系統中,無論開式和閉式系統,系統對工質的要求都體現在工質的最終壓力和流量上,物質流或能量流賃借工質的流動達到轉移的目的,根據能量守恒原理和流體力學的公式可推出管路系統特性公式:H=(P1一PI/Y+Hz+h,式中:H.系統總壓頭,即泵、風機出口揚程(m,P2.管路末端壓力(P.,P,管路始端壓力(PI,Y.工質的比重(N/

4、ITl3,心.系統兩端高度差(m,H。.系統阻力損失(m。其中h,=s鏟Q.管路的流量(keJs;S.系統綜合阻力系數,包括沿程陰力系數和局部阻力系數。上式說明水泵和風機接人系統后其揚程要和系統相匹配來滿足系統對壓力和流量的657H AfFC 要求,調節伐門、擋板時,水泵和風機的工作點要隨管路特性的改變而改變。伐門和擋板開度變化,系統局部阻力系數隨之變化,h,隨開度的變化而呈反比變化,水泵和風機的揚程也要隨之改變。離心式設備的常用設備特性曲有H-一Q曲線(轉速恒定,揚程和流量的關系;卜Q曲線(轉速恒定,功率和流量的關系;1廣Q啦線(轉速恒定時的效率特性。在揚程,流量HO特性曲線圖上(見圖一,c

5、E為伐門調節前的負荷曲線.GE*為調節后負荷曲線,AB 為水泵輸出特性曲線,它們的交匯點便是水泵和系統的工作點,由圖可見當關小伐門減少流量以滿足系統要求時,CECE*,曲線陡度增加,新的工況點為d點,泵的流量QDQd 減少了,揚程H。一Hd反而增大。根據離心泵的軸功率公式:N=Qnr/調節前泵軸功率正比子FD饑O包圍的面積,調節后正比于fdQ。O的面積,由于水泵的揚程H隨Q的強制下降而增加,所以泵的軸功率并不隨流量Q的下降而成比例下降,導致效率下降,能源利用率降低。風機的壓頭I流量卜O特性曲線圖見圖二,分析類似,不再贅述。由此可見,目前采用調節伐門、擋板的開度來使泵和風機出口流量適合工況要求,

6、調節方式簡單,但是低負荷下效率低,不符合節能要求。o 吼QD Q O Q2Q1Q圖一水泵的I_Q由線aq-風機的卜Q曲線圈三水泵訶速時的卜_Q曲線3、水泵和風機的節能調節方式一調速調流量調節揚程和流量,除了利用伐門、擋板詞節管路局部阻力迫使水泵和風機的揚程和流量符合工況要求外,還可采取調節水泵和風機自身參數的方法來主動符合工況要求,而不改變水泵和風機結構的調節方式只有調節水泵和風機轉速這種方法,其理論依據是離心設備的比例定律又稱相似律。當水泵和風機的結構不變時,相似率表明,它們的流量、揚程、功率隨轉速變化有以下關系:Q/Q。=Tl,k H,H蕾=(Il,k2N/心=(“n母3調節水泵和風機轉速

7、可使流量成比例變化以滿足工況要求,此時它們的揚程將呈二次方變化.而水泵和風機的軸功率將以此比例的三次方變化,如系統常用流量是最大流量-658+寺、k r 基H魯比盛的70%,按系統最大流量設計水泵和風機的額定轉速和額定功率,將轉速降為額定轉速的70%以滿足常用流量的要求,它們的軸功率將降為額定功率的34%,相比之下低負荷下節能效果非常顯著。從I卜O特性曲線圖上也可明顯看出這一點,圖三是離心泵的轉速調節特性曲線圖,同樣是調節流量由Q一呸,系統管路阻力不變,調節轉速由nlr12,軸功率由HAQ,0面積一心BQ:O面積;而調節管路阻力,轉速不變,則軸功率由H。AQ】0面積一H2*cq0面積,兩都相比

8、前者比后者節省與L*cBH面積相應的功率。由圖可以看出,調節水泵和風機的轉速以調節它們的流量是一種節能效果非常明顯的方式。從相似率公式可以看出,O正比于1'1,H正比于n2,當Q隨n成比例下降時,H成平方率下降,由此產生了流量O滿足了系統要求,H(揚程能否滿足系統要求的問題,這就是該方式的局限性。根據管路系統特性公式:H=(P2一Pj/r+Hz+s口當系統包括整個水泵或風機及附加管路時,P】為吸人口壓強,P2為管路排出口壓強,Hz為管路最高點和吸入口之間高差,S為系統綜合阻力系數。對于熱電廠使用的水泵和風機,除給水泵外大部分水泵和風機吸入口和排出口壓強相同或相近,Hz和s口相比占的比例

9、很小,可以將系統特性公式簡化為:水泵:H=Hz+sq風機:H=sq從公式中我們可以看出系統所需壓頭H都和鏟成正比,而采用調速調節流量Q時, Q正比于n,H。正比于f,故有H。正比于。2,由此可以推出調速狀態下輸出壓頭H與原系統所需壓頭H的相應關系:H尚*H(o這個關系的意義在于:系統兩端壓強相等,系統高差較小時,系統所需壓頭隨流量的變化與調速時輸出壓頭隨流量的變化規律相似。只要在額定流量時壓頭滿足系統要求,無論阻力系數S多大,水泵和風機在調速時的壓頭也可滿足系統要求。對于Hz較大的系統,可限制其調速范圍,使H一s口Hz即可,這時系統仍有很大的調速范圍。面對于給水泵,由于P2遠遠大于P,(P2一

10、P./r占H的70%以上,滿足H。一(P,一P。/rH:s廿后,流量的調節范圍較小,相對而言不太適合。目前,熱電廠水泵和風機均采用鼠籠式交流異步電機拖動,按常規電氣拖動理論鼠籠式交流異步電機非常難于調速,根據其轉速表式:11=nl(1一s=60f(1一S/P可以采取改變轉差率s、改變磁極對數P、改變電源頻率f三種方式來調速,改變轉差率s需加裝滑差離合器、液力偶合器等附加設備,現場布置一要做大的變動,二是效率提高不近人意(詳細分析可參見參考文獻2;改變磁極對數P將改變電動機的結構,不適用于負荷經常變化的場合及無級調速;改變電源頻率f按常規理論若f下降而電網電壓u不變將導致功率因數和負載能力下降.

11、而f升高輸出轉矩將下降。多年來,電機拖動專家一直在尋找解決異步電機轉矩強偶合多變量控制的方法,70年代理論上有了突破,80年代計算機技術、電力電子技術的發展使變頻器實際應用得以實現。659現在,科技的進步使變頻器這個集電力電子技術、微機應用技術于一體的高科技產品日益成熟,價格逐年下降,采用變頻器調速既不用改變現場布置,又可不改變電動機結構,加上其具有功率因數為1,可以軟啟動,便于和計算機相連加入信號采集和自動調節等優點,用于水泵和風機調速節能已成為現實中可以接受的首選。當然變頻器也有易對電網和環境產生電磁諧渡干擾及高壓應用需加變壓器轉換的缺點,需要在采用時進行全面的投資收益分析并合理安排變頻器

12、位置同時采用嚴格的施工工藝。4、投資和節能效果分析而根據目前變頻器的市場價在1000元/K'W左右,加上附屬設備改造投資在20萬元左右,一年即可收回投資,按變頻器無故障使用期8年計算,另外7年可節約電費140萬元,經濟效益十分可觀。而如果考慮提高電動機的功率因數后節約的線損及減少電動機啟動耗能所產生的效益,節約將更加可觀。5、結論通過以上分析可以看出,做為一次能源消耗大戶的熱電廠,采用新技術改造傳統的工藝控制方法,利用變額器調節水泵和風機的轉速來滿足常年低負荷運行時系統的要求以節約電能,降低廠用電率,降低供電煤耗,增加產出,可以大大提高經濟效益,增加熱電企業的市場競爭能力。參考資料1中

13、國石油天然氣總公司裝備局變頻調速應用技術2鄒良粱液力調速與變頻調速的運行分析作者簡介揚文忠河北省石家莊東方熱電集團南郊熟電有限公司工程師,河北電機工程學套會員,1984年畢業于中國人民解放軍裝甲兵技術學院坦克技術管理工程專業,大學五年本科,首先后在大型軍工廠從事坦克和發動機的技術爭管理工作,1991年轉業到現單位,先后擔任電氣、議喪疆自動化工程師,從事熱電廠的籌建和生產運行工作,具有多學科的專業理論知識和豐富的現場實踐經驗。曾在有關-gL-r,】發表技術論文。聯系地址:河北省石家莊市倉興街南郊熱電有限公司郵政編碼:050021電話:03116016065(單位031l一5875252(住宅20

14、01年1月15日星期一 熱電廠用水泵和風機調速節能分析作者:楊文忠作者單位:河北省石家莊南郊熱電有限公司相似文獻(10條1.期刊論文孫瑋.劉瑞濱.馬立水泵調速節能原理分析-黑龍江水利科技2007,35(1自來水廠泵站系統水泵的工作揚程是由幾何揚程和管道摩阻所組成,幾何揚程隨用水量和系統內其它水廠的供水量而變化,管道的摩阻是隨流量的平方而變.2.期刊論文鄭立剛.ZHENG Li-gang淺析二級泵站中水泵的調速節能-山西建筑2007,33(36對二級泵站的幾種運行方式,即定速運行、變速恒壓運行、變速變壓運行,從能量消耗的角度上進行了分析,并指出了各運行方式的適用場合,同時探討了二級泵站中水泵的一

15、些節能運行方式.水泵的調速節能已為供水行業的技術人員所接受,并在實踐中得到了證實。水泵的特性之一是高效區范圍不寬。供水行業的特性之一是供水量不是定值。以轉速固定且高效區寬的水泵去供應變化的流量,很難使水泵一直保持在高效區內運行,這了滿足不間斷地供水,水泵只得在效率較低的工況下運行,其結果是電耗增加,供水成本的提高。水泵調速后,改變了水泵的=f(Q的曲線,可使水泵仍在較高的效率下運行,保持供水質量不變。在供應相同的水量下,電耗下降,因而降低了供水成本。這一技術措施已成為供水行業的共識。4.期刊論文劉應誠.LIU Ying-cheng風機、水泵調速運行節能原理及其調速裝置的選擇-液壓氣動與密封20

16、10,30(11本文簡述了離心式風機、水泵調速運行的節能原理以及調速裝置的選用原則,并對常用的調速裝置技術經濟性能進行了比較.5.期刊論文李思義.楊為群.王炳棟風機水泵應用YOT耦合器調速節能-煤礦安全2001,32(2熱電廠風機、水泵加裝調速液力耦合器,可取得20%30%的節電效果,具有投資少、見效快的特點.該技術可在冶煉、化工、礦山、水泥、石油等系統廣泛應用.該文提出并介紹了給水工程水泵調速節能問題定量分析的原則、方法及計算實例。7.會議論文楊乃喬風機、水泵的調速節能1999從泵與風機的本體、原動機及傳動裝置三個方面分析了變速調節的節能原理,并針對中國電力形勢和發電設備的制造水平,參考國外先進技術,指出采用調速節能折可能和影響因素。8.學位論文黃曉光大功率風機、水泵用液體粘性調速離合器控制系統的研究2000該文在理論聯系實際的基礎上,對液粘調速離合器(HVD的轉速控制部分進行了深入細致的研究.針對HVD控制系統在現場應用中遇到的問題,提出了解決方案;建立了離心風機、水泵等負載應用HVD系統進行轉速調節的系統數學模型;并且針對系統非線性、變結構的特點,設計制作了基于模糊邏輯的智能控制系統,現場應用和仿真結果表明,基