凝結水泵變頻運行能耗分析

摘 要：文章從泵的基本理論出發，提出變頻凝結水泵效率及能耗的估算方法，并結合具體實例進行了能耗的分析，計算結果表明，設置變頻器可以有效的降低能耗，減少廠用電量。

關鍵詞：凝結水泵；變頻器；能耗

凝結水泵作為凝結水系統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節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水系統阻力的影響。文章以泵的相似理論為基礎，結合凝結水系統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 凝結水流量的調節方式

在電廠運行的過程當中，由于工況的變化，凝結水流量需要做出相應的調整。

凝結水量的調節主要有兩種方式，一種是針對定速泵，流量的調節主要通過改變調節閥的開度來改變管道的沿程阻力來實現；另外一種是通過改變泵的轉速來實現流量的調節。

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變為Q2時，我們需要減小調節閥的開度來提高泵的揚程至H3，泵的運行工況由A點調整到C點。而對于變頻調節，泵的H-Q曲線會隨著泵的轉速變化而改變，我們可以找到一個合適的轉速，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閥最大開度所對應的凝泵所需揚程H2。根據泵的軸功率與流量和揚程的關系P∝QH，通過變頻調節流量可以減小泵的能耗，起到節能的目的。

2 凝結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速下的性能曲線來計算泵變速運行后的參數。

前面已經提到，在泵變頻運行的過程中，為了減小管路的阻力損失，調節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（調節閥最大開度）；pcyq為除氧器內部壓力；pnqq為凝汽器內部壓力。

在確定了流量Q和揚程H之后，就可以根據相似定律[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水泵在相似工況（比轉速相同）下的流量Q，揚程H與轉速之間的關系：

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為該工況下凝結水流量，H1為通過（2）式計算出的凝結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速下揚程曲線的交點A'為額定轉速下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。根據文獻[2]，凝結水泵變速運行時其水泵效率的降幅較小，一般認為在80%額定轉速以上時，使用比例定律計算各項參數具有足夠的精度，而在80%額定轉速以下時，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，通過改變泵的轉速來調節凝結水流量，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，凝結水泵額定轉速為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，其他數據均來自于工程中數據。

按照《火力發電廠設計技術規程》要求，凝結水泵選型時按最大流量和揚程選取并留有一定裕量，因此，在額定轉速下，所有運行工況凝結水泵的揚程均偏高，都需要通過改變調節閥開度來調節流量，這就增加了泵的能耗。采用變頻運行后，調節閥保持最大開度，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，凝結水流量越小，泵的軸功率下降幅度越大，節能效果越明顯，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%。表中我們也發現一個特殊的工況——額定抽汽工況，雖然該工況下凝結水泵給水量很小，但是，由于采暖回水（400t/h）均回至凝結水管路中，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，當電機降低轉速后，磁滯損耗，渦流損耗，定轉子銅耗等都有所上升[4]，根據電機廠家提供數據，當泵的轉速在額定轉速80%以上時，效率基本不變，約為95%，但是當轉速降低至70%時，效率降低至92%，隨著轉速的進一步降低，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，凝結水泵變頻運行的優勢依然很明顯。按節能效果最差的TRL工況考慮，一年運行5500小時，每年可以節約用電75.9萬千瓦時。因此，凝結水泵設置變頻器是電廠節能的一個有效手段。

4 結束語

文章提出了對凝結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，結果表明，各個工況下，變頻運行均有一定的節能效果，凝結水流量越小，所需要揚程越低，變頻運行的節能效果越明顯。總之，對凝結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

[1]郭立軍.泵與風機[M].中國電力出版社，1997.

[2]徐甫榮.高壓變頻調節技術應用實踐[M].中國電力出版社，2007.

[3]范維浩.高壓變頻器與液力耦合器調速的比較[J].變頻器世界，2004.

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