大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

1前言

風(fēng)機(jī)和水泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，全國風(fēng)機(jī)、水泵電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。據(jù)估計，提高風(fēng)機(jī)和水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力可達(dá)（300～500）億kW·h/年，相當(dāng)于6～10個裝機(jī)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(fēng)機(jī)和水泵也是最主要的耗電設(shè)備，加上這些設(shè)備都是長期連續(xù)運(yùn)行和常常處于低負(fù)荷及變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，其節(jié)能潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計：全國火力發(fā)電廠八種風(fēng)機(jī)和水泵（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)，鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵。）配套電動機(jī)的總?cè)萘繛?5000MW，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(jī)電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接關(guān)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(wǎng)分家、競價上網(wǎng)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(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

我國火電機(jī)組的平均煤耗為0.4kg/kW·h，比發(fā)達(dá)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(chǎn)300MW機(jī)組的廠用電率平均為4.71％，而進(jìn)口（GE公司）機(jī)組為3.81％。國產(chǎn)機(jī)組比進(jìn)口機(jī)組約高20％左右。國產(chǎn)機(jī)組廠用電率偏高的原因主要是輔機(jī)電動機(jī)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面存在問題和差距。

國外火電廠的風(fēng)機(jī)和水泵已紛紛增設(shè)調(diào)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(jī)外，其它風(fēng)機(jī)和水泵基本上都采用定速驅(qū)動。這種定速驅(qū)動的泵，由于采用出口閥，風(fēng)機(jī)則采用入口風(fēng)門調(diào)節(jié)流量，都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時，由于風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低。調(diào)查表明：我國50MW以上機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)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(jī)組負(fù)荷偏低，風(fēng)機(jī)的效率就更低，有的甚至不到30％，結(jié)果是白白地浪費(fèi)掉大量的電能，已經(jīng)到了非改不可的地步。

目前國內(nèi)的火電機(jī)組大都處于低負(fù)荷或變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，原因有三：

——近年來由于裝機(jī)容量的迅速增長，全國基本上擺脫了電力供應(yīng)緊張的局面，電力供應(yīng)有了盈余，火電機(jī)組不得不壓低負(fù)荷運(yùn)行；

——由于負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化，電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差加

大，其值一般達(dá)到電網(wǎng)最高負(fù)荷的30％，有的電網(wǎng)甚至高達(dá)50％；

——由于目前電網(wǎng)還缺少專門帶尖峰負(fù)荷的機(jī)

組（例如壩庫式水電機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)組等），所以一般電網(wǎng)的尖峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷都要求火電機(jī)組來承擔(dān)，火電機(jī)組不得不作調(diào)峰變負(fù)荷運(yùn)行。

在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行方式下，如果主要輔機(jī)采用高效可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)取代常規(guī)的定速驅(qū)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(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)都具有軟起動功能，可使電廠輔機(jī)實現(xiàn)軟起動，避免了由于電動機(jī)直接起動引起的電網(wǎng)沖擊和機(jī)械沖擊，從而可以防止與此有關(guān)的一系列事故的發(fā)生。例如電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行的可靠性。

2風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和優(yōu)越性

21風(fēng)機(jī)

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

我國電站風(fēng)機(jī)已普遍采用了高效離心風(fēng)機(jī)，但實際運(yùn)行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能差，二是運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。我國現(xiàn)行的火電設(shè)計規(guī)程SDJ－79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)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(shè)計過程中，很難準(zhǔn)確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運(yùn)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(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號的設(shè)計值。但風(fēng)機(jī)的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號時，只好往大機(jī)號上靠。這樣，電站鍋爐送引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20％～30％是比較常見的。

電站鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。一般情況下，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，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(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。圖1給出了離心式風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較曲線。

離心式風(fēng)機(jī)在變速調(diào)節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力R的影響，且風(fēng)壓H隨流量Q成平方規(guī)律變化，則風(fēng)機(jī)的效率可在一定的范圍內(nèi)保持最高效率不變（只有在負(fù)荷率低于80％時才略有下降）。圖2給出了采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)方式時，風(fēng)機(jī)的效率－流量曲線。

由圖2可知：在風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由100％下降到50％時，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30％以上。因而，從節(jié)能的觀點(diǎn)來看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。發(fā)電廠輔機(jī)采用定速驅(qū)動時，風(fēng)機(jī)靠風(fēng)門擋板，水泵則靠閥門開度來調(diào)節(jié)流量，除產(chǎn)生大量的節(jié)流損耗外，反應(yīng)速度慢，導(dǎo)致鍋爐的燃燒自動無法投入，因而機(jī)組的協(xié)調(diào)控制無法投入，機(jī)組無法響應(yīng)負(fù)荷的動態(tài)變化。輔機(jī)采用調(diào)速驅(qū)動后，機(jī)組的可控性提高了，響應(yīng)速度加快，控制精度也提高了。從而使整個機(jī)組的控制性能大大改善，不但改善了機(jī)組的運(yùn)行狀況，還可以大大節(jié)約燃料，進(jìn)一步節(jié)約能源。同時，采用變速調(diào)節(jié)以后，可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設(shè)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1離心式風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較

圖2不同調(diào)節(jié)方式下的風(fēng)機(jī)效率