热电厂用水泵和风机调速节能分析-

1、热电厂用水泵和风机调速节能分析河北省石家庄南郊热电有限奢司杨文忠摘要:简述热电厂水泵和风机节能的重要性,分析现有水泵和风机系统的工作模式,提出调遣节能的理论基础及局限性,并对调速方式的选择及节能效果加以说明。关键司:水泵和风机调建节能1、前言热电厂是以供热为主的热电联产企业,根据国家产业政策,其设计规模采取以热定电的方式确定,相对火力发电厂而言机组规模偏小,运行方式上受供热量大小的制约不能常年满发多供。从国家环保政策上看,热电联产用热电厂替代丈量的小锅炉、小煤炉,对降低大气环境污染.提高一次能源利用率,提高城镇居民的生活水平有很大的社会效益.但对热电企业来讲,限于设计规模,其单位煤耗产出无法和

2、大型火力发电厂相比,随着电力市场由缺电到供大于求,面对竞价上周的严蝮局面,热电企业若想生存,一靠匡i家政策,二告靠节能降耗。节能降耗除了合理安排运行方式,调整汽机锅炉运行参数,提高汽饥锅炉的效率外,降低厂用电率也是一个行之有效的方法。热电企业厂用电率较高,一个主要原因在于为了维持正常运行有大量的水泵和风机必须常年运转,而这些水泵和风机的设计选型都要依据最大负荷的要求,对北方而言即冬季采暖期间设备满发的要求,而采暖期结束后,由于常年热负荷较低,机炉不能满负荷运行,这些水泵和风机也就工作在低负荷状态。如何提高水泵和风机的低负荷运行效率,降低厂用电率,对提高热电企业的经济效益和竞争能力有着极为重要的

3、现实意义。2、目前的现状囿于投资规模及传统习惯,目前热电厂的水泵和风机在低负荷状态下多采用调节伐门和挡板开度的方式来满足系统的要求,从节能的角度看,这是一种很不经济的方式,其调节原理及能耗方式如下:水泵和风机做为热电厂常用工质水、空气、烟气的动力源应用在各种管路、容器等构成的系统中,无论开式和闭式系统,系统对工质的要求都体现在工质的最终压力和流量上,物质流或能量流赁借工质的流动达到转移的目的,根据能量守恒原理和流体力学的公式可推出管路系统特性公式:H=(P1一PI/Y+Hz+h,式中:H.系统总压头,即泵、风机出口扬程(m,P2.管路末端压力(P.,P,管路始端压力(PI,Y.工质的比重(N/

4、ITl3,心.系统两端高度差(m,H。.系统阻力损失(m。其中h,=s铲Q.管路的流量(keJs;S.系统综合阻力系数,包括沿程阴力系数和局部阻力系数。上式说明水泵和风机接人系统后其扬程要和系统相匹配来满足系统对压力和流量的657H AfFC 要求,调节伐门、挡板时,水泵和风机的工作点要随管路特性的改变而改变。伐门和挡板开度变化,系统局部阻力系数随之变化,h,随开度的变化而呈反比变化,水泵和风机的扬程也要随之改变。离心式设备的常用设备特性曲有H-一Q曲线(转速恒定,扬程和流量的关系;卜Q曲线(转速恒定,功率和流量的关系;1广Q啦线(转速恒定时的效率特性。在扬程,流量HO特性曲线图上(见图一,c

5、E为伐门调节前的负荷曲线.GE*为调节后负荷曲线,AB 为水泵输出特性曲线,它们的交汇点便是水泵和系统的工作点,由图可见当关小伐门减少流量以满足系统要求时,CECE*,曲线陡度增加,新的工况点为d点,泵的流量QDQd 减少了,扬程H。一Hd反而增大。根据离心泵的轴功率公式:N=Qnr/调节前泵轴功率正比子FD饥O包围的面积,调节后正比于fdQ。O的面积,由于水泵的扬程H随Q的强制下降而增加,所以泵的轴功率并不随流量Q的下降而成比例下降,导致效率下降,能源利用率降低。风机的压头I流量卜O特性曲线图见图二,分析类似,不再赘述。由此可见,目前采用调节伐门、挡板的开度来使泵和风机出口流量适合工况要求,

6、调节方式简单,但是低负荷下效率低,不符合节能要求。o 吼QD Q O Q2Q1Q图一水泵的I_Q由线aq-风机的卜Q曲线圈三水泵诃速时的卜_Q曲线3、水泵和风机的节能调节方式一调速调流量3.1理论依据调节扬程和流量,除了利用伐门、挡板词节管路局部阻力迫使水泵和风机的扬程和流量符合工况要求外,还可采取调节水泵和风机自身参数的方法来主动符合工况要求,而不改变水泵和风机结构的调节方式只有调节水泵和风机转速这种方法,其理论依据是离心设备的比例定律又称相似律。当水泵和风机的结构不变时,相似率表明,它们的流量、扬程、功率随转速变化有以下关系:Q/Q。=Tl,k H,H蕾=(Il,k2N/心=(“n母3调节

7、水泵和风机转速可使流量成比例变化以满足工况要求,此时它们的扬程将呈二次方变化.而水泵和风机的轴功率将以此比例的三次方变化,如系统常用流量是最大流量-658+寺、k r 基H鲁比盛的70%,按系统最大流量设计水泵和风机的额定转速和额定功率,将转速降为额定转速的70%以满足常用流量的要求,它们的轴功率将降为额定功率的34%,相比之下低负荷下节能效果非常显著。从I卜O特性曲线图上也可明显看出这一点,图三是离心泵的转速调节特性曲线图,同样是调节流量由Q一呸,系统管路阻力不变,调节转速由nlr12,轴功率由HAQ,0面积一心BQ:O面积;而调节管路阻力,转速不变,则轴功率由H。AQ】0面积一H2*cq0

8、面积,两都相比前者比后者节省与L*cBH面积相应的功率。由图可以看出,调节水泵和风机的转速以调节它们的流量是一种节能效果非常明显的方式。3.2调速调流量的局限性殛可利用场台从相似率公式可以看出,O正比于1'1,H正比于n2,当Q随n成比例下降时,H成平方率下降,由此产生了流量O满足了系统要求,H(扬程能否满足系统要求的问题,这就是该方式的局限性。根据管路系统特性公式:H=(P2一Pj/r+Hz+s口当系统包括整个水泵或风机及附加管路时,P】为吸人口压强,P2为管路排出口压强,Hz为管路最高点和吸入口之间高差,S为系统综合阻力系数。对于热电厂使用的水泵和风机,除给水泵外大部分水泵和风机吸

9、入口和排出口压强相同或相近,Hz和s口相比占的比例很小,可以将系统特性公式简化为:水泵:H=Hz+sq风机:H=sq从公式中我们可以看出系统所需压头H都和铲成正比,而采用调速调节流量Q时, Q正比于n,H。正比于f,故有H。正比于。2,由此可以推出调速状态下输出压头H与原系统所需压头H的相应关系:H尚*H(o这个关系的意义在于:系统两端压强相等,系统高差较小时,系统所需压头随流量的变化与调速时输出压头随流量的变化规律相似。只要在额定流量时压头满足系统要求,无论阻力系数S多大,水泵和风机在调速时的压头也可满足系统要求。对于Hz较大的系统,可限制其调速范围,使H一s口Hz即可,这时系统仍有很大的调

10、速范围。面对于给水泵,由于P2远远大于P,(P2一P./r占H的70%以上,满足H。一(P,一P。/rH:s廿后,流量的调节范围较小,相对而言不太适合。3.3调速方式的选择目前,热电厂水泵和风机均采用鼠笼式交流异步电机拖动,按常规电气拖动理论鼠笼式交流异步电机非常难于调速,根据其转速表式:11=nl(1一s=60f(1一S/P可以采取改变转差率s、改变磁极对数P、改变电源频率f三种方式来调速,改变转差率s需加装滑差离合器、液力偶合器等附加设备,现场布置一要做大的变动,二是效率提高不近人意(详细分析可参见参考文献2;改变磁极对数P将改变电动机的结构,不适用于负荷经常变化的场合及无级调速;改变电源

11、频率f按常规理论若f下降而电网电压u不变将导致功率因数和负载能力下降.而f升高输出转矩将下降。多年来,电机拖动专家一直在寻找解决异步电机转矩强偶合多变量控制的方法,70年代理论上有了突破,80年代计算机技术、电力电子技术的发展使变频器实际应用得以实现。659现在,科技的进步使变频器这个集电力电子技术、微机应用技术于一体的高科技产品日益成熟,价格逐年下降,采用变频器调速既不用改变现场布置,又可不改变电动机结构,加上其具有功率因数为1,可以软启动,便于和计算机相连加入信号采集和自动调节等优点,用于水泵和风机调速节能已成为现实中可以接受的首选。当然变频器也有易对电网和环境产生电磁谐渡干扰及高压应用需

12、加变压器转换的缺点,需要在采用时进行全面的投资收益分析并合理安排变频器位置同时采用严格的施工工艺。4、投资和节能效果分析下面以热电厂抽凝机组所配的循环水泵为例分析如下:循环水泵设计流量18000,h,扬程166.77p,拖动电机为130KW交流电机,型号JSW一1256型,用于C12抽凝式汽轮发电机组冷凝系统。根据C12的设计参数,其最大冷凝汽量为48t/h,最小10.5t/h,忽略其他因素影响,循环水流量相应在400m3/h1800W/h间变化。与此相对应,变频调速时,电机转速216rpm970rpIn,电源频率1lrlz一50H工电动机功率1.41K'W一130KW。假设年平均循环

13、水流量为该值的中值,即1100m3/h,贝年平均电动机功率为30KW,采用变频调速年节约电费为:5500hx(130KW一30KWx0.35元/KWh=20万元而根据目前变频器的市场价在1000元/K'W左右,加上附属设备改造投资在20万元左右,一年即可收回投资,按变频器无故障使用期8年计算,另外7年可节约电费140万元,经济效益十分可观。而如果考虑提高电动机的功率因数后节约的线损及减少电动机启动耗能所产生的效益,节约将更加可观。5、结论通过以上分析可以看出,做为一次能源消耗大户的热电厂,采用新技术改造传统的工艺控制方法,利用变额器调节水泵和风机的转速来满足常年低负荷运行时系统的要求以

14、节约电能,降低厂用电率,降低供电煤耗,增加产出,可以大大提高经济效益,增加热电企业的市场竞争能力。参考资料1中国石油天然气总公司装备局变频调速应用技术2邹良粱液力调速与变频调速的运行分析作者简介扬文忠河北省石家庄东方热电集团南郊熟电有限公司工程师,河北电机工程学套会员,1984年毕业于中国人民解放军装甲兵技术学院坦克技术管理工程专业,大学五年本科,首先后在大型军工厂从事坦克和发动机的技术争管理工作,1991年转业到现单位,先后担任电气、议丧疆自动化工程师,从事热电厂的筹建和生产运行工作,具有多学科的专业理论知识和丰富的现场实践经验。曾在有关-gL-r,】发表技术论文。联系地址:河北省石家庄市仓

15、兴街南郊热电有限公司邮政编码:050021电话:03116016065(单位031l一5875252(住宅2001年1月15日星期一 热电厂用水泵和风机调速节能分析作者:杨文忠作者单位:河北省石家庄南郊热电有限公司相似文献(10条自来水厂泵站系统水泵的工作扬程是由几何扬程和管道摩阻所组成,几何扬程随用水量和系统内其它水厂的供水量而变化,管道的摩阻是随流量的平方而变.对二级泵站的几种运行方式,即定速运行、变速恒压运行、变速变压运行,从能量消耗的角度上进行了分析,并指出了各运行方式的适用场合,同时探讨了二级泵站中水泵的一些节能运行方式.3.会议论文蒋瑞敏再谈供水行业的水泵节能1999水泵的调速节能

16、已为供水行业的技术人员所接受,并在实践中得到了证实。水泵的特性之一是高效区范围不宽。供水行业的特性之一是供水量不是定值。以转速固定且高效区宽的水泵去供应变化的流量,很难使水泵一直保持在高效区内运行,这了满足不间断地供水,水泵只得在效率较低的工况下运行,其结果是电耗增加,供水成本的提高。水泵调速后,改变了水泵的=f(Q的曲线,可使水泵仍在较高的效率下运行,保持供水质量不变。在供应相同的水量下,电耗下降,因而降低了供水成本。这一技术措施已成为供水行业的共识。本文简述了离心式风机、水泵调速运行的节能原理以及调速装置的选用原则,并对常用的调速装置技术经济性能进行了比较.热电厂风机、水泵加装调速液力耦合

17、器,可取得20%30%的节电效果,具有投资少、见效快的特点.该技术可在冶炼、化工、矿山、水泥、石油等系统广泛应用.6.会议论文郭凤文水泵调速节能的定量分析1999该文提出并介绍了给水工程水泵调速节能问题定量分析的原则、方法及计算实例。7.会议论文杨乃乔风机、水泵的调速节能1999从泵与风机的本体、原动机及传动装置三个方面分析了变速调节的节能原理,并针对中国电力形势和发电设备的制造水平,参考国外先进技术,指出采用调速节能折可能和影响因素。8.学位论文黄晓光大功率风机、水泵用液体粘性调速离合器控制系统的研究2000该文在理论联系实际的基础上,对液粘调速离合器(HVD的转速控制部分进行了深入细致的研究.针对HVD控制系统在现场应用中遇到的问题,提出了解决方案;建立了离心风机、水泵等负载应用HVD系统进行转速调节的系统数学模型;并