風機泵類高壓變頻改造的節(jié)能分析及計算方法

1、風機泵類高壓變頻改造的節(jié)能分析及計算方法摘要：基于對風機泵類高壓變頻改造前后不同調(diào)節(jié)方式以及不同調(diào)節(jié)方式的性能 曲線、管路特性曲線的研充，比較分析了不同調(diào)節(jié)方式的節(jié)能原理、對節(jié)能的影 響及節(jié)能效果。從風機泵類變頻調(diào)速系統(tǒng)整體角度考慮，針對不同工況研究了風 機泵類變頻調(diào)速前后節(jié)能效果的理論計算方法。以電廠風機泵類高壓變頻改造試 驗和實際運行數(shù)據(jù)為例，驗證了該計算方法的準確性和可行性。關(guān)鍵詞：風機泵類；高壓變頻；節(jié)能；調(diào)節(jié)每個火電機組都有大量的輔機設(shè)備，如給水泵、凝結(jié)泵、吸風機、送風機、 一次風機、二次風機、循環(huán)水泵、磨煤機等，這些輔機大多用高壓大容量，如6 kV高壓等級的異步電動機拖動，從而構(gòu)成

2、了發(fā)電廠重要的動力設(shè)備，同時也是 發(fā)電廠的主要用電設(shè)備，大約占廠用電量的80%,其中鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、 循環(huán)水泵的耗電量占總廠用電的50%,鍋爐送風機、引風機的耗電量占總廠用 電的25 %,提高風機泵類的運行效率對火電廠的節(jié)能降耗有重要作用。為了 節(jié)能，提高經(jīng)濟效益，發(fā)電企業(yè)對風機泵類等輔機設(shè)備進行變頻改造。但是很 多變頻改造的節(jié)能效果預算是根據(jù)經(jīng)驗估算，導致改造后出現(xiàn)節(jié)能預算與實際節(jié) 能有較大的差距，造成用戶投資回收期與預期相差較大。本文通過研究不同調(diào)節(jié)方式下風機泵類節(jié)能原理與節(jié)能效果，提出了符合實 際工況的變頻改造節(jié)能分析計算方法，并通過實例驗證了該方法的有效性。一、不同調(diào)節(jié)方式下風機

3、與泵的運行特性分析風機泵類作為一種流性機械，其特性曲線復雜多變。風機泵類的流量 調(diào)節(jié)方式直接影響其性能和管路特性，要使風機或泵的節(jié)能量達到最大，必須 對其特性曲線進行詳細分析，通過性能曲線和管路特性曲線的變化，可以對 風機與泵類的運行狀態(tài)和能量消耗進行較直觀的分析。因此，要準確預算使 風機或泵類變頻改造的節(jié)能效果，必須以接近實際風機泵類情況的特性曲線 為依據(jù)，并對特性曲線進行詳細分析，掌握風機或泵的工況特性曲線風機泵類的性能曲線主要包括：壓力與流量(HQ)、效率與流量(I - Q) 關(guān)系曲線。這2條曲線可分別通過以下曲線擬合函數(shù)得到，即口口H = ko + kiQ + *3Q2(1)I = c

4、o + C1Q + C3Q2(2)其中,*0、*1、*3及、Cl、C3為待定系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品出廠試驗數(shù)據(jù)即可確定風機或泵的性能曲線。風機與泵的管路特性曲線由具體的管路系統(tǒng)自然形成，具有固定性。管 路曲線方程可表達為(H = KQ2H0 = 0(H = KQ2 + H0H0 主 0其中，Ho為靜壓力值。對于風機，爐膛壓力相對于管道阻力很小，可以忽略；對于泵類無背壓 系統(tǒng)，如空調(diào)冷卻水系統(tǒng)、熱水供系統(tǒng)及其他液體閉式循環(huán)系統(tǒng)等，流體通 過水泵的能量增值全部用于克服管路阻力，因此，認為Ho = O：對于泵類有背 壓系統(tǒng)，如鍋爐及壓力容器非循環(huán)式供水系統(tǒng)等，流體通過水泵的能量增值, 一部分用于克服

5、管路阻力，一部分用于提升流體勢能(包括位能和壓力能), 此時H/0, Ho為流體通過系統(tǒng)的勢能提升，稱為背壓。由此，風機泵類 的性能曲線及管路特性曲線如圖1所示。圖1風機某類特性曲線特性分析各種風機、泵類特性曲線上的每一點都對應著一個工況，泵或風機的 工作點必然是管路特性曲線與其性能曲線H-Q的交點處。穩(wěn)定工作點必定 是泵或風機性能曲線單調(diào)下降段與管道阻力特性曲線的交點。為節(jié)能，往往 利用各種調(diào)節(jié)方式，通過改變風機泵類特性曲線及工況點達到節(jié)能目的。假設(shè)風機或泵額定轉(zhuǎn)速n運行時，性能曲線和管路特性曲線分別Pi和 R1，則A】點即為風機泵類全速運行時工況點，如圖2所示。由于改變閥門H土/.Jh圖2

6、不同流量調(diào)節(jié)方式的風機泵類運行工況 開度調(diào)節(jié)流量時，電機總是全速運轉(zhuǎn)，因此性能曲線不變。當減小閥門開度， 流量減小到Q2時，系統(tǒng)運行工況點移至A2點，相應地管路特性曲線變?yōu)镽2。 因此，改變閥門開度實際上就是通過改變管路特性實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的，方法簡 單，易操作。當通過改變風機或泵的轉(zhuǎn)速來進行流量調(diào)節(jié)時，由于閥門開度不變， 因此管路特性不變。如將流量調(diào)節(jié)到Q2時，工況點沿如圖2中的管路特性 曲線Ri的A】移至Bi點，相應地電機的轉(zhuǎn)速降到山，即性能曲線下移。因此， 改變風機泵類轉(zhuǎn)速實際上是通過改變其性能曲線實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的。二、風機泵類變頻改造節(jié)能分析（一）節(jié)能原理及節(jié)能效果分析由圖2可以直觀地看出，

7、流量由Qi減小為Q2,節(jié)流調(diào)節(jié)時壓力反而上升到電, 由于PcxQH,故軸功率P比調(diào)節(jié)前減少不多；而采用變頻調(diào)節(jié)，隨著轉(zhuǎn)速 的下降，流量下降的同時壓力也下降到H3,因此軸功率與A】點的相比下降較 多。這是因為閥門減小控制流量時，人為地增加了風機或泵閥門及管網(wǎng)阻力， 大部分電能被消耗在閥門和管網(wǎng)上，存在嚴重的節(jié)流損失，加上節(jié)流后可能 使風機泵類運行效率降低或運行點偏離運行高效區(qū)，造成能源浪費，從而導 致節(jié)能效果較低。如果采用變頻調(diào)速技術(shù)控制流量時，閥門可全開，這樣 減少了閥門上的壓力損耗，即使在閥門開度不大時其前后的壓差也不大，擋 板產(chǎn)生的壓力損耗并不大。此外，改變電機轉(zhuǎn)速時管網(wǎng)阻力也并未增加而是

8、 保持恒定，因此變頻改造后風機泵類節(jié)能效果比較明顯。不同的管路特性對變頻調(diào)速節(jié)能效果影響較大曰們。如圖3所示，假設(shè)具有 相同的設(shè)計工況點A的同一型號的泵在3個不同的管路系統(tǒng)中工作，管路 特性表達式分別為（H = Hi + SiQ2Ho = Hi H = SoQ2Ho = O= H2 +S2Q2Ho = H2現(xiàn)要把流量從Qi調(diào)到Q2,若采用關(guān)小閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，則3個系統(tǒng)滿足流量Q2 的工況點均為G,轉(zhuǎn)速為no,對應的軸功率為Pg；若采用調(diào)速控制，則3個系統(tǒng)的工況點分別為D、E、F,對應的轉(zhuǎn)速分別為由、電、i】3（nonin2i】3）， 軸功率分別為Pd、Pe、Pf，顯然PgPfPePd。說明無論H

9、o大小，各系統(tǒng)采用 變速調(diào)節(jié)與采用節(jié)流調(diào)節(jié)相比，軸功率都有所減少，但減少的幅度不同。Ho越圖3不同管路特性曲線對變頻調(diào)速節(jié)能效果的影響小，軸功率減少的幅度越大，節(jié)能效果越好，因此無背壓系統(tǒng)的節(jié)能效果最 好。反之，Ho增大到一定程度時，節(jié)能調(diào)節(jié)的軸功率逐漸趨近于一定程度的 節(jié)流調(diào)節(jié)，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效果逐漸降低，若把變速裝置的效率考慮在內(nèi)， 變速調(diào)節(jié)的實際能耗就會很接近、甚至可能超過節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗。所以，用 戶應根據(jù)具體的管路特性曲線來確定是否適用變頻改造。如果盲目選用，很可 能事與愿違。對于如圖3中變速調(diào)節(jié)，風機或泵不同轉(zhuǎn)速時，性能曲線為一組近似 平行曲線。隨著轉(zhuǎn)速的下降，壓力減小，軸功率下降，

10、即FPbPcPd 當轉(zhuǎn)速降到一定程度后，如n=i】3時，性能曲線與管路特性曲線交于Q=0點, 最大壓力與管路靜壓力相等，此時系統(tǒng)己無法克服管路阻力。因此，變頻調(diào) 速時風機泵類轉(zhuǎn)速不易過低，若電機輸出功率過低，過度偏移額定功率或者 工作頻率過度偏移額定頻率，都會使電機效率下降過快，最終都影響到整個 機組的效率，甚至電機冷卻風量不足影響散熱而威脅電機安全運行。因此， 變頻調(diào)速只適合于一定的轉(zhuǎn)速范圍，稱為工作范圍，在此工作范圍內(nèi)，可以 保證風機或泵在高效區(qū)運行。為此，制造廠出廠風機或泵時都會規(guī)定工作范 圍，通常認為變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50 %,最好處于70%90%14, 具體應結(jié)合實際工況計算確

11、定。（二）節(jié)能計算對于風機泵類調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能計算，應從系統(tǒng)整體角度考慮。因為在變頻運行 過程中，風機或泵的有效功率Pe、風機輸入功率（即軸功率）Rn、電動機效率Um、 變頻器效率llinv、傳動效率心以及風機效率爪在實際運行中都是隨風機或泵轉(zhuǎn)速 的變化而不斷變化的，尤其風機或泵的效率，變頻改造前后效率變化比較大。如 圖4中，如、】12分別為風機或泵類在轉(zhuǎn)速 也、電下的效率曲線，設(shè)計時最大效 率應為額定流量時的效率。假設(shè)A點為額定工作點，當閥門控制減小流量時， 出口壓力升高，風機或泵的效率將沿曲線如從最大值下降到E點。當變頻調(diào)速 控制減小流量時，雖然不同轉(zhuǎn)速下效率曲線發(fā)生偏移，但卻始終工作在最大

12、效率 區(qū)。風機或泵的軸功率為Pin = Pe/Tlf = YQH/If（5）其中，7為運輸液體的比重。一般情況下，很多文獻或工程都按照流體力學的相似定律來計算風機、泵類變頻 調(diào)速的節(jié)電率，即如果保持泵或風機的效率不變，則流量Q、壓力H、轉(zhuǎn)速11的關(guān)系如下:1H2/Hx - (2/)2(6)得：111/Qi=c或(8)其中，Ql、Q2分別為轉(zhuǎn)速山、1】2下的流量，H、或分別為轉(zhuǎn)速山、1】2下的壓 力，Rnl、Rn2分別為轉(zhuǎn)速山、電下的風機或泵的軸功率，C為常數(shù)。其中式（8） 為相似拋物線方程，當變頻調(diào)速減小流量，轉(zhuǎn)速由、電下A與B為相似工況 點，即A與B這2點的效率相等。同樣，變頻調(diào)速得到的其他

13、轉(zhuǎn)速下的性能 曲線與該相似拋物線相交的工況點效率均相等。因此，相似拋物線乂稱為等效 率曲線。對于有背壓系統(tǒng)，很顯然因管路特性曲線不滿足等效率曲線，因此A與C的 工況并不相似，若運用式（6）進行節(jié)電計算，會存在較大誤差。這也就是很多 用戶出現(xiàn)變頻改造前的節(jié)電預算結(jié)果與變頻改造后實際系統(tǒng)節(jié)電效存在出入的 原因。因此，此時耗電功率要代入式（5）進行計算，得到不同轉(zhuǎn)速下軸功率關(guān) 系：Pm/= （Qdh：/如）/（/加）（9）若過C點作相似拋物線，該曲線與轉(zhuǎn)速下的性能曲線相交于D點，此時C 與D為相似工況，效率相等，則可按式（6）進行計算。基于以上風機泵類軸功率的計算結(jié)果，若忽略電動機效率、傳動效率以及

14、變 頻前后變頻器效率的變化，則變頻改造后節(jié)能量為P=PiR=已（10）習邳V 加功2 J其中，Pi、P2分別為變頻前后的變頻器輸入功率，血、機或泵的效率，可由風 機或泵類的出廠性能曲線圖查得。（三）算例及結(jié)果分析假設(shè)一臺泵或風機額定工況下的軸功率耳】= 817kW,電動機效率 Tlni = 96%,變頻器效率97 %,泵或風機與電動機直接連接，則恥=1， 設(shè)備年運行時間t=5568 h。1.理論計算方法己知各種工況下流量（轉(zhuǎn)速）標幺值Qi* （i = l, 2,，6）及對 2應的工作時間百分比頃 管路特性曲為0.758 3 （Qi*） + 0.395 8,因 此，根據(jù)風機或泵的出廠性能曲線，作

15、出相應流量的相似拋物線得其 相似工況點Qi*,如表1所示。衣1務種工況下的流景標幺值0.及其工作時間百分比&工況0 況1,/%工況。:/%10.518 0.765 72040.7550.88641020.554 0.78941250.8290.91011230.669 0.85164160.X880.92565根據(jù)（%,） ） （11）,=ITJmT/hW i= I求得變頻調(diào)速年耗電量理論值：Cm產(chǎn)2436923.466 （kWh）2 曲由二（二）分析知，因變速調(diào)節(jié)時改變的是風機泵類性能曲線而不 改變管路特性，所以不同工況流量變化時應在管路特性曲線上查找對應 新的工作點，記為（Q，H）。則由P

16、恚）一一 X （。：；）外（12）j=,mn加心得到變頻調(diào)速年耗電量實際值：C頃=2459091.394 （kWh）如果上網(wǎng)電價為0.398元/ kwh,則變頻調(diào)速方式比變閥調(diào)節(jié)方式年節(jié) 約的費用理論計算值與實際年節(jié)約費用相差為Ar=0.398x|Ch-CiUv =8822.835 （元）這對于幾十萬元甚至幾百萬元的變頻改造費用而言，此差值是非常小的，證 明了理論計算的有效性和可行性，這對實施一次性投資較大的風機泵類高壓變頻 改造項目前需進行節(jié)能分析、節(jié)能預算及資金回收期等經(jīng)濟效益可行性分析的企 業(yè)而言，具有重要的理論價值和參考價值。三、結(jié)論為了節(jié)能，各企業(yè)紛紛采用變頻調(diào)速進行流量調(diào)節(jié)，代替效

17、率低下、能耗大 的變閥調(diào)節(jié)方式。對于火電機組而言，以變頻技術(shù)取代傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)或液力變 速機械調(diào)節(jié)都有明顯的節(jié)電效果。同時變頻調(diào)速在消除電動機啟動沖擊、提高自 動裝置投入率和提高電動機保護靈敏度諸方面也有獨到之處。采用和推廣應用變 頻調(diào)速技術(shù)，對降低居高不下的廠用電率、提高電廠經(jīng)濟效益和機組運行可靠性 方面發(fā)揮重要作用，可以取得相當顯著的節(jié)能效益和控制效果，也代表了今后電 力節(jié)能技改的方向。但變頻改造系統(tǒng)的投資比較大，為了降低投資風險，需對變 頻改造前的節(jié)能效果進行準確而可信的分析，才能對其節(jié)能效果、經(jīng)濟性做出正 確的結(jié)論，這是絕大多數(shù)企業(yè)目前非常關(guān)注的也是比較難的一個問題。進行變頻調(diào)速節(jié)能理

18、論計算時，要掌握風機泵類的工況、特性曲線及運行效 率，再結(jié)合流體力學的相似定律來計算節(jié)電情況。在應用變頻調(diào)速時，應注意啟 停時變頻器加速時間與減速時間的匹配，避免過載、共振，以及變頻器通風冷卻、 電動機散熱與噪音等問題，充分利用變頻器的功能，最大限度發(fā)揮變頻器的作用。 文中的實例計算變頻改造年節(jié)電費用理論值與實際值很接近，表明了理論節(jié)能分 析計算方法的準確性和可行性。參考文獻孟崇林.發(fā)電廠循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵高壓變頻技術(shù)研充與應用D .北京：華北電力大學電氣工程學院，2004.王衛(wèi)宏，閻春林，楊忠民，等.風機高壓變頻改造的節(jié)能預算方法與實踐J.中國電力，2006, 39 (9)： 71-74.張

19、本昌.變頻器在火力發(fā)電廠的應用J.電力自動化設(shè)備,2009,29(5)： 136-138.崔艷華，馬宏忠.變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠風機與泵中的應用J.能 源技術(shù)及管理，2009 (2)： 108-110.崔力.變頻器在火電廠輔機傳動系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀與經(jīng)濟性評價J.電 力設(shè)備，2003, 4 (3)： 36-40.CARLSON R. Hie con ect method of calculating energy savingsto justifyadjustable-fieqiiency diives on pumps j . IEEE Han -saction on Industry Applications, 2000, 36 (6)： 1725-1733.張和平，楊忠民，胡偉，等.