1、 1 引言风机和水泵在国民经济各部门的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约 35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。据估计，提高风机和水泵系统运行效率的节能潜力可达 300500 亿kWh/年，相当于 610 个装机容量为 1000MW 级的大型火力发电厂的年发电总量。在火力发电厂中，风机和水泵也是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多。加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力则更加巨大。据统计，全国火力发电厂的八种风机
2、和水泵，即送风机、引风机、一次风机、排粉风机、锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵和灰浆泵，其配套电动机的总容量为 15000MW，年总用电量为 520 亿kWh，占全国火电发电量的 5.8。发电厂辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。我国火电机组的平均煤耗为 400g/kWh，比发达国家高 70100g/kWh，而厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。国产 300MW 机组的厂用电率平均为4.71，而进口(GE 公司)机组为 3.81
3、%，国产机组比进口机组的厂用电率约高 20。其偏高的原因主要是辅机电动机在经济运行方面存在问题和差距。国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其他风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀调节流量，风机则采用入口风门调节流量，它们都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。调查表明:我国 50MW 以上机组锅炉风机运行效率低于 70的占一半以上，低于 50的占 20左右。由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到 30，结果是白白地浪费掉大量
4、的电能。目前国内的火电机组大都处于低负荷或变负荷运行状态，其原因主要有以下几点:(1) 近年来由于装机容量的迅速增长，全国基本上摆脱了电力供应紧张的局面，电力供应有了盈余，火电机组不得不压低负荷运行;(2) 由于负荷结构的变化，电网负荷的峰谷差加大，其值一般达到电网最高负荷的30，有的电网甚至高达 50;(3) 由于目前电网还缺少专门带尖峰负荷的机组 (例如坝库式水电机组，抽水蓄能机组，燃气轮机组等)，所以一般电网的尖峰负荷和低谷负荷都要求火电机组来承担，火电机组不得不作调峰变负荷运行。在机组变负荷运行方式下，如果主要辅机采用高效可调速驱动系统取代常规的定速驱动系统，无疑可节约大量的节流损耗，
5、节电效果显著，潜力巨大，这已是不争的事实。除此之外，由于可调速驱动系统都具有软起动功能，可使电厂辅机实现软起动，避免了由于电动机直接起动引起的电网冲击和机械冲击，从而可以防止与此有关的一系列事故的发生。例如电动机转子笼条的疲劳断裂，定子端部绕组绝缘损坏击穿等重大事故，提高了辅机运行的可靠性。2 风机水泵调速运行的必要性2.1 风机风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，锅炉的四大风机(送风机、引风机、一次风机或排粉风机和烟气再循环风机)的总耗电量约占机组发电量的 2左右。随着火电机组容量的提高，电站锅炉风机的容量也在不断增大，如国产 200MW 机组，风机的总功率达6440kW(其中，送风机二台
6、2500kW，引风机二台 2500kW，排粉风机总功率 1440kW)，占机组容量的 3以上。因此，提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是风机的调速性能差，二是运行点远离风机的最高效率点。我国现行的火电设计规程 SDJ79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为 5和 510，风压裕度分别为 10和1015 。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适
7、的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送引风机的风量和风压富裕度达 2030是比较常见的。电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下，采用风门调节的风机，在两者偏离 10时，效率下降 8左右; 偏离 20时，效率下降 20左右;而偏离 30时，效率则下降 30以上。对于采用调节门调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。可见，锅炉送、引风机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节风门消耗掉的。因此，改进离心风机的调节方式是提高风机效率，降低风机耗电量的最
8、有效途径。2.2 水泵火力发电机组必须配备的水泵主要有锅炉给水泵、循环水泵和凝结水泵，其次还有射水泵、低压加热器疏水泵、热网水泵、冷却水泵、灰浆泵、轴封水泵、除盐水泵、清水泵、过滤器反洗泵、生活水泵、消防水泵和补给水泵等。这些水泵数量多，总装机容量大:50MW火电机组的主要配套水泵的总装机容量为 6430kW，占机组容量的 12.86;100MW 机组为10480kW，占 10.48;200MW 机组为 15450kW，占 7.73。100MW 机组主要配套水泵的总耗电量约占全部厂用电量的 70左右。由此可见，水泵确实是火力发电厂中耗电量最大的一类辅机。因此，提高水泵的运行效率，降低水泵的电耗
9、对降低厂用电率具有举足轻重的意义。与风机一样，除因设计中层层加码，留有过大富裕量，造成大马拉小车现象之外，还由于为满足生产工艺上的要求而采用节流调节，造成更大的能源浪费现象。以锅炉给水泵为例，一台 200MW 发电机组的给水泵，其电动机功率达 5000kW，水泵的出口压力为25.0MPa，而正常运行时的汽包压力为 16.5MPa。造成水泵的出口压力与正常的汽包压力之间的差别如此之大(8.5MPa)的原因有两个:(1) 锅炉检修以后打水压试验的需要 ;(2) 为给水调节阀前提供较大的压力，以提高调节系统的反应速度。由以上分析可知，当电动机定速运行时，为了维持汽包压力在正常值，必须在给水管道上加装
10、给水调节阀，增加阻力，以至消耗大量的能源。若电机采用调速驱动，则可用改变电机的转速来满足不同的压力要求，节省了因阀门阻力引起的附加损耗，达到节能的目的。同时以调速方法改变压力的响应速度远比改变阀门开度来的快，使锅炉汽包水位自动调节系统的反应加快，改善了锅炉给水调节系统的性能。为了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率、降低管路系统阻力、合理配套并实现经济调度外，采用调速驱动是一种更加有效的途径。因为大多数水泵都需要根据主机负荷的变化调节流量，对调峰机组的水泵则尤其如此。根据目前我国电网的负荷情况，大多数125MW 机组已参与调峰，为扩大调峰能力甚至一些 200MW 机组也不得不参与调峰运行。为
11、这类调峰机组配套的各种水泵最好采用调速驱动，以获得最佳节能效果。例如，有一台国产 200MW 机组配备三台 DG400180 型定速给水泵，当主机负荷为 180MW 时运行两台泵，调节阀的节流损失高达 2.21MPa，仅此一项每年浪费电能 883.9 万 kWh。如果改用一台全容量调速给水泵则可以节省大量电能(见表 1)。由表 1 可见，当主机采用定压运行方式时可平均节电 20，当主机采用定-滑- 定运行方式时可平均节电 30。以上是没有考虑给水焓升变化的计算结果，如果考虑调速泵中给水焓升较小，则平均节电率将下降35。3 各种调速方案的初投资和回收期由于设备的具体价格是逐年变动的，若以具体价格
12、作比较容易引起混乱，故以相对价格作为讨论的依据较好。如以普通的三相交流异步电动机的价格为 1.0，各种调速系统的价格以电机价格为基础给出，比较直观、真实。各种调速方案的初投资和回收期见表 2。4 各种调速装置的性能比较现将各种调速装置的性能比较述说如下:(1) 变极调速 调速原理: 改变异步电动机定子绕组的极对数 p，可使电动机同步转速 n0=60f1/p 改变(f1 为电网周波)，达到调速的目的。优点: 因转差率小，转差损耗少，效率高；控制简单；价格便宜，投资少；使用维护简单方便。 缺点: 有级调速，而且级差较大，所以不能平滑调速。 适用场合:鼠笼型异步电动机。不要求平滑、连续和频繁调速的场
13、合。(2) 变频调速 调速原理:利用各种型式的变频器改变异步电动机定子端输入电源的频率，以改变电动机的转速。主要有交直交式电压型、电流型等变频器。 优点:因转差率小，转差损耗少，效率高；特性硬，调速精度高；无级调速；调速范围大；起动及制动能耗少缺点: 变频器结构复杂;投资大;要求使用、维护技术水平高;产生高次谐波，对电网有污染，对电机有影响。适用场合:鼠笼型及绕线型异步电动机及同步电动机。(3) 串极调速 调速原理:在绕线型异步电动机的转子电路中串入一个与转子电势频率相同、相位相反的附加电势。当转子电势所产生的转矩与负载转矩相平衡时，电动机重新稳定运行在所要求的转速。主要型式为可控硅串级，它又
14、可分为低同步速串级调速、超同步速串级调速及内反馈串级调速三种。优点:各种串级调速的效率高，节能效果好;调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置容量也小，所以成本较低，投资少;平滑无级调速;可控硅串级因无转动部分，所以维护容易，控制方便;内反馈串级调速可省掉逆变变压器及高压操作柜。缺点:可控硅串级调速功率因数低;可控硅串级调速产生高次谐波，对电网有污染;内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机;只能用于绕线型异步电动机。 适用场合:绕线型异步电动机。要求调速范围不大 (70 95) 的场合。若采用超同步速串级调速，可使调速范围扩大到 50150。(4) 无刷双馈变频调速电机调速原理:无刷双
15、馈变频调速电机是一种特制的调速电机。基本结构是一个定子、一个转子、一套公共磁路，定子绕组有两套对应不同极数的出线端。一套出线接往工频电源作为功率绕组;另一套出线接变频电源作为控制绕组。在二套绕组极性确定的情况下，通过改变控制绕组变频器的输出频率来调节转速，可实现平滑无级调速。优点: 通过变频器的功率仅占电机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，同时大大降低变频器功率器件的耐压要求，从而大大降低了调速系统的成本;功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标;由于取消了电刷和滑环结构，大大提高了系统运行的可靠性；既使在变频器发生故障的情况下，电机仍然可以运行于感应电动机的状态下；电机的转速仅与功
16、率绕组和控制绕组的极数、频率及相序有关，而与负载转矩无关。 缺点:必须更换特制的无刷双馈电机;起动特性较差，要借助感应起动器或外接电阻起动;调速效率稍差。 适用场合:长期连续工作，不需要频繁起动的场合。(5) 无换向器电机调速 调速原理:无换向器电动机是指由变频器、同步电动机、转子位置检测器组成的可变速电机。无换向器电动机的工作原理与具有三个换向片的直流电动机相似，其转速控制是采用改变整流器晶闸管的导通角从而改变整流器的输出直流电压实现的。 优点:调速特性好;调速效率高;与直流电动机相比，去掉了换向器和电刷，提高了调速系统的可靠性;控制线路比变频器简单，从而成本降低;容量大，转速高。 缺点:无
17、换向器电动机的起动及低速运行特性差;过载能力低;调速装置的体积大，且产生高次谐波，对电网有污染;需采用特制的无换向器电动机;与变频调速一样，全部功率通过控制器，增加了功率器件的电压、电流耐量和投资。适用场合:大容量 (大于 5000kW)、高转速(大于 4000r/min)的场合。(6) 定子调压调速 调速原理:改变加在异步电动机定子端的电压，使电动机的机械特性发生变化，因此电动机的转差率发生变化，电动机的转速也变改变了。 优点:线路简单，运行比较可靠;调压装置体积小;价格便宜，投资少;使用、维护比较简单;便于自动控制及远方操作。 缺点:低速时转差功率损耗大，效率低;调速特性软;产生高次谐波，
18、对电网有污染，对电机有影响。适用场合:大容量绕线型异步电动机转子串电阻; 高转子电阻的笼型异步电动机。(7) 转子串电阻调速 调速原理:在绕线型异步电动机的每组转子电路中串入附加电阻，则转子电流立即减小，使电动机转速下降。转速下降后转差率加大，因而使转子电势增大，转子电流重新增加，直到电动机产生的电磁转矩与负载转矩相平衡时，稳定运行在较低转速。 优点:调速方法简单，不需要复杂的控制设备，可靠性高;投资少; 技术不复杂，容易掌握、功率因素较高;不产生高次谐波，对电网无影响;起动和调速设备合二为一;利用液体电阻时，可实现平滑、连续调速。 缺点: 效率低，因为转差功率以热能形式消耗在转子电阻上;机械
19、特性较软，串接电阻越大特性越软;串金属电阻体积较大，抽头困难，不易做到无级调速，平滑性差。 适用场合:绕线型异步电动机。对电动机机械特性硬度要求不高的场合。(8) 电磁调速电动机 调速原理:电磁调速电动机由不调速的鼠笼型异步电动机和靠励磁电流调速的电磁滑差离合器组成。电磁滑差离合器由直流电源励磁，改变磁场强度(即改变励磁电流的大小)即可改变电磁滑差离合器磁极的转速，因而与磁极连接的风机水泵转子的转速也得到调节。 优点:调速装置结构简单，运行可靠;价格便宜，投资少;控制线路简单，维修容易;控制装置容量较小，一般为电动机容量的 12 ，因此占地面积小;在采用闭环控制时，调速范围大于 10；不产生高
20、次谐波，对电网无影响。 缺点:电磁滑差离合器本身滑差大，最高输出转速仅为电动机同步转速的 8090;低速时效率较低，因为调速过程中产生的滑差损失以热能形式损耗了。 适用场合:中、小容量的鼠笼型转子异步电动机。(9) 液力耦合器 调速原理:液力耦合器的泵轮和涡轮分别与电动机和负载的轴连接，泵轮带动油旋转并把从电动机得到的机械能转变为油的动能和压力能，而后工作油进入涡轮，并推动涡轮做功，油流经涡轮后能量降低，再回到泵轮吸收能量，就这样靠油的循环动力传递功率。调节泵轮及涡轮腔室中的油量便可以改变涡轮的转速，达到泵调速的目的。优点:功率适应范围大，可以满足从几十至几千乃至上万千瓦的不同功率的需要;结构
21、较简单，使用方便;价格适中，改造投资不算太大;滑差损失功率最大不超过 15;可空载起动，从而大大降低了起动电流;不产生高次谐波，对电网无影响;无级调速，调速范围宽(2097);对电动机和水泵有过载保护功能; 可以隔离电动机和泵的振动，缓和冲击。 缺点:有滑差损失，所以属低效调速装置; 滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，所以需要冷却设备; 低速、小功率的液力耦合器造价较高; 效率低，效率与转差成反比; 液力耦合器达不到电机额定转速; 一旦液力耦合器出故障，设备就需停止运行; 调速精度差，稳定性差。 适用场合:大功率、高转速的鼠笼型转子异步电动机。(10) 汽轮机调速驱动 调速原理:用汽轮机直接
22、调速驱动大功率、高转速的锅炉给水泵是火力发电厂大容量机组给水泵的主要驱动方式之一。通过调速器控制汽轮机的进汽量即可以获得需要的转速。优点:可以降低发电净热耗率，提高机组运行经济性;可以增加发电厂的输出电量;可以减少厂用电变压器及其电器设备的投资费用;当电力系统频率变化时，水泵转速不受影响，提高了泵运行的稳定性;可以适应滑参数起动方式;可直接实现给水泵高速化，省去了升速齿轮及液力偶合器等传动装置，因此也不存在传动损失;可靠性高;操纵控制方便。 缺点:汽轮机结构复杂，维修工作量大; 造价高，投资大。 适用场合:中、大容量机组的大功率、高转速锅炉给水泵等。5 结束语鉴于发电厂风机水泵调速节能的巨大经
23、济潜力，和面对厂网分家，竞价上网的严峻形势，发电厂高压辅机调速节能改造势在必行。各种调速方式在性能指标、节能效果、资金投入等方面各有其优缺点，因此在采用何种调速方案进行节能改造方面，也没有一个统一的章法。各厂应根据机组的具体情况、负荷情况(是否调峰) 、设计余量、场地位置、资金投入等情况全面考量，选择适合本厂具体情况的节能改造方案。(1) 对于常年带满负荷的机组，当风机的风量裕度在 30时，选用双速电机最为经济，即使在满负荷连续运行工况下，电机也可在低速档运行，已可满足风量要求;当风量余度在20左右时，则采用变频调速、串级调速较为经济，而采用双速电机和液力耦合器不能起到节电作用;当风量裕度在
24、10左右时，采用双速电机和液力耦合器调速还不及调节门调节的经济性好，而采用变频调速和串级调速与调节门调节的经济性相差不大，因而此时只要采用调节门调节即可，不必采用变速调节。(2) 对于调峰机组和长期处于低负荷运行的机组，考虑到长期运行的安全可靠性、经济性和操作维护工作量等，变频调速和串级调速比双速电机及液力耦合器等调速方式具有更大的优越性。因此，电厂在风机水泵节能改造时，应优先选择变频调速和串级调速方案。(3) 母管制给水系统配备定速泵虽然可用台数调节法提高运行经济性，但是仍存在节流损失和运行效率降低的问题，如改为转速调节不仅可以进一步提高运行的经济性，而且还可以提高机组运行的安全可靠性。对于
25、由多台泵组成的母管制给水系统，至少要有一台调速泵，以提高运行的经济性。(4) 低效调速节能方式，即使在低转速比时，相对节流调节方式而言，也有明显的节能效果。且因其投资少，见效快，资金回收周期短，在老机组和中小机组改造中，容易收到明显的节能效益。(5) 变频调速因其调速效率高，力能指标 (功率因数)高，调速范围宽，调速精度高等优势，又可以实现软起动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命，对于大部分采用笼型异步电动机拖动的电厂风机水泵，不失为目前最理想的调速方案。但其昂贵的价格又使用户望而却步，使其的推广应用受到限制。内反馈串级调速和无刷双馈变频调速，则兼有变频调速的优良性能，又避免了用户的高投入，是适合中国国情的具有广阔应用前景的风机、水泵调速节能方案。
