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【摘 要】利用变频器对凝结水泵系统进行改造，把原来的利用挡板或阀门进行调节改造成利用给水流量信号、凝结水流量信号等其他信号控制变频器的输出电压和频率，进而调节凝结水泵电机转速，利用变频器对凝结水泵电机转速进行调节响应速度快，能夠及时跟踪工况的变化，同时彻底消除了节流损失，从而降低了能耗。
【关键词】节能；变频器；凝结水泵；比较
引言
随着我国电网的扩大、机组装机容量的增加以及负荷峰谷差的拉大，发电机的负荷率降低，为发电厂满负荷设计的大型辅机工况调节方法不适合于调峰运行方式，导致辅机和驱动的异步电动机都工作在低效率区域，造成大量的能源浪费，而且随着启停次数的增多，对辅机、电动机及电网的冲击也更频繁。 本文就火力发电厂部分辅机电动机采用变频器调速的必要性、可行性、经济性进行论证，给出对凝结水泵采用变频调速的建议，以达到节能降耗的目的。
1、变频技术的特点及发展情况
在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右，例如引风机、送风机、一次风机、循环水泵、凝结水泵等等。目前流量的传统调节方式多为挡板门或者节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流能力，电动机的输出功率并没有多大的改变，结果是白白浪费掉大量的电能。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果。
目前我国大型异步电动机应用变频调速已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。变频调速以其优异的调速、启动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
2、传统调节方式与变频调节方式的比较
2.1传统调节方式的弊病
水泵传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备磨损严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题：
1）采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的节流过程中；2）介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备易损坏；3）挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想；4）异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6-8倍，对高压厂用电系统冲击较大，增加高压厂用变压器选型的难度。也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。
有电厂采用液力耦合器进行调速，液力耦合装置缺点是体积大、噪声大、损耗大、油系统维护复杂，且一旦液力耦合器发生故障，泵也只能停止工作，降低了泵的可靠性。
2.2采用变频调速的特点
变频调速能节约原来损耗在挡板阀门截流过程中的大量能量，大大提高经济效益。由于水泵大都为平方降转矩负载，在阀门开度不变的条件下，轴功率与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。经过多年的运行经验总结，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。
采用变频调速后，可实现软起动，对高压厂用电系统的冲击和机械负载的冲击都减小了。同时，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿（电压源型变频器），变频器的输入功率因数可达0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮，风机风扇的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。
采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节。控制器输出的4-20mA信号进入变频器（或通过通信接口进行控制），通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量、流量，且线形度较好、动态响应快、精度高，使机组在更经济的状态下安全稳定运行。
3、工程实例
火力发电厂凝结水泵的配置一般有2×100%容量，100%容量的泵在低流量情况下效率会有所下降，必须通过增加变频器来改善其性能。高压变频技术通过调节叶轮的转速，不仅使泵可以较好地适应流量变化，而且还能显著地提高泵在非设计流量时的运行效率。下面就对凝结水泵不配置变频器和配置一台变频器从初投资、运行费用方面进行比较说明。
3.1初投资比较表
项 目 名 称 单位 方案一：2×100%
（不带变频器） 方案二：2×100%
（带1台变频器）
单台泵凝结水量 t/h 1572.3 1572.3
凝泵扬程（暂定） m 330 330
凝泵组初投资 万元 45×2=90 45×2=90
配套电机初投资 万元 50×2=100 50×2=100
变频器初投资 万元 0 84×1=84
土建安装及电控费用 万元 15 20
凝结水系统总投资差价 万元 基准 +89
注：凝结水流量暂按热平衡图VWO工况选取。
从上表可以看出，采用变频器运行初投资将增加89万元。
3.2考虑到凝泵不加变频器，在负荷大幅降低的情况下，泵的耗电量依然很多。根据一组某电厂（330MW机组）提供的实测数据得出负荷变化时电机消耗电量之间关系的规律，然后运用到本专题计算中。
日平均负荷
（万kW） 凝泵（变频）耗电量（kWh/d） 凝泵（定速）耗电量（kWh/d）
17.175 6021 18549
～23.2 9153 20825
～24.8 9433 21025
31.65 18646 22152 ～31.8 19224 22488
32.975 19224 22488
从表中數据可以大体得出，在采用变频泵时，与100%负荷相比，75%负荷时耗电量降低为50%，经咨询变频器厂家，此值修正为53%。50%负荷时变频泵耗电量为定速泵的30%；在采用定速泵时，与100%负荷相比，75%负荷时耗电量降低为93%。下面的耗电量计算中将取用这些系数。一台机组的凝泵运行费用比较见下表：
凝泵年运行费用比较表（按一台机组）
机组运行
模式 运行
小时 方案一：2×100%（不带变频器） 方案二：2×100%
（带一台变频器）
电机耗电功率kW 耗电量
kW.h 电机耗电功率kW 耗电量
kW.h
100%负荷 3200 2021 6467200 1728 5529600
75%负荷 2120 1406 2980720 745 1579400
50%负荷 1180 894 1054920 269 317420
40%负荷 300 611 183300 125 37500
年厂用电量（kW.h） 10686140 7463920
年节省电量（kW.h） 基准 3222220
年节约费用（万元） 基准 80.56
注：1.表中年节约费用按厂用电价0.250￥/kW.h计算。
3.3凝泵运行情况分析
电机工频启动时，启动电流很大，对电气设备会产生不小的冲击；电机变频启动时，电流从零开始，随着转速增加平稳上升，因而避免了大启动电流对电气设备和热力设备的冲击，防止了由冲击电流引起母线电压下降导致的其他设备运行异常事件的发生，避免了继电保护装置的误动。且在变频方式下运行，电机转速在额定转速以下，机械磨损和振动减小，轴瓦温度降低，轴承寿命延长。此外由于凝泵出口调节阀处于全开状态，凝结水对阀芯的冲刷大大减小，调节阀电动执行机构的开关动作次数减少，执行机构和接触器的损坏率也相应减小。因执行机构线性不好，调节阀调节特性差引起的水位调节品质差的问题得以有效避免，水位调节更加及时、准确。
综合以上分析，对于一台330MW的超临界燃煤机组，2×100%容量凝结水泵采用一台变频器比不用变频初投资增加89万元，但是年运行费用可以节省80.56万元，基本上一年左右就可以收回增加的设备成本，具有显著的节能降耗价值。
4、结论
火电厂辅机采用高低压变频调速技术，通过近几年的大量应用实践证明是可行的，且经济效益显著，技术性能优于其它调节方式。
目前国家大力提倡节能降耗，相信变频技术的推广应用，能节约大量能源，改善机组调节性能，为火电厂带来较大的经济效益。
【关键词】节能；变频器；凝结水泵；比较
引言
随着我国电网的扩大、机组装机容量的增加以及负荷峰谷差的拉大，发电机的负荷率降低，为发电厂满负荷设计的大型辅机工况调节方法不适合于调峰运行方式，导致辅机和驱动的异步电动机都工作在低效率区域，造成大量的能源浪费，而且随着启停次数的增多，对辅机、电动机及电网的冲击也更频繁。 本文就火力发电厂部分辅机电动机采用变频器调速的必要性、可行性、经济性进行论证，给出对凝结水泵采用变频调速的建议，以达到节能降耗的目的。
1、变频技术的特点及发展情况
在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85%左右，例如引风机、送风机、一次风机、循环水泵、凝结水泵等等。目前流量的传统调节方式多为挡板门或者节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流能力，电动机的输出功率并没有多大的改变，结果是白白浪费掉大量的电能。如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果。
目前我国大型异步电动机应用变频调速已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频装置的型式多种多样。通过长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。变频调速以其优异的调速、启动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
2、传统调节方式与变频调节方式的比较
2.1传统调节方式的弊病
水泵传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备磨损严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题：
1）采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的节流过程中；2）介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备易损坏；3）挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想；4）异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6-8倍，对高压厂用电系统冲击较大，增加高压厂用变压器选型的难度。也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。
有电厂采用液力耦合器进行调速，液力耦合装置缺点是体积大、噪声大、损耗大、油系统维护复杂，且一旦液力耦合器发生故障，泵也只能停止工作，降低了泵的可靠性。
2.2采用变频调速的特点
变频调速能节约原来损耗在挡板阀门截流过程中的大量能量，大大提高经济效益。由于水泵大都为平方降转矩负载，在阀门开度不变的条件下，轴功率与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。经过多年的运行经验总结，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。
采用变频调速后，可实现软起动，对高压厂用电系统的冲击和机械负载的冲击都减小了。同时，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿（电压源型变频器），变频器的输入功率因数可达0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮，风机风扇的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。
采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节。控制器输出的4-20mA信号进入变频器（或通过通信接口进行控制），通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量、流量，且线形度较好、动态响应快、精度高，使机组在更经济的状态下安全稳定运行。
3、工程实例
火力发电厂凝结水泵的配置一般有2×100%容量，100%容量的泵在低流量情况下效率会有所下降，必须通过增加变频器来改善其性能。高压变频技术通过调节叶轮的转速，不仅使泵可以较好地适应流量变化，而且还能显著地提高泵在非设计流量时的运行效率。下面就对凝结水泵不配置变频器和配置一台变频器从初投资、运行费用方面进行比较说明。
3.1初投资比较表
项 目 名 称 单位 方案一：2×100%
（不带变频器） 方案二：2×100%
（带1台变频器）
单台泵凝结水量 t/h 1572.3 1572.3
凝泵扬程（暂定） m 330 330
凝泵组初投资 万元 45×2=90 45×2=90
配套电机初投资 万元 50×2=100 50×2=100
变频器初投资 万元 0 84×1=84
土建安装及电控费用 万元 15 20
凝结水系统总投资差价 万元 基准 +89
注：凝结水流量暂按热平衡图VWO工况选取。
从上表可以看出，采用变频器运行初投资将增加89万元。
3.2考虑到凝泵不加变频器，在负荷大幅降低的情况下，泵的耗电量依然很多。根据一组某电厂（330MW机组）提供的实测数据得出负荷变化时电机消耗电量之间关系的规律，然后运用到本专题计算中。
日平均负荷
（万kW） 凝泵（变频）耗电量（kWh/d） 凝泵（定速）耗电量（kWh/d）
17.175 6021 18549
～23.2 9153 20825
～24.8 9433 21025
31.65 18646 22152 ～31.8 19224 22488
32.975 19224 22488
从表中數据可以大体得出，在采用变频泵时，与100%负荷相比，75%负荷时耗电量降低为50%，经咨询变频器厂家，此值修正为53%。50%负荷时变频泵耗电量为定速泵的30%；在采用定速泵时，与100%负荷相比，75%负荷时耗电量降低为93%。下面的耗电量计算中将取用这些系数。一台机组的凝泵运行费用比较见下表：
凝泵年运行费用比较表（按一台机组）
机组运行
模式 运行
小时 方案一：2×100%（不带变频器） 方案二：2×100%
（带一台变频器）
电机耗电功率kW 耗电量
kW.h 电机耗电功率kW 耗电量
kW.h
100%负荷 3200 2021 6467200 1728 5529600
75%负荷 2120 1406 2980720 745 1579400
50%负荷 1180 894 1054920 269 317420
40%负荷 300 611 183300 125 37500
年厂用电量（kW.h） 10686140 7463920
年节省电量（kW.h） 基准 3222220
年节约费用（万元） 基准 80.56
注：1.表中年节约费用按厂用电价0.250￥/kW.h计算。
3.3凝泵运行情况分析
电机工频启动时，启动电流很大，对电气设备会产生不小的冲击；电机变频启动时，电流从零开始，随着转速增加平稳上升，因而避免了大启动电流对电气设备和热力设备的冲击，防止了由冲击电流引起母线电压下降导致的其他设备运行异常事件的发生，避免了继电保护装置的误动。且在变频方式下运行，电机转速在额定转速以下，机械磨损和振动减小，轴瓦温度降低，轴承寿命延长。此外由于凝泵出口调节阀处于全开状态，凝结水对阀芯的冲刷大大减小，调节阀电动执行机构的开关动作次数减少，执行机构和接触器的损坏率也相应减小。因执行机构线性不好，调节阀调节特性差引起的水位调节品质差的问题得以有效避免，水位调节更加及时、准确。
综合以上分析，对于一台330MW的超临界燃煤机组，2×100%容量凝结水泵采用一台变频器比不用变频初投资增加89万元，但是年运行费用可以节省80.56万元，基本上一年左右就可以收回增加的设备成本，具有显著的节能降耗价值。
4、结论
火电厂辅机采用高低压变频调速技术，通过近几年的大量应用实践证明是可行的，且经济效益显著，技术性能优于其它调节方式。
目前国家大力提倡节能降耗，相信变频技术的推广应用，能节约大量能源，改善机组调节性能，为火电厂带来较大的经济效益。