火電廠變頻節(jié)能策略

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1.前言
 隨著全球氣候變化影響的日益顯著，推進(jìn)節(jié)能減排逐漸成為國際共識。節(jié)能減排是我國落實科學(xué)發(fā)展觀、保證社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，是建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的必然選擇。我國又提出了“堅持開發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位”的能源發(fā)展總方針。
 《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》確定了電力行業(yè)“十二五”期間節(jié)能減排的具體指標(biāo)：到2015年，火電供電煤耗325克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時，較2010年降低8克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時；火電廠廠用電率6.2%，較2010年降低0.13個百分點；電網(wǎng)綜合線損率6.3%，較2010年降低0.23個百分點；火電行業(yè)二氧化硫排放量800萬噸，較2010年下降16%；火電行業(yè)氮氧化物排放量750萬噸，較2010年下降29%。同時“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃指出：到2015年，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到4.5萬億元，節(jié)能市場潛力巨大。由此可見, 火電發(fā)電廠節(jié)能減排工作勢在必行。
2.火電廠能源消耗現(xiàn)狀
火力發(fā)電廠發(fā)電過程是一個能量的轉(zhuǎn)化過程：從化學(xué)能（煤、油、氣等）轉(zhuǎn)變成熱能，在轉(zhuǎn)化機(jī)械能，最后發(fā)出清潔的電能。從火電廠的生產(chǎn)工藝和特點分析，火力發(fā)電廠不僅是能源轉(zhuǎn)換的企業(yè)，也是一次能源消耗大戶，每年消耗的煤、石油、天然氣、水和電非常大。
在我國電源結(jié)構(gòu)中，截至2012年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到114491萬千瓦,其中，火電81917萬千瓦（含煤電75811萬千瓦、氣電3827萬千瓦），占全部裝機(jī)容量的71.5%；水電24890萬千瓦（含抽水蓄能2031萬千瓦），占全部裝機(jī)容量的21.7%；核電1257萬千瓦，占全部裝機(jī)容量的1.1%;并網(wǎng)風(fēng)電6083萬千瓦，占全部裝機(jī)容量的5.3%;并網(wǎng)太陽能發(fā)電328萬千瓦,占全部裝機(jī)容量的0.4%。從以上數(shù)據(jù)可知火力發(fā)電仍然占據(jù)我國發(fā)電量的主導(dǎo)地位。
據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%。其中全國火力發(fā)電廠的平均廠用電率約為4～10% ，而泵與風(fēng)機(jī)的耗電量占廠用電的75％左右。而火電廠的輔機(jī)設(shè)備多數(shù)是定速電動機(jī)的風(fēng)機(jī)和水泵，如鍋爐輔機(jī)設(shè)備有：一次風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等，汽輪機(jī)輔助設(shè)備有：給水泵、循環(huán)泵、凝結(jié)泵、射水泵、供水泵等。目前來說，火力發(fā)電廠普遍存在著能耗浪費現(xiàn)象:
1. 主機(jī)輔機(jī)設(shè)備的風(fēng)機(jī)水泵都是定速電機(jī)，不能調(diào)節(jié).
2. 風(fēng)機(jī)水泵流量靠風(fēng)門或閥門調(diào)節(jié),節(jié)流損耗大.
這種定速驅(qū)動的風(fēng)機(jī)和水泵，調(diào)節(jié)線性差，如果需要調(diào)節(jié)的壓力或流量，只好采用流到上的閥門，泵采用出口閥，風(fēng)機(jī)則采用入口風(fēng)門調(diào)節(jié)流量。對于采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)和出口門調(diào)節(jié)流量或壓頭的水泵這是一個固有的不可避免的問題。這種機(jī)械的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)和水泵的型號與管網(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)機(jī)構(gòu)消耗掉的,因此泵和風(fēng)機(jī)都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。普遍采用擋板和閥門調(diào)節(jié)，節(jié)流能耗損失大，造成不必要的浪費。
3. 調(diào)峰電廠，輔機(jī)調(diào)節(jié)線性差，節(jié)流耗能損失大。
調(diào)峰的電廠都共同具有的特性：主輔設(shè)備長期在低負(fù)荷條件下運行，機(jī)組綜合利用效率大幅度降低；同時，需要調(diào)峰時，主輔機(jī)設(shè)備又不能滿足機(jī)組快速提升到需求峰值的要求。
根據(jù)調(diào)峰電廠調(diào)幅大，低負(fù)荷的特性，必須要求輔機(jī)設(shè)備滿足主機(jī)組線性調(diào)節(jié)需求。但是目前火電廠輔機(jī)的調(diào)節(jié)方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式反應(yīng)遲緩、動作慢，根本不能夠滿足機(jī)組迅速調(diào)峰時快速上升的線性需求；同時，由于采取節(jié)流調(diào)節(jié)，加大了通道的通流阻抗，增加電動機(jī)的用電量，浪費了電能。
3.火電廠的節(jié)能空間
目前火力發(fā)電廠之所以節(jié)能空間主要有三個方面：
3.1設(shè)計問題
1．火電設(shè)計風(fēng)機(jī)裕度
我國現(xiàn)行的《 DL/T 5000-2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：燃煤鍋爐一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)的設(shè)計風(fēng)量裕度分別為5%~35%、5%~10%、10%，風(fēng)壓裕度分別為10~30％、10％～20％、20%；大容量鍋爐的冷卻風(fēng)機(jī)宜選用二臺離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕量宜為15％；風(fēng)機(jī)的壓頭裕量宜為25％。
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，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偸前严到y(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，電廠鍋爐送引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20％～30％是比較常見的。
一般在鍋爐風(fēng)機(jī)容量設(shè)計時，單側(cè)風(fēng)機(jī)運行時具備帶75％負(fù)荷運行的能力，這主要是從機(jī)組運行的安全性出發(fā)的；當(dāng)失去一側(cè)送引風(fēng)機(jī)時，機(jī)組還能帶75％的負(fù)荷運行。所以當(dāng)雙側(cè)風(fēng)機(jī)運行，機(jī)組帶滿負(fù)荷時，送引風(fēng)機(jī)的設(shè)計余量在20～30％左右，風(fēng)門開度一般為50～60%。節(jié)能空間很大，即使在機(jī)組滿負(fù)荷運行時，也有20～30%的節(jié)電率。
電廠鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運行工況點與設(shè)計高效點相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運行效率大幅度下降。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。對于采用調(diào)節(jié)門調(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，鍋爐一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸風(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。
2 轉(zhuǎn)動機(jī)械設(shè)計電動機(jī)的余量
不僅風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)動機(jī)械在設(shè)計時留有相當(dāng)大的余量，其配用電動機(jī)也都留有很大的余量，如某行業(yè)轉(zhuǎn)動機(jī)械配用電機(jī)的導(dǎo)則如下：電動機(jī)容量選擇
電動機(jī)的容量按機(jī)械所需軸功率選擇，可按下式計算：
Pe≧K Ki Kh Pz
其中   Pe—電動機(jī)的額定功率（kw）
K —機(jī)械的儲備系數(shù) ，見表1.2.1
Ki —溫度修正系數(shù)，見表1.2.2
Kh —海拔修正系數(shù)，當(dāng)電動機(jī)用于海拔1000m以上時，如使用地點的溫度隨海拔增高而遞減，并滿足下式時，容量不作修正，若不滿足下式要求，則每超過1℃電動機(jī)降容1%：
（h-1000）Δθ/100-（40-θ）＜ 0
式中   h—使用地點海拔高度（m）
Δθ—海拔高度每升高100m電動機(jī)溫升的遞增值，其職位電動機(jī)額定溫升的1%（℃）。
θ—使用地點的最高環(huán)境溫度。
Pz—機(jī)械需要軸功率（kw）
表1.2.1    機(jī)械的儲備系數(shù)     
機(jī)械性質(zhì) 水泵 啟動困難的風(fēng)機(jī) 較易啟動的鼓風(fēng)機(jī) 輸送粉狀物質(zhì)的風(fēng)機(jī) 可能帶負(fù)載啟動的運輸機(jī)械
儲備系數(shù) 1.2 1.26 1.15 1.3 1.2
表1.2.2    溫度修正系數(shù)
冷卻空氣溫度t 25 30 35 40 45 50
溫度系數(shù)Kt 1.1 1.08 1.05 1.0 0.95 0.875
擬合函數(shù)Kt = -1E-06t³ - 0.0001t² + 0.0055t + 1.0598
這種選型原則，節(jié)能空間大。
3.2技術(shù)問題
調(diào)節(jié)手段落后，造成損耗損失嚴(yán)重。
一般情況下，風(fēng)機(jī)和水泵基本上都采用定速驅(qū)動。這種定速驅(qū)動的風(fēng)機(jī)和水泵，如果需要調(diào)節(jié)服務(wù)點的壓力或流量，只好采用流到上的閥門，對于泵采用出口閥，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)荷運行時，由于風(fēng)機(jī)和水泵的運行偏離高效點，使運行效率降低。
1.風(fēng)機(jī)風(fēng)門調(diào)節(jié)：
在200MW及以下機(jī)組，一般采用調(diào)整入口導(dǎo)向葉片的角度（風(fēng)門開度）的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量，這種風(fēng)門調(diào)節(jié)的截流損耗一般為30％Pe（額定容量）。在300MW及以上機(jī)組，則采用調(diào)節(jié)動、靜葉片的方式來實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式的截流損耗也在20％Pe左右。
2.給水泵閥門調(diào)節(jié)：
一臺200MW發(fā)電機(jī)組的電動給水泵，其電動機(jī)功率達(dá)5000ｋW，水泵的出口壓力與正常的汽包壓力之間的差別如此之大（8.5MPa）原因有兩個：（1） 鍋爐檢修以后打水壓試驗的需要；（2） 為給水調(diào)節(jié)閥前提供較大的壓力，以提高汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高水位調(diào)節(jié)品質(zhì)的需要。如此大的截流損耗，造成大量的能源浪費。
中、小型熱電廠鍋爐給水多采用母管制給水系統(tǒng)，給水泵多為定速運行，鍋爐汽包水位靠自動給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，屬節(jié)流調(diào)節(jié)，存在節(jié)流損耗。一般是負(fù)荷越小母管壓力越高，鍋爐自動給水調(diào)節(jié)閥開度越小，其節(jié)流損耗就越大。
3.循環(huán)水泵 調(diào)節(jié)法門調(diào)節(jié):
循環(huán)水泵是為汽輪機(jī)組凝汽器提供冷卻水的重要鋪機(jī)設(shè)備，隨著機(jī)組負(fù)荷和季節(jié)的變化，為了保證機(jī)組在合理的經(jīng)濟(jì)真空值運行，需要的冷卻水量是變化的。通常冬季單臺泵運行流量偏大，夏季單臺泵流量不足，需要兩臺泵運行，而兩臺泵的流量又過大。
目前國內(nèi)中等以上容量的機(jī)組也有采用調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)冷卻水流量調(diào)節(jié)的，這種調(diào)節(jié)方式控制的汽輪機(jī)真空度不穩(wěn)定，不能保證汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運行，尤其在低負(fù)荷運行時，閥門的節(jié)流損耗大，泵的運行效率也很低，節(jié)能空間大。
4.凝結(jié)水泵 調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)：
一般一臺機(jī)組設(shè)計二臺110％容量的凝結(jié)水泵，一臺運行，一臺備用；大機(jī)組采用三臺泵，二臺運行，一臺備用，每臺泵的出力均為55％額定容量，目前存在的問題是：由于凝結(jié)水泵定速運行，靠出口調(diào)節(jié)門的節(jié)流控制，節(jié)流量大。
3.3電廠調(diào)峰問題
調(diào)峰原則:
⑴.調(diào)峰電源主要以常規(guī)大型火電機(jī)組為主，抽水蓄能、水電站等為輔。在供熱期間，網(wǎng)內(nèi)供熱機(jī)組肩負(fù)供熱任務(wù)．一般不參與調(diào)峰或調(diào)節(jié)能力下降為30%。自備電廠主要為滿足企業(yè)負(fù)荷供電，一般不參與調(diào)峰.
⑵.在不投油的工況下，300ＭＷ、330ＭＷ及600ＭＷ常規(guī)大型火電機(jī)組的正?？烧{(diào)出力系數(shù)（指機(jī)組可調(diào)節(jié)范圍占裝機(jī)容量的百分比）為60％，100~200ＭＷ火電機(jī)組的正常可調(diào)出力系數(shù)為40%-50%。
⑶.發(fā)電日最小負(fù)荷率一般為70%~80%，電網(wǎng)供電負(fù)荷峰谷差經(jīng)驗值為20%左右．
⑷.電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用容量一般取系統(tǒng)最大負(fù)荷的3%~5%。

調(diào)峰現(xiàn)狀:
    目前電網(wǎng)為了吸納更多的風(fēng)電,很多火電機(jī)組處于熱備用狀態(tài)或者低負(fù)荷狀態(tài)運行(40%~60%)，運行效率很低；同時調(diào)峰使得輔機(jī)大幅度調(diào)節(jié),輔機(jī)跟隨主機(jī)調(diào)節(jié)線性差。因此,輔機(jī)設(shè)備具有很大的節(jié)能空間。
譬如在低負(fù)荷狀態(tài)運行時，當(dāng)機(jī)組的給水泵全部為電動而又無變速調(diào)節(jié)功能時,給水壓力損失很大；循環(huán)水泵也是如此，低負(fù)荷不需要那么大的冷卻水量，浪費嚴(yán)重；凝結(jié)水泵通過出口門和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大且調(diào)節(jié)線性差；鍋爐輔機(jī)送風(fēng)和引風(fēng)機(jī)需要通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度來減少流量，風(fēng)門線形差,節(jié)流損失嚴(yán)重。
4.變頻調(diào)速改造措施確定
通過以上設(shè)計問題（裕度）、技術(shù)問題（調(diào)節(jié)手段落后）和電廠在調(diào)峰（輔機(jī)調(diào)節(jié)線性差）中三個問題分析，得知，改進(jìn)輔機(jī)風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)水泵的效率，降低風(fēng)機(jī)水泵耗電量的最有效途徑。
節(jié)流調(diào)整是改變系統(tǒng)的阻力特性，而變速調(diào)整是改變揚程與流量間的特性。二者都可以實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)要求的調(diào)節(jié)，但耗能不一。下面就幾種調(diào)節(jié)方式（風(fēng)門調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)差裝置調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速，電磁耦合調(diào)速，液力耦合調(diào)速，可控硅串級調(diào)速，變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速，變頻裝置調(diào)速）以離心機(jī)風(fēng)機(jī)為例研究調(diào)節(jié)性能。
按照流體機(jī)械的相似定律，風(fēng)機(jī)、水泵的流量Q、壓頭（揚程）H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間有如下比例關(guān)系：Q1 /Q2=n1/n2; H1/H2=（ n1/n2）2 ; P1/P2=（ n1/n2）3 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1示出了離心式風(fēng)機(jī)不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較，圖2示出了采用風(fēng)門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)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)門調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30％以上。通過圖1 離心式不同調(diào)節(jié)方式耗電特性比較中可以看出：變頻調(diào)節(jié)方式為節(jié)能最好的方式。同時，變頻調(diào)速比其他調(diào)速在可靠性高、功率因素高、對電網(wǎng)影響小、維護(hù)性好、節(jié)能效益好、回收期短方面給具有絕對的優(yōu)勢，因此，變頻調(diào)速是調(diào)速的最佳調(diào)節(jié)方式。
5.變頻節(jié)能分析
5.1.異步電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)水泵定速運行時的機(jī)械特性
研究異步電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)水泵定速運行時的機(jī)械特性可以清楚地了解他們浪費能源的機(jī)理，并為確定節(jié)能方案。圖3給出了某水泵的特性曲線。
一般風(fēng)機(jī)與水泵的特性曲線是指流量為變量，其他一些參數(shù)與這一變量的關(guān)系，一般包括：揚程或氣壓升與流量的關(guān)系  H = f( Q ) 或 Δp = f( Q ) ，軸功率與流量的關(guān)系  P = f( Q )，效率與流量的關(guān)系    η = f( Q )  等。
                   圖3 水泵的機(jī)械特性曲線
對泵或風(fēng)機(jī)出口而言，當(dāng)把它們接入系統(tǒng)，于是由系統(tǒng)阻力與機(jī)械的特性共同決定機(jī)械的工作點。管道系統(tǒng)對于流體的阻力一般是一條與流量的平方成比例的二次曲線，其常數(shù)項為服務(wù)點壓力。形式是：
Z = a + b Q²
如服務(wù)點的壓力為20m，可在圖1上劃出某工況下出口門大開時的系統(tǒng)阻力曲線Z0(見圖2)，此時泵的工作點為2。但如果由于泵的選型問題運行最大流量僅130 m³/h，當(dāng)需要的水量為130 m³/h，服務(wù)點壓頭為20m時 ，泵出口壓力為140m，這時要求系統(tǒng)阻力曲線應(yīng)為Z，工作點在1，但系統(tǒng)中，泵出口調(diào)節(jié)門全開時，其阻力曲線僅為Z0，工作點在2，流量要達(dá)到180 m³/h。為此系統(tǒng)要通過關(guān)小泵的出口調(diào)整門，節(jié)流水量，直到流量等于130 m³/h。工作點2到工作點1引起的揚程差ΔH1消耗在泵出口調(diào)門上，形成能量的浪費。
如果泵的揚程特性曲線能從a變成b，泵就可以在全開出口調(diào)整門的情況下，按阻力曲線Z0運行，則是工作點為3。同樣的流量，但揚程大大減小ΔH2，泵的軸功率也將大大下降，從而實現(xiàn)節(jié)能。泵的揚程特性曲線能從a變成b，可以通過改變其轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。
從以上分析可以看出，變速調(diào)節(jié)法節(jié)省的功率由二部分組成：一是因不存在閥門節(jié)流損失而少消耗的功率；二是與節(jié)流調(diào)節(jié)法相比，使泵內(nèi)少消耗的功率。圖1中1和3兩工作點的揚程差由兩部分組成，一部分是消耗在泵出口調(diào)門上的ΔH1，形成能量的浪費；一是另一部分揚程ΔH2的減少，體現(xiàn)了泵本身效率的提高。因此，提高節(jié)電效果的有效途徑可以把定速改用變速調(diào)節(jié)。
5.2風(fēng)機(jī)和水泵變頻調(diào)速節(jié)能的分析與預(yù)測
對于原定速運行的風(fēng)機(jī)和水泵改為調(diào)速運行后到底可以節(jié)能多少，可以通過已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測。
5.2.1. 變頻調(diào)速節(jié)能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
原定速運行的風(fēng)機(jī)和水泵改為調(diào)速運行后到底可以節(jié)能多少與以下情況有關(guān)：
1.原設(shè)備選型:電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵。
2.原設(shè)備設(shè)計容量與系統(tǒng)運行后的實際最大負(fù)荷
3.變負(fù)荷運行的幅度及各種變負(fù)荷工控的運行時間
4.調(diào)速設(shè)備及系統(tǒng)的效率
5.風(fēng)機(jī)和水泵的服務(wù)點壓力與設(shè)備實際揚程或壓力差
以上這些條件基本可以確定其節(jié)能潛力，節(jié)能效果上與選用調(diào)速設(shè)備或裝置有關(guān)，我們選取效果最好的變頻節(jié)能進(jìn)行分析研究。
5.2.2. 變頻調(diào)速節(jié)能基礎(chǔ)公式
1.流量、壓力、軸功率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系
用文字表述為：流量與轉(zhuǎn)速成正比、壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比、軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
 Q1/Q2 = n1/n2
 H1/H2 = (n1/n2)2
 N1/N2 = (n1/n2)3

根據(jù)流體機(jī)械的相似規(guī)律，以上三種比例關(guān)系作為分析變頻調(diào)速是流量Q，壓頭（揚程）H，軸功率P的基礎(chǔ)。
 2. 風(fēng)機(jī)軸功率
軸功率  由原動機(jī)或傳動裝置傳到風(fēng)機(jī)軸上的功率，稱為水泵的軸功率，用P表示，單位為kW。
                      P=QP/λ1λ2
     式中：Q---風(fēng)機(jī)風(fēng)量 （ m3/s ）；
      p---風(fēng)機(jī)全壓  ( kPa )；
      λ1－變頻效率；96%
      λ2－傳動效率；60~80%
3. 水泵軸功率計算
水泵軸功率為水泵工作時所需要的驅(qū)動機(jī)械功率，即原動機(jī)（電機(jī)）的輸出功率，計算消耗電功率時還要考慮電機(jī)的效率。
水泵軸功率的計算公式為：
Pa=ρgQH×10³/η
式中：
Pa——泵的軸功率，kW
Q——流量，（m3/s）；
H——揚程，m
ρ——水的密度，1000kg/m3
g——重力加速度，9.8m/s2
η——泵效率。（50%~80%）
4. 電機(jī)效率和功率
ηN  = PN/（1.732IN UN COSΦN）    ηN ：93-96%
P=1.732I U COSΦηN
5.2.3.風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能計算方法
風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能效果計算比較簡單，由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般不存在反壓，所以風(fēng)機(jī)調(diào)速運行時消耗的電功率可以直接用比例定律求得。
關(guān)鍵的是要根據(jù)風(fēng)門開度數(shù)據(jù)測算出準(zhǔn)確的風(fēng)量數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確算出節(jié)電率來。
最準(zhǔn)確的是根據(jù)各種工況下的風(fēng)量、風(fēng)壓和電動機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計算；
其次是根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性曲線以及風(fēng)門開度和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，風(fēng)門開度決定節(jié)電率，而電動機(jī)電流的大小則決定節(jié)電量；
最后就只能根據(jù)風(fēng)門開度數(shù)據(jù)用查表法和函數(shù)逼近法算出風(fēng)量來，然后根據(jù)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比進(jìn)行計算了。工程實踐應(yīng)用中最后的方法比較常見，由風(fēng)門開度查出風(fēng)量,如圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時的風(fēng)門開度與風(fēng)量的關(guān)系曲線
工程實踐應(yīng)用中，有一種計算方法算出的風(fēng)門全開時的風(fēng)機(jī)軸功率較為準(zhǔn)確，即根據(jù)某一風(fēng)門開度時的電動機(jī)運行功率來反推風(fēng)門全開時的風(fēng)機(jī)運行功率（包括電動機(jī)的損耗）。根據(jù)圖1離心式風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下不同調(diào)節(jié)方式的軸功率，例如入口風(fēng)門70%流量時，功率百分比值大約在65%（表示流量70%消耗的功率約占風(fēng)門全開時功率的65%）。詳見案例分析1。
圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時的風(fēng)門開度與風(fēng)量的關(guān)系曲線
計算基本步驟：
1.計算工頻運行時的消耗功率Pd=1.732I U COSΦηN
2.確定流量比：Q1/Q2 = n1/n2 =（H1/H2 ）1/2  
通過風(fēng)門開度k%，查圖4，確定對應(yīng)的流量比Q%，在根據(jù)流量百分比，對應(yīng)圖1確定 此流量百分比下，對應(yīng)的全功率百分比P%。
3.計算變頻運行時的消耗功率Pb=Pd /P% *K%3/0.96 (變頻效率)                      
4.節(jié)約功率△P =Pd –Pb
△P 乘上運行時間（小時）即為節(jié)約電度數(shù)。
5.節(jié)電率：
          △%= （Pd–Pb）/ Pd*100%
    5.2.4.水泵變頻調(diào)速節(jié)能效計算
方法：相似拋物線的求法
水泵與風(fēng)機(jī)不同，由于靜揚程的存在，阻力曲線不是相似曲線，因此圖5某鍋爐給水泵的性能曲線相似拋物線的求法中轉(zhuǎn)速變化前后的運行工況點M與M＇不是相似工況點，故其流量、揚程（或全壓）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得，但是可以在額定轉(zhuǎn)速時的H-Q 曲線上找出M＇的相似工況點A，得出A對應(yīng)的流量，以便求出M＇的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)管路性能曲線的靜揚程（或靜壓）等于零時，即HST=0（或PST=0）時，管路性能曲線是一條通過坐標(biāo)原點的二次拋物線，它與過M點的變轉(zhuǎn)速時的相擬拋物線重合，因此，M與M＇又都是相似工況點（比如風(fēng)機(jī)），故可用比例定律直接由M點的參數(shù)求出M＇點的參數(shù)。
 
圖5   某鍋爐給水泵的性能曲線相似拋物線的求法
6．變頻應(yīng)用案例：
6.1 設(shè)計問題和技術(shù)問題
案例分析一：某電廠440T循環(huán)流化床鍋爐  一次風(fēng)機(jī)變頻改造
1.改造改造前運行工況：
某電廠440T循環(huán)流化床鍋爐,改造前一次風(fēng)機(jī)與電機(jī)直接連接，采用入口擋板門調(diào)節(jié)風(fēng)量，開度43%，出口風(fēng)壓13KPa左右，爐膛風(fēng)室風(fēng)壓12.5 KPa左右，總一次風(fēng)量在16～18萬m³/h，電機(jī)電流均在130A左右。型號：YKK560-4，額定功率 1400kW，額定電壓 6kV ，額定電流 156.1 A額定轉(zhuǎn)速 1485 轉(zhuǎn)/分 功率因數(shù)：0.85
2.節(jié)能分析：
定速下功率：
一次風(fēng)機(jī)在運行電流均為130A，電動機(jī)的功率為：
Pd = 1.732×6000×130×0.8= 1081 kW；
變頻下功率：
    確定變頻下的功率，關(guān)鍵是確定變頻時流量能滿足要求，根據(jù)定速下入口擋板門開度43%時的風(fēng)量，由圖4離心式風(fēng)機(jī)使用不同的逼近方法時的風(fēng)門開度與風(fēng)量的關(guān)系曲線，入口擋板開度在43%時的流量約在73%，由圖3離心式風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下不同調(diào)節(jié)方式的軸功率，可查得此時的電動機(jī)功率為全風(fēng)量功率的68％
 所以：
n2/n1= Q2/Q1= 73%
 當(dāng)風(fēng)機(jī)在73％轉(zhuǎn)速運行時，其消耗的電功率為：
Pb = 1081/68%×0.733 /0.96=644kW，
變頻器效率:0.96
節(jié)省電功率:  ΔP = Pd－Pb = 1081–644 = 437 kW
節(jié)電率為 :   ΔP / Pd  = 437/1081 =40%
工程處理：ΔP / Pd*（1-10%）=40%*90%=36%（節(jié)電效果顯著）
3.變頻改造后效果:
一次風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻改造前后節(jié)能數(shù)據(jù)表一
負(fù)荷（MW） 風(fēng)機(jī)電流(A) 風(fēng)室壓力(kPa) 轉(zhuǎn)速 節(jié)電率% 平均節(jié)電率%
 改前 改后 改前 改后 改前 改后  
100-110 128 50 12.3 10.6 1485 1054 61 60
110-135 131 52.6 12.5 10.8  1069 60 
4.誤差分析：
計算流量在73%是的轉(zhuǎn)速：1485*73%=1084轉(zhuǎn)/分鐘。
從下面運數(shù)據(jù)中實際運行轉(zhuǎn)速為：1054轉(zhuǎn)/分鐘和1069轉(zhuǎn)/分鐘，平均值為（1069+1054）/2=1062
誤差：(1084-1062）/1084=2%
誤差2%非常小，說明變頻節(jié)能利用入口開度差曲線計算流量，與實際運行的流量差不多相同，驗證了理論計算和工程實際一致性，充分說明風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電效果顯著（節(jié)電率能達(dá)到36%），風(fēng)門調(diào)節(jié)損耗很大。
平均節(jié)電率(60%)與計算的節(jié)電率(36%)存在誤差（24%）較大，主要原因可能是電流表讀數(shù)誤差，變頻器的實際電流較小。

案例分析二： 某電廠循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造：
1.設(shè)備參數(shù)：
循環(huán)泵：64LKXA-20             額定流量：Qe：19726m3/h (5480l/s)
額定揚程：He：20m             額定轉(zhuǎn)速：425rps
電動機(jī)：YKSL1600－14/1730-1   額定功率；1600kW
額定電壓：6000V               額定電流：203.3A
額定轉(zhuǎn)速：425rps              工頻運行電流：154A
額定效率： 95％               功率因數(shù)： 0.85
2.循環(huán)水泵運行特性：
由于隨著機(jī)組負(fù)荷和氣溫的變化，為了保證汽輪機(jī)的效率，需要保證凝汽器真空度的穩(wěn)定，隨著發(fā)電負(fù)荷的變化以及晝夜季節(jié)氣溫的變化，為了保證凝汽器真空度的穩(wěn)定，要求循環(huán)水流量大幅度變化，顯然用出口閥門來調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量是達(dá)不到凝汽器真空度穩(wěn)定的目的的，只有采用變頻調(diào)速才能實現(xiàn)動態(tài)快速調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量達(dá)到穩(wěn)定凝汽器真空度的目的。

圖6   水泵在不同工作點的變頻調(diào)速相似拋物線
  3. 相似拋物線分析：
圖6所示為循環(huán)水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理圖，從圖中可以得出：水泵的額定工況點為“A”， 循環(huán)水泵系統(tǒng)的靜揚程 Hst=10.3m，（水泵的關(guān)死點揚程約為30米，靜揚程占30%左右），80％流量工況點為A1，70％流量工況點為A2，60％流量工況點為A3，對應(yīng)的相似工況點分別為：
A1’(18800 m3/h，22.5m)    相應(yīng)的轉(zhuǎn)速則分別為：n1=16000/18800=85％n0
A2’(17600 m3/h，23.4m)                         n2=14000/17600=79.5％n0
A3’(16200 m3/h，25.2m)                         n3=12000/16200=74％n0。
消耗的電功率分別為：
P1 = Pz×0.853/0.96/0.9= 974 kW，
P2 = Pz×0.7953/0.96/0.9 = 797 kW，
P3 = Pz×0.743 /0.96/0.9 = 643 kW.
變頻效率：0.96，電機(jī)效率：0.9
這里額定軸功率  Pz = 5480l/s×200kPa/0.8 = 1370 kW；
電動機(jī)工頻運行功率  Pd = 1.732×6000×154×0.85=1360kW。
節(jié)電率分別為： 25.1％，38.7％ 和 50.6％。
由于需要的循環(huán)水流量隨著機(jī)組負(fù)荷和季節(jié)氣溫的變化而變化，而隨著循環(huán)水流量的增加，節(jié)電率將減少。因此，實際的節(jié)電效果，要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷曲線和晝夜季節(jié)氣溫的變化曲線計算得出。

 案例三：某電廠330MW機(jī)組  凝結(jié)水泵變頻改造
1.設(shè)備參數(shù)：
配兩臺B640-5型凝結(jié)水泵，額定流量735m3/h，揚程293m，泵效率81%，軸功率724kW，轉(zhuǎn)速1489r/min；
配套電動機(jī)型號YLST500-4,電壓6kV,電流115.6A,功率1000kW, 功率因數(shù)0.89，轉(zhuǎn)速1489r/min. 效率 90%。
2. 凝結(jié)水泵變頻器改造前后節(jié)能數(shù)據(jù) 表二
負(fù)荷率 單位 60% 70% 80% 90% 100%
凝結(jié)水泵電機(jī)電流 A 76.8 78.7 80.7 85.1 86.5
凝結(jié)水調(diào)節(jié)門開度 % 22.9 23.6 26.4 34.6 40
凝結(jié)水泵出口母管壓力 MPa 3.07 3.02 2.92 2.68 2.6
凝結(jié)水流量 t/h 513 538.5 626 727 825
凝結(jié)水調(diào)節(jié)門后壓力 MPa 0.61 0.71 0.79 0.9 1.0
母管和調(diào)節(jié)閥后壓差 MPa 2.46 2.31 2.13 1.78 1.6
2010年工作時間 h 1200 200 667 715 5800
工頻能耗 kW 710 728 746 787 800
變頻能耗 kW 352.4 370 430 500 566.7
節(jié)電率 % 50 49 42 36 29