发电厂低加疏水泵变频改造策划书.docx

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发电厂低加疏水泵变频改造策划书

XXXX发电厂

低加疏水泵变频改造可行性研究报告

编撰单位：

XXXX发电厂设备部

编撰时间：

目录

一、前言3

二、项目提出的背景及改造的必要性：

3

三、方案论证：

4

四、项目规模和主要内容：

5

五、实施条件：

6

六、投资估算表及设备、材料明细表：

6

七、经济效益分析：

6

八、评价结论：

8

九、项目单位上报意见：

9

一、前言

（一）项目名称：

#1、#2机低加疏水泵变频改造可行性研究报告

（二）项目性质：

技术改造

（三）可研编制人：

（四）项目负责部门：

（五）项目负责人：

（六）承担可行性研究的单位：

二、项目提出的背景及改造的必要性：

（一）项目提出的背景：

众所周知能源问题已经成为世界各国共同关注的问题在我国这一现象更加凸显。

由于我国粗放型经济增长方式又处在消费结构升级加快的历史阶段火力发电机组超速发展，煤炭消耗过大因此节能降耗将是一项长远而艰巨的任务。

根据美国及我国电力行业调查统计表明我国平均供电煤耗率要比发达国家高出30~60g/kWh，据有关资料报导，我国风机、水泵、空气压缩机总量约4200万台，装机容量约1.1亿千瓦。

但系统实际运行效率仅为30～40%，其损耗电能占总发电量的38%以上。

这是由于许多风机、水泵的拖动电机处于恒速运转状态，而生产中的风、水流量要求处于变工况运行；还有许多企业在进行系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不合理，往往是“大马拉小车”，造成大量的能源浪费。

说明我国的电厂节能有很大的节能潜力可以挖掘。

因此电站热力系统节能是关系到节能全局以及可持续性发展的大事。

因此在热力系的环境下揭示各种节能理论内在的联系深入地研究和发展节能要的理论和现实意义对电厂的节能降耗工作具有很强的指导性。

1、水泵变频调速运行的节能原理

　　图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。

这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。

　　图2为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。

如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）′,运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。

　　根据离心泵的特性曲线公式：

　　N＝RQH／102η

　　式中：

N——水泵使用工况轴功率（kw）

　　Q——使用工况点的流量（ｍ3／ｓ）；

　　H——使用工况点的扬程（ｍ）；

　　R——输出介质单位体积重量（kg／ｍ3）；

　　η——使用工况点的泵效率（%）。

　　可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：

　　Nb＝RＱ2Ｈb／１０２η

　　Nc＝RＱ2Ｈc／１０２η

　　两者之差为：

ΔN＝Nc—Nb=R×Ｑ2×（Ｈb－Ｈc）／１０２η

　　也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。

而用转速控制时，由于流量Ｑ与转速n的一次方成正比；扬程Ｈ与转速n的平方成正比；轴功率Ｐ与转速n的立方成正比，即功率与转速n成３次方的关系下降。

如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果，这就是水泵调速节能原理。

　2、变频调速的基本原理

　　变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：

　　n＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ

　　式中：

ｆ——水泵电机的电源频率（Ｈｚ）；

　　ｐ——电机的极对数；

　　由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率ｆ，就可以平滑地改变电动机的同步转速。

电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。

这就是水泵变频调速的节能作用。

3、水泵变频调速控制系统的设计

目前，国内在水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的.系统主要由四部分组成：

（1）控制对象

（2）变频调速器（3）压力测量变送器（ＰＴ）（4）调节器（ＰＩＤ）.　　系统的控制过程为：

由压力测量变送器将水管出口压力测出，并转换成与之相对应的４～２０ｍＡ标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。

其偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频调速器，从而使变频器将输入为３８０Ｖ／５０Ｈｚ的交流电变成输出为０～３８０Ｖ／０～４００Ｈｚ连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

4、液力耦合器的调速原理和主要特性参数

4.1液力耦合器的工作原理和主要特性参数

4.1.1液力耦合器的工作原理

液力耦合器是一种以液体（多数为油）为工作介质、利用液体动能传递能量的一种叶片式传动机械。

按应用场合不同可分为普通型（标准型或离合型）、限矩型（安全型）、牵引型和调速型四类。

用于风机水泵调速节能的为调速型，这里讨论的仅限于调速型。

调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成，泵轮和涡轮均为具有径向叶轮的工作轮，泵轮与主动轴固定连接，涡轮与从动轴固定连接；主动轴与电动机连接，而从动轴则与风机或水泵连接。

泵轮与涡轮之间无固体的部件联系，为相对布置，两者的端面之间保持一定的间隙。

由泵轮的内腔P和涡轮的内腔T共同形成的圆环状的空腔称为工作腔。

若在工作腔内充以油等工作介质，则当主动轴带着泵轮高速旋转时，泵轮上的叶片将驱动工作油高速旋转，对工作油做功，使油获得能量（旋转动能）。

同时高速旋转的工作油在惯性离心力的作用下，被甩向泵轮的外圆周侧，并流入涡轮的径向进口流道，其高速旋转的旋转动能将推动涡轮作旋转运动，对涡轮做功，将工作油的旋转动能转化为涡轮的旋转动能。

工作油对涡轮做功后，能量减少，流出涡轮后再流入泵轮的径向进口流道，在泵轮中重新获得能量。

如此周而复始的重复，形成了工作油在泵轮和涡轮中的循环流动。

在这个过程中，泵轮驱动工作油旋转时就把原动机的机械能转化为工作油的动能和压力势能，这个原理与叶片式泵的叶轮相同，故称此轮为泵轮；而工作油在进入涡轮后由其所携带的动能和压力势能在推动涡轮旋转时对涡轮做功，又转化为涡轮输出轴上的机械能，这个原理与水轮机叶轮的作用相同，故称此轮为涡轮。

涡轮的输出轴又与风机或水泵相联接，因此输出轴又把机械能传给风机或水泵，驱动风机水泵旋转。

这样就实现了电动机轴功率的柔性传递。

只要改变工作腔内工作油的充满度，亦即改变循环圆内的循环油量，就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的情况下对风机或水泵的无级变速。

工作油油量的变化是通过一根可移动的勺管（导流管）位置的改变而实现的：

勺管可以把其管口以下的循环油抽走，当勺管往上推移时，在旋转外套中的油将被抽吸，使工作腔内的工作油量减少，涡轮减速，从而使风机或水泵减速；反之，当勺管往下推移时，风机或水泵将升速。

4.1.2液力耦合器的主要特性参数

表示液力耦合器性能的特性参数主要有转矩M、转速比i、转差率S、转矩系数λ、和调速效率ηv等。

（1）转矩M

当忽略液力耦合器的轴承及鼓风损失时，其输入转矩M1等于传递给泵轮的转矩MB，即M1=MB。

其输出转矩M2与涡轮的阻力矩大小相等，方向相反，即M2=-MT。

若忽略工作液体的容积损失等，则由动量矩定律及作用力与反作用力定律可以证明MB=-MT，因此有M1=M2。

着就是说，液力耦合器不能改变其所传递的力矩，其输出力矩M2等于其输入力矩M1。

（2）转速比i

液力耦合器运行时其涡轮转速nT与泵轮转速nB之比，称为液力耦合器的转速比i，即：

i=nT/nB

液力耦合器在正常工作时，其转速比i必然小于1。

因为若i=1，就意味着泵轮与涡轮之间不存在转速差，两者同步转动，而当泵轮与涡轮同步转动时，工作油的旋转动能是不能对涡轮作功的，也就不能传递功率。

液力耦合器在设计工况点的转速比in是表示液力耦合器性能的一个重要指标，in表示涡轮转速为最大值时的转速比，通常in＝0.97～0.98。

从液力耦合器的调速效率特性可知，in表示了液力耦合器调速效率的最高值。

液力耦合器在工作时，其转速比一般在0.4～0.98之内，当其小于0.4时，由于转速比小，工作腔内充油量少，工作油升温很快，工作腔内气体量大，这时工作中常会出现不稳定状况。

（3）转差率S

液力耦合器工作时，其泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数，称为转差率，即：

（2－1）

液力耦合器的转差率除表示相对转速差的大小外，还表示在液力耦合器中功率的传动损失率。

由液力耦合器的输入、输出力矩相等，即M1=M2，可得：

（2－2）

即：

（2－3）

（4）转矩系数λ

转矩系数λ是液力耦合器得一个重要技术指标，它表示液力耦合器通流部分的完善程度。

转矩系数λ越大，表示液力耦合器得动力储存也越大，亦即其传递功率和转矩得能力越大。

转矩系数λ的值主要是由液力耦合器工作腔的几何尺寸及形状、以及工作腔流道表面的粗糙度等因素所决定的。

对于已确定工作腔尺寸和形状的液力耦合器，转矩系数λ仅随转速比而变，即λ＝f（i），在额定工况点的转速比in时，液力耦合器的转矩系数λ值约为（0.8～2.0）×10－6min2/m，GB5837-86规定，调速型液力耦合器的转矩系数值因满足

min2/m。

（5）调速效率ην（液力耦合器效率）

液力耦合器的调速效率又称为传动效率。

它等于液力耦合器的输出功率P2与输入功率P1之比，因为MB=-MT，故有：

即：

（

）（2－4）

在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比。

当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。

4.2液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果

4.2.1液力耦合器在风机水泵调速中的功率损耗

由上可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，所以液力耦合器属低效调速装置。

液力耦合器在带动恒转矩负载调速工作时，转速比越小，其调速效率越低，转差功率损耗也越大；但是在带动叶片式风机水泵类平方转矩负载调速工作时，情况就不是这样了。

这是因为叶片式风机水泵的轴功率与转速的三次方成正比，这时液力耦合器所传递的功率也迅速减小，转差功率损耗

也就是一个很小的量了。

当风机与水泵由液力耦合器驱动调速工作时，风机或水泵的输入轴与液力耦合器的从动轴相连接，故风机水泵的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n=nT,

而其轴功率P等于涡轮轴传递的功率，即P=PT。

根据叶片式风机水泵的比

例定律可知，风机水泵的轴功率P与其转速的三次方成正比，即

。

当液力耦合器在最大转速比

时，

两式相除得：

（2－5）

或改写成：

（2－6）

即：

………

（2－7）

因为

，即

代入式（2－7）得：

（2－8）

由式（2－7）和式（2－8）可求出液力耦合器得转差功率损失

与转速比的关系为：

（2－9）

为求出最大转差功率损耗时的转速比，可将式（2－9）的

对i求导数，再令导数为零，求出其极值点，即可求出其极大值或极小值：

得出取得极大值得极值点为i=2/3=0.667。

把极大值代入式（2－9）可求出液力耦合器的最大转差功率损耗

为：

（2－10）

注意：

式（2－10）中的

为

时液力耦合器涡轮所传递的功率，等于风机或水泵再最高转速时的轴功率。

亦可用相应的液力耦合器泵轮传递的功率

（等于风机或水泵最高转速时电动机的输出功率）表示，由

得：

（2－11）

通常，液力耦合器的in=0.97～0.98,代入式（2－100及式（2－11）得：

＝（0.157～0.162）PTn=（0.154～0.157）PBn（2-12）

以上通过理论分析，导出了液力耦合器的涡轮传递功率PT、泵轮传递功率PB、以及转差功率损失

的计算公式；证明了液力耦合器的最低转差功率损失

发生再转速比i=2/3处。

而不是转速越低，

越大。

由以上推导的公式可以作出叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线，如图18所示。

图19.叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线

从图中可以直观地看出：

随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率

＝PB-PT，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率PB和涡轮所传递的功率PT都变得很小时，转差损失功率

也是一个很小的量了。

4.2.2液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果

例4－1：

下面通过一个具体的例子来说明叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速，即使工作在低转速比时，尽管其调速效率很低，但与节流调节相比，也还具有显著的节能效果。

图20某离心式通风机的性能曲线

图20所示为某离心式通风机的性能曲线，设此风机系统在未经节流调节和液力耦合器调节时，管路性能曲线经过最高效率点，即Q=190×103m3/h，p=280×9.81Pa；由于管路静压pst=0，管路性能曲线经过坐标原点，故此管路性能曲线与经过最高效率点的相似抛物线相重合（因为它们都是经过坐标原点和最佳工况点的二次抛物线）。

下面分析比较将流量调节到风机额定流量的50％时，即95×103m3/h时，采用节流调节和液力耦合器调节时各自所需的原动机功率。

先看节流调节，从图20可直接读出：

当Q=190×103m3/h时，风机的轴功率为158kW，当通过节流调节使Q=95×103m3/h时，风机的轴功率为115kW。

而通过液力耦合器调速时，水泵的性能曲线要发生变化，但管路性能曲线不变，故变速前后的运行工况点均位于管路性能曲线上，而管路性能曲线上的各点又都是相似工况点，相互之间的参数关系遵守比例定律：

;

;

故当流量下降到额定值的50％时，转速应下降到额定转速的50％，降速后风机所需的轴功率为：

若再考虑到液力耦合器的损耗功率，则得实际所需的原动机功率。

由式（2－4）可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，当转速比i=0.5时，调速效率也等于0.5，这就意味着从液力耦合器输入的功率只有一半为有效功率，而另一半则要损耗掉！

因此，原动机的输出功率应为19.75+19.75=39.5kW。

可见，当把风量调节到额定风量的50％时，尽管在液力耦合器中要产生较大的损耗，但它较之节流调节来说，所损耗的原动机功率仍然要少得多，比节流调节少消耗115-39.5=75.5kW，其节约的功率还是相当可观的，节电率达65.7%。

当然，这只是粗略的计算，实际上液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损失和容积损失也要消耗一定的功率（一般为额定传动功率的3％～4％），故实际节约的功率比上述计算结果要少一些，约在70kW左右，节电率约为60%。

例4－2：

某锅炉给水泵的性能曲线如图6所示，其在额定转速下运行时的运行工况点为M，相应的Q.M=380m3/h。

现欲通过变速调节，使新运行工况点M＇的流量减为190m3/h ，试问其转速应为多少？

（额定转速为2950r/min）

变速调节时管路性能曲线不变，而泵的运行工况点必在管路性能曲线上，故M＇点可由QM’=190m3/h处向上作垂直线与管路性能曲线相交得出（见图6），由图可读出M＇点的扬程HM1=1670m。

M/与M不是相似工况点，需在额定转速时的H-Q曲线上找出M＇的相似工况点A，以便求出M＇的转速。

过M/点作相似抛物线，由相似定律可推得:

为把相似抛物线作到图4上，上式（H=0.046Q2）中H与Q的关系列表如下：

Q（m3/h）

0

100

200

220

240

H（m）

0

460

1840

2226

2650

把列表中数值作到图4上，此过M＇点的相似抛物线与额定转速下H-Q相交于A点。

由图可读出QA=227m3/h，HA=2360m，故得:

（r/min）

或

（r/min）

上述两式得出的结果略有不同是因作图及读数误差引起的。

从计算结果知，此泵装置因管路静扬程Hst很高，故当流量减少到原流量的50%时，其转速只降到原转速的2469/2950=83.7%，而不是50%。

若锅炉给水泵电动机的额定功率为2300kW，节流调节到50％流量时的实际消耗功率为2000kW，试计算采用液力耦合器调速的节能效果。

由以上的计算可知，当转速下降到2469r/min，即额定转速的83.7%时，流量为190t/h，即额定流量的50%，压力为16.7MPa，略高于锅炉汽包压力，为了保证汽包顺利进水，转速已不能再下降了。

所以其调速范围为83.7%~100%，当水泵转速为额定转速的83.7%时，由P/P＇=（n/n＇）3，其轴功率P＇=1173kW，因为液力耦合器的调速效率等于调速比，这时液力耦合器的输入功率为1173kW/83.7%=1400kW,再加上液力耦合器本身的损耗，输入功率约为1480kW，最大节电率约为30%左右。

与上面的风机相比，同样是50％流量，节电率却相差一半。

5、水泵变频调速和液力耦合器调速对比计算

在液力耦合器调速的基础上进行变频调速节能改造，尽管在低转速时也有很高的节电率，但其最大节电量也不超过额定传送功率（Pec）的18％（发生在三分之二额定转速时）。

用变频器取代液力耦合器调速的节能计算：

一般可以认为变频器的损耗和液力耦合器的机械损失和容积损失相当，则节电率的计算可以简化为：

节电率==100％—调速比。

在采用变频器时，如果保留其液力耦合器的话，其节电率相差12～15％！

节电率==100％—调速比－（12～15％）

所以当采用变频器取代液力耦合器进行水泵节能改造时，不去掉液力耦合器是毫无意义的！

（见下例）

例4－3：

某锅炉给水泵不同调速方式的节能对比计算。

取水泵的静扬程为全扬程的60％，根据液力耦合器的调速效率等于调速比，和液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3％～4％（取3.6%），以及变频器的效率为94％～97％计算，结果列于下表。

由下表可见，由于水泵的静扬程较大（额定扬程的60％），转速比大大减小，变速调节的节能效果也大大减小：

流量百分比（％）

转速百分比（%）

变速调节理论轴功率（％）

节流调节电功率（％）

液力偶合器调节电功率（％）

液力偶合器节电率

（％）

变频调速电功率（％）

变频调速节电率（％）

两种调速节电率之差（％）

变频器相对液耦节电率（％）

100

100.

100.

100．

106

103

3.

90

95.7

87.6

98

95.5

2.55

90.6

7.55

5.

5.1

80

93.3

81.2

96

91.0

5.2

84.4

12.1

6.9

7.3

67

91.0

75.4

94

86.6

7.7

79.6

15.3

7.6

8.1

60

88.8

70.0

92

82.5

10.3

74.3

19.2

8.9

9.9

50

86.6

64.9

90

79.0

12.2

69.2

23.1

10.9

12.4

40

84.5

60.3

88

75.4

13.0

65.0

26.2

13.2

13.8

6、液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较

6.1液力耦合器调速的主要优缺点

液力耦合器用于叶片式风机水泵的变速调节时，具有以下优点：

（1）可实现无级调速。

在液力耦合器输入转速不变的情况下，可以输出无级连续变化的、且变化范围很宽的转速。

当转速变化较大时，与节流调节相比较，有显著的节能效果。

（2）可实现电动机的空载启动，降低启动电流。

因而可选用容量较小的电动机及电控设备，减少设备的投资。

（3）可隔离震动。

液力耦合器的泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩通过工作液体传递，是柔性连接。

当主动轴有周期性的震动（如扭震等）时，不会传到从动轴上，具有良好的隔震效果。

能减缓冲击负荷，延长电动机和风机水泵的机械寿命。

（4）过载保护。

由于液力耦合器是柔性传动，其泵轮和涡轮之间有转速差，故当从动轴阻力矩突然增加时，转速差增大，甚至当风机或水泵等负载机器制动时，原动机或电动机仍能继续运转而不致被烧毁，风机与水泵也可受到保护。

同时装在液力耦合器上的易熔放油塞还能及时地把流道热油自动排空，切断转矩的传递。

（5）除轴承外无其它磨损部件，故工作可靠，能长期无检修运行，寿命长。

（6）工作平稳，可以和缓地启动、加速、减速和停车。

（7）便于控制。

液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适用于各种伺服系统控制。

（8）能用于大容量风机与水泵的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。

液力耦合器的主要缺点是：

（1）和节流调节相比，增加了初投资，增加了设备安装空间。

大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套诸如冷油器等辅助设备和管路系统。

（2）由于液力耦合器的最大转速比为in=0.97～0.98，故液力耦合器输出的最大转速要比输入转速低。

因此在选择风机与水泵时，要按照液力耦合器的最大输出转速确定其容量，而不能用电动机的额定转速来确定风机与水泵的容量。

此外考虑到液力耦合器的转差损失（2％～3％）、升速齿轮损失（1.5％～3％）、机械损失和容积损失及油泵功率消耗（总计小于1％）等因素，电动机的容量亦要稍增大些。

（3）当液力耦合器的转矩一定而转速比较低时，不仅液力耦合器的体积和重量将增加，而且调速的延迟时间增大，反应变慢，当转速比小于0.4时，还会使工作不稳定，因此液力耦合器最适用于较高转速的风机水泵调速的场合。

（4）液力耦合器在运转中随着负载的变化，其输出转速也要相应的变化，所以不能保持精确的转速比，因此不适用于要求精确转速的场合。

（5）液力耦合器一旦发生故障，被拖动的负载也就不能工作。

（6）虽然液力耦合器用于风机水泵调速时具有显著的节能效果，但是由于液力耦合器的调速效率等于转速比，产生的转差损耗还是较大的，因此液力耦合器仍属低效调速装置。

6.2变频调速的主要优缺点

变频调速的主要优点是：

（1）可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速（频率）分辩率高。

（2）调速效率高。

变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。

变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。

所以变频调速是一种高效调速方式。

（3）调速范围宽，一般可达10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。

并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率ηV。

所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。

（4）功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。

或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。

（5）变频装置故障时可以退出运行，改由电网直接供电（工频旁路）。

这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。

如万一变频装置发生故障，就退出运行