1.前言随着全球气候变化影响的日益显著，推进节能减排逐渐成为国际共识。节能减排是我国落实科学发展观、保证社会可持续发展的重要举措，是建设环境友好型、资源节约型社会的必然选择。我国又提出了坚持开发与节约并举，把节约放在首位的能源发展总方针。《节能减排十二五规划》确定了电力行业十二五期间节能减排的具体指标：到2015年，火电供电煤耗325克标准煤千瓦时，较2010年降低8克标准煤千瓦时；火电厂厂用电率6.2%，较2010年降低0.13个百分点；电网综合线损率6.3%，较2010年降低0.23个百分点；火电行业二氧化硫排放量800万吨，较2010年下降16%；火电行业氮氧化物排放量750万吨，较2010年下降29%。同时十二五节能环保产业发展规划指出：到2015年，节能环保产业总产值达到4.5万亿元，节能市场潜力巨大。由此可见,火电发电厂节能减排工作势在必行。2.火电厂能源消耗现状火力发电厂发电过程是一个能量的转化过程：从化学能（煤、油、气等）转变成热能，在转化机械能，最后发出清洁的电能。从火电厂的生产工艺和特点分析，火力发电厂不仅是能源转换的企业，也是一次能源消耗大户，每年消耗的煤、石油、天然气、水和电非常大。在我国电源结构中，截至2012年底，全国发电装机容量达到114491万千瓦,其中，火电81917万千瓦（含煤电75811万千瓦、气电3827万千瓦），占全部装机容量的71.5%；水电24890万千瓦（含抽水蓄能2031万千瓦），占全部装机容量的21.7%；核电1257万千瓦，占全部装机容量的1.1%;并网风电6083万千瓦，占全部装机容量的5.3%;并网太阳能发电328万千瓦,占全部装机容量的0.4%。从以上数据可知火力发电仍然占据我国发电量的主导地位。据统计，我国工业能耗约占总能耗的70%，其中电机能耗约占工业能耗的60%~70%。其中全国火力发电厂的平均厂用电率约为4～10%，而泵与风机的耗电量占厂用电的75％左右。而火电厂的辅机设备多数是定速电动机的风机和水泵，如锅炉辅机设备有：一次风机，送风机、引风机、增压风机、排风机、磨煤机等，汽轮机辅助设备有：给水泵、循环泵、凝结泵、射水泵、供水泵等。目前来说，火力发电厂普遍存在着能耗浪费现象:1.主机辅机设备的风机水泵都是定速电机，不能调节.2.风机水泵流量靠风门或阀门调节,节流损耗大.这种定速驱动的风机和水泵，调节线性差，如果需要调节的压力或流量，只好采用流到上的阀门，泵采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量。对于采用风门挡板调节风量的风机和出口门调节流量或压头的水泵这是一个固有的不可避免的问题。这种机械的用电量中，很大一部分是因风机和水泵的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当,而被调节机构消耗掉的,因此泵和风机都存在严重的节流损耗。普遍采用挡板和阀门调节，节流能耗损失大，造成不必要的浪费。3.调峰电厂，辅机调节线性差，节流耗能损失大。调峰的电厂都共同具有的特性：主辅设备长期在低负荷条件下运行，机组综合利用效率大幅度降低；同时，需要调峰时，主辅机设备又不能满足机组快速提升到需求峰值的要求。根据调峰电厂调幅大，低负荷的特性，必须要求辅机设备满足主机组线性调节需求。但是目前火电厂辅机的调节方式多为节流阀调节，这种调节方式反应迟缓、动作慢，根本不能够满足机组迅速调峰时快速上升的线性需求；同时，由于采取节流调节，加大了通道的通流阻抗，增加电动机的用电量，浪费了电能。3.火电厂的节能空间目前火力发电厂之所以节能空间主要有三个方面：3.1设计问题1．火电设计风机裕度我国现行的《DLT5000-2000火力发电厂设计技术规程》规定：燃煤锅炉一次风机、送风机、吸风机的设计风量裕度分别为5%~35%、5%~10%、10%，风压裕度分别为10~30％、10％～20％、20%；大容量锅炉的冷却风机宜选用二台离心风机，风机的风量裕量宜为15％；风机的压头裕量宜为25％。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的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电厂锅炉送引风机的风量和风压富裕度达20％～30％是比较常见的。一般在锅炉风机容量设计时，单侧风机运行时具备带75％负荷运行的能力，这主要是从机组运行的安全性出发的；当失去一侧送引风机时，机组还能带75％的负荷运行。所以当双侧风机运行，机组带满负荷时，送引风机的设计余量在20～30％左右，风门开度一般为50～60%。节能空间很大，即使在机组满负荷运行时，也有20～30%的节电率。电厂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，锅炉一次风机、送风机、吸风机的用电量中，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有效途径。2转动机械设计电动机的余量不仅风机水泵转动机械在设计时留有相当大的余量，其配用电动机也都留有很大的余量，如某行业转动机械配用电机的导则如下：电动机容量选择电动机的容量按机械所需轴功率选择，可按下式计算：Pe≧KKiKhPz其中Pe电动机的额定功率（kw）K机械的储备系数，见表1.2.1Ki温度修正系数，见表1.2.2Kh海拔修正系数，当电动机用于海拔1000m以上时，如使用地点的温度随海拔增高而递减，并满足下式时，容量不作修正，若不满足下式要求，则每超过1℃电动机降容1%：（h-1000）Δθ100-（40-θ）＜0式中h使用地点海拔高度（m）Δθ海拔高度每升高100m电动机温升的递增值，其职位电动机额定温升的1%（℃）。θ使用地点的最高环境温度。Pz机械需要轴功率（kw）表1.2.1机械的储备系数机械性质水泵启动困难的风机较易启动的鼓风机输送粉状物质的风机可能带负载启动的运输机械储备系数1.21.261.151.31.2表1.2.2温度修正系数冷却空气温度t253035404550温度系数Kt1.11.081.051.00.950.875拟合函数Kt=-1E-06t³-0.0001t²+0.0055t+1.0598这种选型原则，节能空间大。3.2技术问题调节手段落后，造成损耗损失严重。一般情况下，风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的风机和水泵，如果需要调节服务点的压力或流量，只好采用流到上的阀门，对于泵采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，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。1.风机风门调节：在200MW及以下机组，一般采用调整入口导向叶片的角度（风门开度）的方式来调节风量，这种风门调节的截流损耗一般为30％Pe（额定容量）。在300MW及以上机组，则采用调节动、静叶片的方式来实现风量调节，这种调节方式的截流损耗也在20％Pe左右。2.给水泵阀门调节：一台200MW发电机组的电动给水泵，其电动机功率达5000ｋW，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）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，以提高汽包水位调节系统的反应速度，提高水位调节品质的需要。如此大的截流损耗，造成大量的能源浪费。中、小型热电厂锅炉给水多采用母管制给水系统，给水泵多为定速运行，锅炉汽包水位靠自动给水调节阀调节，属节流调节，存在节流损耗。一般是负荷越小母管压力越高，锅炉自动给水调节阀开度越小，其节流损耗就越大。3.循环水泵调节法门调节:循环水泵是为汽轮机组凝汽器提供冷却水的重要铺机设备，随着机组负荷和季节的变化，为了保证机组在合理的经济真空值运行，需要的冷却水量是变化的。通常冬季单台泵运行流量偏大，夏季单台泵流量不足，需要两台泵运行，而两台泵的流量又过大。目前国内中等以上容量的机组也有采用调节阀实现冷却水流量调节的，这种调节方式控制的汽轮机真空度不稳定，不能保证汽轮机的经济运行，尤其在低负荷运行时，阀门的节流损耗大，泵的运行效率也很低，节能空间大。4.凝结水泵调节阀门调节：一般一台机组设计二台110％容量的凝结水泵，一台运行，一台备用；大机组采用三台泵，二台运行，一台备用，每台泵的出力均为55％额定容量，目前存在的问题是：由于凝结水泵定速运行，靠出口调节门的节流控制，节流量大。3.3电厂调峰问题调峰原则:⑴.调峰电源主要以常规大型火电机组为主，抽水蓄能、水电站等为辅。在供热期间，网内供热机组肩负供热任务．一般不参与调峰或调节能力下降为30%。自备电厂主要为满足企业负荷供电，一般不参与调峰.⑵.在不投油的工况下，300ＭＷ、330ＭＷ及600ＭＷ常规大型火电机组的正常可调出力系数（指机组可调节范围占装机容量的百分比）为60％，100~200ＭＷ火电机组的正常可调出力系数为40%-50%。⑶.发电日最小负荷率一般为70%~80%，电网供电负荷峰谷差经验值为20%左右．⑷.电网旋转备用容量一般取系统最大负荷的3%~5%。

调峰现状:目前电网为了吸纳更多的风电,很多火电机组处于热备用状态或者低负荷状态运行(40%~60%)，运行效率很低；同时调峰使得辅机大幅度调节,辅机跟随主机调节线性差。因此,辅机设备具有很大的节能空间。譬如在低负荷状态运行时，当机组的给水泵全部为电动而又无变速调节功能时,给水压力损失很大；循环水泵也是如此，低负荷不需要那么大的冷却水量，浪费严重；凝结水泵通过出口门和调节阀调节，节流损失大且调节线性差；锅炉辅机送风和引风机需要通过调节风门的开度来减少流量，风门线形差,节流损失严重。4.变频调速改造措施确定通过以上设计问题（裕度）、技术问题（调节手段落后）和电厂在调峰（辅机调节线性差）中三个问题分析，得知，改进辅机风机和水泵的调节方式是提高风机水泵的效率，降低风机水泵耗电量的最有效途径。节流调整是改变系统的阻力特性，而变速调整是改变扬程与流量间的特性。二者都可以实现系统参数要求的调节，但耗能不一。下面就几种调节方式（风门调节，转差装置调速，电机转子串电阻调速，定子调压调速，电磁耦合调速，液力耦合调速，可控硅串级调速，变电机极对数调速，变频装置调速）以离心机风机为例研究调节性能。按照流体机械的相似定律，风机、水泵的流量Q、压头（扬程）H、轴功率P与转速n之间有如下比例关系：Q1Q2=n1n2;H1H2=（n1n2）2;P1P2=（n1n2）3离心式风机在变速调节的过程中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且风压H随流量Q成平方规律变化，则风机的效率可在一定的范围内保持最高效率不变（只有在负荷率低于80％时才略有下降）。图1示出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较，图2示出了采用风门调节和转速调节方式时，风机的效率流量曲线。由图2可知：在风机的风量由100％下降到50％时，变速调节与风门调节方式相比，风机的效率平均高出30％以上。通过图1离心式不同调节方式耗电特性比较中可以看出：变频调节方式为节能最好的方式。同时，变频调速比其他调速在可靠性高、功率因素高、对电网影响小、维护性好、节能效益好、回收期短方面给具有绝对的优势，因此，变频调速是调速的最佳调节方式。5.变频节能分析5.1.异步电动机驱动风机水泵定速运行时的机械特性研究异步电动机驱动风机水泵定速运行时的机械特性可以清楚地了解他们浪费能源的机理，并为确定节能方案。图3给出了某水泵的特性曲线。一般风机与水泵的特性曲线是指流量为变量，其他一些参数与这一变量的关系，一般包括：扬程或气压升与流量的关系H=f(Q)或Δp=f(Q)，轴功率与流量的关系P=f(Q)，效率与流量的关系η=f(Q)等。图3水泵的机械特性曲线对泵或风机出口而言，当把它们接入系统，于是由系统阻力与机械的特性共同决定机械的工作点。管道系统对于流体的阻力一般是一条与流量的平方成比例的二次曲线，其常数项为服务点压力。形式是：Z=a+bQ²如服务点的压力为20m，可在图1上划出某工况下出口门大开时的系统阻力曲线Z0(见图2)，此时泵的工作点为2。但如果由于泵的选型问题运行最大流量仅130m³h，当需要的水量为130m³h，服务点压头为20m时，泵出口压力为140m，这时要求系统阻力曲线应为Z，工作点在1，但系统中，泵出口调节门全开时，其阻力曲线仅为Z0，工作点在2，流量要达到180m³h。为此系统要通过关小泵的出口调整门，节流水量，直到流量等于130m³h。工作点2到工作点1引起的扬程差ΔH1消耗在泵出口调门上，形成能量的浪费。如果泵的扬程特性曲线能从a变成b，泵就可以在全开出口调整门的情况下，按阻力曲线Z0运行，则是工作点为3。同样的流量，但扬程大大减小ΔH2，泵的轴功率也将大大下降，从而实现节能。泵的扬程特性曲线能从a变成b，可以通过改变其转速实现。从以上分析可以看出，变速调节法节省的功率由二部分组成：一是因不存在阀门节流损失而少消耗的功率；二是与节流调节法相比，使泵内少消耗的功率。图1中1和3两工作点的扬程差由两部分组成，一部分是消耗在泵出口调门上的ΔH1，形成能量的浪费；一是另一部分扬程ΔH2的减少，体现了泵本身效率的提高。因此，提高节电效果的有效途径可以把定速改用变速调节。5.2风机和水泵变频调速节能的分析与预测对于原定速运行的风机和水泵改为调速运行后到底可以节能多少，可以通过已有的基础数据进行分析与预测。5.2.1.变频调速节能基础数据原定速运行的风机和水泵改为调速运行后到底可以节能多少与以下情况有关：1.原设备选型:电机、风机、水泵。2.原设备设计容量与系统运行后的实际最大负荷3.变负荷运行的幅度及各种变负荷工控的运行时间4.调速设备及系统的效率5.风机和水泵的服务点压力与设备实际扬程或压力差以上这些条件基本可以确定其节能潜力，节能效果上与选用调速设备或装置有关，我们选取效果最好的变频节能进行分析研究。5.2.2.变频调速节能基础公式1.流量、压力、轴功率与其转速的关系用文字表述为：流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比。Q1Q2=n1n2H1H2=(n1n2)2N1N2=(n1n2)3

根据流体机械的相似规律，以上三种比例关系作为分析变频调速是流量Q，压头（扬程）H，轴功率P的基础。2.风机轴功率轴功率由原动机或传动装置传到风机轴上的功率，称为水泵的轴功率，用P表示，单位为kW。P=QPλ1λ2式中：Q---风机风量（m3）；p---风机全压(kPa)；λ1－变频效率；96%λ2－传动效率；60~80%3.水泵轴功率计算水泵轴功率为水泵工作时所需要的驱动机械功率，即原动机（电机）的输出功率，计算消耗电功率时还要考虑电机的效率。水泵轴功率的计算公式为：Pa=ρgQH×10³η式中：Pa泵的轴功率，kWQ流量，（m3）；H扬程，mρ水的密度，1000kgm3g重力加速度，9.8m2η泵效率。（50%~80%）4.电机效率和功率ηN=PN（1.732INUNCOSΦN）ηN：93-96%P=1.732IUCOSΦηN5.2.3.风机变频调速节能计算方法风机的调速节能效果计算比较简单，由于风机系统一般不存在反压，所以风机调速运行时消耗的电功率可以直接用比例定律求得。关键的是要根据风门开度数据测算出准确的风量数据，才能准确算出节电率来。最准确的是根据各种工况下的风量、风压和电动机电流数据进行计算；其次是根据风机的特性曲线以及风门开度和电流数据进行计算，风门开度决定节电率，而电动机电流的大小则决定节电量；最后就只能根据风门开度数据用查表法和函数逼近法算出风量来，然后根据风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比进行计算了。工程实践应用中最后的方法比较常见，由风门开度查出风量,如图4离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线工程实践应用中，有一种计算方法算出的风门全开时的风机轴功率较为准确，即根据某一风门开度时的电动机运行功率来反推风门全开时的风机运行功率（包括电动机的损耗）。根据图1离心式风机不同负荷下不同调节方式的轴功率，例如入口风门70%流量时，功率百分比值大约在65%（表示流量70%消耗的功率约占风门全开时功率的65%）。详见案例分析1。图4离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线计算基本步骤：1.计算工频运行时的消耗功率Pd=1.732IUCOSΦηN2.确定流量比：Q1Q2=n1n2=（H1H2）12通过风门开度k%，查图4，确定对应的流量比Q%，在根据流量百分比，对应图1确定此流量百分比下，对应的全功率百分比P%。3.计算变频运行时的消耗功率Pb=PdP%*K%30.96(变频效率)4.节约功率△P=Pd–Pb△P乘上运行时间（小时）即为节约电度数。5.节电率：△%=（Pd–Pb）Pd*100%5.2.4.水泵变频调速节能效计算方法：相似抛物线的求法水泵与风机不同，由于静扬程的存在，阻力曲线不是相似曲线，因此图5某锅炉给水泵的性能曲线相似抛物线的求法中转速变化前后的运行工况点M与M＇不是相似工况点，故其流量、扬程（或全压）与转速的关系不符合比例定律，不能直接用比例定律求得，但是可以在额定转速时的H-Q曲线上找出M＇的相似工况点A，得出A对应的流量，以便求出M＇的转速。当管路性能曲线的静扬程（或静压）等于零时，即HST=0（或PST=0）时，管路性能曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过M点的变转速时的相拟抛物线重合，因此，M与M＇又都是相似工况点（比如风机），故可用比例定律直接由M点的参数求出M＇点的参数。图5某锅炉给水泵的性能曲线相似抛物线的求法6．变频应用案例：6.1设计问题和技术问题案例分析一：某电厂440T循环流化床锅炉一次风机变频改造1.改造改造前运行工况：某电厂440T循环流化床锅炉,改造前一次风机与电机直接连接，采用入口挡板门调节风量，开度43%，出口风压13KPa左右，炉膛风室风压12.5KPa左右，总一次风量在16～18万m³h，电机电流均在130A左右。型号：YKK560-4，额定功率1400kW，额定电压6kV，额定电流156.1A额定转速1485转分功率因数：0.852.节能分析：定速下功率：一次风机在运行电流均为130A，电动机的功率为：Pd=1.732×6000×130×0.8=1081kW；变频下功率：确定变频下的功率，关键是确定变频时流量能满足要求，根据定速下入口挡板门开度43%时的风量，由图4离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线，入口挡板开度在43%时的流量约在73%，由图3离心式风机不同负荷下不同调节方式的轴功率，可查得此时的电动机功率为全风量功率的68％所以：n2n1=Q2Q1=73%当风机在73％转速运行时，其消耗的电功率为：Pb=108168%×0.7330.96=644kW，变频器效率:0.96节省电功率:ΔP=Pd－Pb=1081–644=437kW节电率为:ΔPPd=4371081=40%工程处理：ΔPPd*（1-10%）=40%*90%=36%（节电效果显著）3.变频改造后效果:一次风机电机变频改造前后节能数据表一负荷（MW）风机电流(A)风室压力(kPa)转速节电率%平均节电率%改前改后改前改后改前改后100-1101285012.310.6148510546160110-13513152.612.510.81069604.误差分析：计算流量在73%是的转速：1485*73%=1084转分钟。从下面运数据中实际运行转速为：1054转分钟和1069转分钟，平均值为（1069+1054）2=1062误差：(1084-1062）1084=2%误差2%非常小，说明变频节能利用入口开度差曲线计算流量，与实际运行的流量差不多相同，验证了理论计算和工程实际一致性，充分说明风机变频调速节电效果显著（节电率能达到36%），风门调节损耗很大。平均节电率(60%)与计算的节电率(36%)存在误差（24%）较大，主要原因可能是电流表读数误差，变频器的实际电流较小。

案例分析二：某电厂循环水泵变频节能改造：1.设备参数：循环泵：64LKXA-20额定流量：Qe：19726m3h(5480l)额定扬程：He：20m额定转速：425rps电动机：YKSL1600－141730-1额定功率；1600kW额定电压：6000V额定电流：203.3A额定转速：425rps工频运行电流：154A额定效率：95％功率因数：0.852.循环水泵运行特性：由于随着机组负荷和气温的变化，为了保证汽轮机的效率，需要保证凝汽器真空度的稳定，随着发电负荷的变化以及昼夜季节气温的变化，为了保证凝汽器真空度的稳定，要求循环水流量大幅度变化，显然用出口阀门来调节循环水的流量是达不到凝汽器真空度稳定的目的的，只有采用变频调速才能实现动态快速调节循环水的流量达到稳定凝汽器真空度的目的。

图6水泵在不同工作点的变频调速相似抛物线3.相似抛物线分析：图6所示为循环水泵变频调速节能原理图，从图中可以得出：水泵的额定工况点为A，循环水泵系统的静扬程Hst=10.3m，（水泵的关死点扬程约为30米，静扬程占30%左右），80％流量工况点为A1，70％流量工况点为A2，60％流量工况点为A3，对应的相似工况点分别为：A1’(18800m3h，22.5m)相应的转速则分别为：n1=1600018800=85％n0A2’(17600m3h，23.4m)n2=1400017600=79.5％n0A3’(16200m3h，25.2m)n3=1200016200=74％n0。消耗的电功率分别为：P1=Pz×0.8530.960.9=974kW，P2=Pz×0.79530.960.9=797kW，P3=Pz×0.7430.960.9=643kW.变频效率：0.96，电机效率：0.9这里额定轴功率Pz=5480l×200kPa0.8=1370kW；电动机工频运行功率Pd=1.732×6000×154×0.85=1360kW。节电率分别为：25.1％，38.7％和50.6％。由于需要的循环水流量随着机组负荷和季节气温的变化而变化，而随着循环水流量的增加，节电率将减少。因此，实际的节电效果，要根据机组负荷曲线和昼夜季节气温的变化曲线计算得出。

案例三：某电厂330MW机组凝结水泵变频改造1.设备参数：配两台B640-5型凝结水泵，额定流量735m3h，扬程293m，泵效率81%，轴功率724kW，转速1489rmin；配套电动机型号YLST500-4,电压6kV,电流115.6A,功率1000kW,功率因数0.89，转速1489rmin.效率90%。2.凝结水泵变频器改造前后节能数据表二负荷率单位60%70%80%90%100%凝结水泵电机电流A76.878.780.785.186.5凝结水调节门开度%22.923.626.434.640凝结水泵出口母管压力MPa3.073.022.922.682.6凝结水流量th513538.5626727825凝结水调节门后压力MPa0.610.710.790.91.0母管和调节阀后压差MPa2.462.312.131.781.62010年工作时间h12002006677155800工频能耗kW710728746787800变频能耗kW352.4370430500566.7节电率%5049423629