[align=center]The reasonable application of converter pump and general pump in the parallel bus systems[/align] 摘要：根據水泵調速原理，結合電廠實際應用，探討了調速泵與工頻泵并網運行的可行性 Abstract: According to principle of pump speed adjusting. It is discussed that the feasibility of the running parallel of converter pump and general pump in the application of the power plant 關鍵詞：調速泵與工頻泵 母管 Keywords: converter-pump and general-pump parallel bus systems 1、引言 　　在公共母管制的水系統中，變頻泵與工頻泵的混合使用效率低的問題，一直是在節電和節約資金兩難的境地當中，幾乎所有在母管制的系統中，變頻泵的節能效果都是在犧牲效率或加大并行工頻泵的負擔下計算出來的。然而在江蘇某一發電廠中，結合以往的節能調節措施找出了一個工頻泵和變頻泵的共母管運行的合理方法。 　　以該發電廠汽輪機凝汽器循環水為例 　　汽輪機的經濟運行方式與循環水泵流量關系如圖1所示 　　循環水泵隨機組長期連續運行，由于長江水溫受季節變化的影響以及機組負荷的變化，即使在同一負荷的情況下，不同的外部環境也使得循環水流量的需求不同。因此需要及時調整循環水流量，以保證機組的安全經濟運行。汽輪機的真空度主要依靠調節冷卻水流量來控制，為提高機組運行的經濟性，真空度提高汽輪機功率的增量ΔΝ1應大于為增加循環水量所多消耗的功率ΔΝ2。 　　凈增功率ΔN=ΔN1-ΔN2 　　ΔN1汽輪機功率增量 　　ΔN2增加水泵水量所多消耗的功率 　　Dw為冷卻水流量 　　p為汽輪機的凝汽器真空 　　ΔN是隨冷卻水量的增大而增大到達a點時，如果再進一步增大冷卻水流量，ΔN反而開始減小，直至為零。當到達c點時，汽輪機末級噴嘴的膨脹能力已達極限，汽輪機功率不會再增加，故c點為極限真空。由a點引等水量線與凝汽器壓力線相交于b點所對應的真空之Peco是最有利真空，a點所對應的冷卻水水量Deco就是最佳冷卻水水量。從中可以看到，合理的調節循環水流量，是提高汽輪機效率的一個重要手段。 2、在能夠改變泵葉片角度中的應用 　　一般情況下，系統的服務壓力變化不大，泵房壓力的變化主要決定于供水流量和管路摩阻系數，而各類泵房的管路長度、管徑和材質各不相，其管路特性也各異。同一水泵在不同的系統調速運行，會有不同的工況點，工作效率有較大的變化。若系統的流量與揚程關系按照水泵的相似規律變化，則在允許的調節范圍內水泵的工作效率始終保持在同一點，如果水泵選型合理，在整個調速范圍內可保持最高效率，水泵調速運行節能效果最好。若系統的流量與揚程關系不是按照水泵的相似規律變化，則在允許的調節范圍內水泵的工作效率將隨著轉速的改變而變化，水泵的高效調速區將縮小，水泵調速運行節能效果變差，在管路特性曲線為一水平線時，即水泵出口無管路的情況，則水泵只能在很小的范圍內調速。因此管路特性的改變，水泵特性的合理配置，是管網共母管制高效運行的關鍵。 　　在母管供水的管網中，現在普遍采用的以泵房出口壓力為控制對象的恒壓力控制系統，在配水泵上使用，將使水泵工作在恒壓力狀態，水泵的工況相當于工作在具有高幾何揚程的系統，水泵的工作效率隨流量的變化而沿著Q-η曲線變化，沒有起到擴大高效區的作用，高效調速范圍很窄。水泵的整機效率較低，達不到節能降耗的目的，只起到流量調節的作用，因其控制的壓力不能直接反映管網的壓力，其對穩定管網壓力的作用不明顯。 　　江蘇某電廠，2×135MW機組，循環水為單元母管制，由長江邊#3泵房，3×1000kW循環水泵供水，該泵組合是為2×125MW機組設計。設計正常方式為兩開一備。傳統的泵站設計僅著眼于滿足最大的供水量，而以不同規格、不同容量的泵機組合來提供不同的流量和揚程。在這種情況下，因為流量減少會引起揚程升高，造成了能量的浪費。該廠2002年進行了低壓缸擴容改造，改造后單元容量為2×135MW。冷卻水量相應增加。為了適應冬夏季節變換和負荷波動，提高汽輪機運行效率，以及汽輪機冷凝器對不同溫度水量的要求。該廠的三臺水泵的葉片角度可以從+2°～-8°調節。從而達到調控和節能的目的。 　　圖2是水泵葉片角度-8°～+2°H—Q曲線。 　　圖中 n1為泵葉片角度+2°H—Q曲線 　　n2為泵葉片角度0°H—Q曲線 　　n8位泵葉片角度-8°H—Q曲線 　　改造后，管網阻特性不變，但在同樣轉速下水量變小，水壓降低。 　　夏季（7～9月份）兩臺工頻運行泵組合為n1、n2，從圖中可以看出當兩臺泵分別以0°和+2°運行時，出水量Q=Q1+Q2，其中+2°的泵常常超負荷運行。電機電流分別是葉片角度0°泵87A，葉片角度+2°泵130A。當兩臺泵均在+2°運行時，兩臺泵出水量為2Qn，出口水壓為0.125Mp，電機電流在124A。兩種運行方式中2Qn≈Q1+Q2，運行電流總和87+130＜2×124，所以在輸入電壓不變時，功率消耗2×（+2°）＞0°+（+2°）。當兩臺泵均運行在泵葉片角度0°時，此時出水量約為2×Q1＜2Qn，運行電流104A。這種方式，在夏季高峰負荷時水量不能滿足要求，特別是125MW機組增容為135MW機組以后。經常需要開備用泵補充水量不足。因此，為節約電能和系統足夠備用容量，常用運行泵組合為n1、n2（0°+（+2°）），或2×（+2°）組合。 　　冬季，晚低峰負荷，開一臺（+2°）泵就可滿足要求。高峰負荷時，一臺泵最大方式運行流量偏小，在舊機組沒有改造前，用舊機組的一臺300kW水泵作為補充。總電流I=110A+26A=136A。自從2002年舊機組拆掉后，就必須用兩臺1000kW泵運行。運行方式是，兩臺泵都調至葉片最小角度（-8°）（工作點Q3），水量滿足高峰負荷要求，電機工作電流為I=2×70A=140A，。接近大泵加小泵的工作工況，是比較理想的。此時的功率因數僅為0.63。但在晚低峰負荷時，需要開起（+2°）泵，停下（-8°）的兩臺泵，再將其中一臺泵葉角度搖到+2°，作為事故熱備用，操作比較繁瑣。 為了適應節電需要和隨負荷調整方便，在其中#9泵加裝了Diamond—HV06/1250高壓變頻，Diamond—HV變頻器具有調節范圍寬，過載能力強，功耗低的特點。特別適應機房就地安裝而不能建獨立設備間的安裝方式。 　　經運行測試得到圖2 H—Q運行曲線 水泵調速是根據水泵的相似原理（n/n1=Q/Q1、n2/n12=H/H1、n3/n13=P/P1，n—水泵額定轉速、n1—水泵調節后轉速、H—水泵設計揚程、H1—水泵調節后揚程、Q—水泵設計流量、Q1—水泵調節后流量、P－水泵設計軸功率、P1－水泵調節后軸功率），通過改變水泵的轉速使其特性曲線改變，水泵的工況點也跟隨改變。這就可使水泵的特性曲線與系統的管路特性曲線相交于需要流量，避免閥門節流或管網壓力升高造成富余揚程，同時有可能使越出高效區的水泵工況點回到高效區內。 水泵調速只能改變水泵的特性曲線并不能改變水泵的性能和管路特性，工程上采用水泵調速調流之所以節能，實質是把水泵運行中存在的富余揚程降低或改變水泵的工況點使原來越出高效區的工況點回到高效區內。因此能否改變水泵在管網中的特性曲線，適應服務點參數的變化，所進行改造的水泵揚程的欲量是改造可行性的首要條件。 該廠設計的3臺循環水泵，設計揚程18米，管網水壓可在0.085Mp～0.12Mp之間波動，因此也給管網水泵配置和調速節能留有了很大空間。 圖中n1、n2、n3為變頻泵不同轉速下H—Q曲線，其中n1、＞n2、＞n3 圖中， N曲線為改變泵葉角度（-4°）的工頻泵H—Q曲線。n1泵葉片角度為+2°，變頻電機運行在50Hz時的H—Q曲線，與工頻50Hz運行曲線一致。 夏季，正常運行時，高峰期，變頻泵運行在Qn，工頻泵運行在Q1。低谷時，變頻泵和工頻泵分別運行在Q2，變頻泵與工頻泵出水量基本相等。此時變頻泵工作在42Hz，均工作在兩臺泵高效區內。汽輪機冷凝器進水壓力可以在一定范圍內波動，所置換的熱量與汽輪機排氣量、冷卻水的溫度、水量有關，也就是與同一季節同一負荷下水的流速有關。在滿足母管水壓的同時，降低頻率低于40Hz以下時，工頻泵出水量大于變頻泵，并且效率開始降低。在本系統中，工頻泵最小葉片角度，變頻泵最大葉片角度。變頻泵運行頻率最低可調至35Hz。繼續降低變頻泵將由于壓差太大而不出水，并且會因為悶泵而引起振動。兩臺泵在這種配合下最佳區域為42Hz～48Hz。 為了適應冬季對循環水量變化的要求，以及工頻泵與變頻泵的理想配置，工頻泵的泵葉片角度一般在-6°（H—Q曲線N’），變頻泵仍在+2°。這種組合方式可以使組合的效率曲線左移，保證在更低頻率運行時，仍能工作在高效區。而且在低頻30Hz以上不會出現悶泵現象。 低峰負荷，變頻泵單獨變頻運行，可在42Hz～50Hz范圍內調節。若發電機組單臺運行，可在38Hz～46Hz范圍內運行。高峰時，兩臺泵（-6°+（+2°））組合，變頻泵工作在45Hz，工作電流I=68+70=138A。如此，變頻泵作為主泵運行，備用泵，一臺+2°，一臺-6°。滿足了工況要求的同時，使調節手段和節能空間以及循環水備用容量有了更大的改觀。 3、在不能變換葉片角度泵中的應用 　　對于不能變換葉片角度的水泵，如果水泵經控制閥連到母管上，則母管壓力與水泵流量的關系發生了變化。如圖4中代表母管壓力與水泵流量的關系，圖中原平坦的特性n1，經閥門降壓后變為n2，表示該泵在母管上壓力特性n2變陡了。如果變頻泵出口閥門全開，那么變頻泵仍然是特性n1，當變頻泵調速運行時，H—Q特性曲線平行下移如n3，這樣通過關小閥門控制使特性變陡的工頻泵和調頻泵可在很大范圍內找到母管壓力平衡點，也就是變頻泵的調速范圍變大，但閥門上的能量損失較大。圖4中，n1特性到n2特性間的壓力損失與相應流量的乘積，即損失在閥門上的能耗。[1] 　　從上述內容可以看出，相同特性的變頻泵與工頻泵并網，在原特性較平坦時，變頻泵很難降頻供水，如工頻泵原來已人為加上閥門特性變陡后并網，雖然可以降頻減少送水，但網管不能穩壓且變頻泵調速所節能不一定能補償閥門增加的損失。解決的方法是提高變頻泵的壓力及容量以增加可調節供水量，提高效率并保持管網恒壓。 保持管網恒壓，不是有效調節水泵在高效區工作的完全必要方法，盡管可使并網的每臺泵工作在給定的壓力下，卻可能某些泵出水很少或根本不出水，特別是對于軸流泵，在悶泵臨界點上，會出現振動，嚴重影響管網穩定和水泵運行安全 另一方面，注意電機的負載率是否合適，若轉速較低，即使水泵的效率較高，但電機的負載率太低，則整機效率也會很低，達不到節能的目的。 水泵調速最理想的控制方式應是水泵的供水量能保持管網的服務壓力不變，水泵轉速的變化使水泵的Q-H曲線與管路特性曲線相吻合。這樣水泵在有效調節范圍內始終工作在高效區。實際上是很難做到這樣調節的。為此，可采取模擬管路特性的控制方法，即在控制軟件中輸入經實際測得的管路特性曲線，采用水泵出口壓力和水泵流量兩個變量對水泵轉速進行自動控制，使壓力和流量按輸入的曲線變化。[2] 4、結束語 從上述兩種情況可以看出，H—Q特性較陡或經采取措施改變水泵在管網中H—Q特性，即管路壓力損失占總揚程的大部分或服務壓力變化較大的系統，可采用水泵調速，變頻調速控制以后，可以使泵機在低速小流量時維持或降低出口壓頭，實現高效節能運行。管路水壓損失占總揚程的比例較小和服務壓力變化較小的系統，采用水泵調速不一定是經濟合理的；管路水壓損失占總揚程的比例很小和服務壓力變化很小的系統水泵不宜調速運行。