趙連青

（廊坊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱力供應(yīng)中心，河北 廊坊065000）

1 概 述

1.1 設(shè)備概述

該熱源廠共有蒸汽鍋爐4臺，額定蒸發(fā)量為60噸／小時，其型號及配套給水泵型號見下表.

序號 設(shè)備名稱 型號 數(shù)量 單位 備注1小時2鍋爐 SZL-10-1.25-A II 2 臺 額定蒸發(fā)量10噸／小時鍋爐 SZL-20-1.6-A II 2 臺 額定蒸發(fā)量20噸／3給水泵 650L＊10 2 臺 揚(yáng)程144 m 流量30 m3／h功率22 kw 4給水泵 DGL12-25＊6 4 臺 揚(yáng)程150 m 流量12 m3／h功率15 kw

1.2 原運(yùn)行狀況概述

該鍋爐房冬天停運(yùn)，于4月到10月這7個月時間運(yùn)行一臺SZL-10-1.25-AII的鍋爐，運(yùn)行型號DGL12-25＊6的給水泵一臺，平均鍋爐負(fù)荷在7噸／小時，鍋爐出口壓力在0.7 MPa左右，鍋爐給水采用母管制，鍋爐給水泵連續(xù)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥閥位來控制給水流量的大小.其鍋爐給水系統(tǒng)示意圖如下：

該鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，鍋爐給水泵出口壓力為1.4 MPa左右，而省煤器水側(cè)的進(jìn)口壓力在0.78 MPa左右，鍋爐出口壓力基本保持在0.65 MPa.我們發(fā)現(xiàn)鍋爐給水泵的出口壓力1.4 MPa遠(yuǎn)大于省煤器水側(cè)進(jìn)口壓力0.78 MPa，壓損太大.經(jīng)過分析，我們認(rèn)為是由以下原因造成的，即工頻給水泵設(shè)計流量、揚(yáng)程相對于鍋爐負(fù)荷而言有很大的余量，在實際運(yùn)行當(dāng)中，不得不通過減小電動調(diào)節(jié)閥的開度來減少進(jìn)鍋爐的水量，甚者在鍋爐小負(fù)荷運(yùn)行時，電動閥幾乎接近關(guān)閉狀態(tài)，這樣造成管段阻力特性系數(shù)陡增，再加上電動調(diào)節(jié)閥前給水流量要比鍋爐實際用水量大很多，由公式△P＝SG2可知，電動調(diào)節(jié)閥前壓△P增大，形成了鍋爐給水泵的出口與省煤器水側(cè)進(jìn)口之間的大壓差.這種情況不僅會增加管件所承受的壓力而且最重要的是造成來了給水泵所做的無用功增加，使得功率大部分都消耗在了電動調(diào)節(jié)閥上，電能白白流失.

針對以上情況，為降低給水泵的富裕揚(yáng)程、流量，讓鍋爐能夠在滿足負(fù)荷的狀態(tài)下更加經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，我公司對鍋爐給水系統(tǒng)進(jìn)行了單臺鍋爐單臺泵變頻給水節(jié)能改造.

2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點及節(jié)能分析

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)能夠根據(jù)負(fù)荷的變化使電動機(jī)平滑地增速或減速，多用于平方律負(fù)載（如風(fēng)機(jī)、泵等）中，它具有以下主要特點：

2.1.1 控制電機(jī)啟動電流.當(dāng)電機(jī)通過工頻直接啟動時，它會產(chǎn)生7-8倍的電機(jī)額定電流，這個電流將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而減少電機(jī)的壽命.而變頻調(diào)速可以在零速零電壓啟動，一旦頻率和電壓關(guān)系建立，變頻器就可以按照V／F或矢量控制方式帶動負(fù)載進(jìn)行工作，使用變頻器能夠充分降低啟動電流.

2.1.2 調(diào)速范圍廣.理論上變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1%-100%，可達(dá)到無級變速.但是需注意在實際使用中，變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速，其調(diào)速范圍受到其所在的系統(tǒng)的限制.一般，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速的50%.

2.1.3 通過降低泵的轉(zhuǎn)速節(jié)約電能.眾所周知，在流體介質(zhì)一定的情況下，水泵在管路特性曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零時，其流量、揚(yáng)程、軸功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系遵循比例定律：即流量Q與轉(zhuǎn)速N成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比.也就是說在流體介質(zhì)一定且水泵在管路特性曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零的情況下，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速的50%時，則功耗只有額定值的12.5%，節(jié)能率可達(dá)87.5%.

2.2 節(jié)能分析（與閥門調(diào)節(jié)相比）

如上圖所示，水泵在工頻運(yùn)行時的性能曲線為G1，額定工作點為A，額定流量為QA，管路理想阻力特性曲線為S1.若使流量由QA減小到QB有兩種方法，第一種方法是減小閥門開度，其實際管網(wǎng)阻力特性曲線為S2，工作點為B，流量為QB，揚(yáng)程為HB；第二種方法是用變頻調(diào)速控制，降低泵的轉(zhuǎn)速，在使用變頻調(diào)速且沒有節(jié)流控制時的水泵性能曲線為G2，理性的工作點為C，其對應(yīng)的流量和揚(yáng)程分別是QB、HC.

當(dāng)采用第一種方法（減小閥門開度）調(diào)流量時，水泵所耗軸功率為PB＝ρg QBHB／η；而當(dāng)采用第二種方法（變頻調(diào)速）調(diào)流量時，水泵所耗軸功率為PC＝ρgQBHC／η，這里假設(shè)水泵在B、C兩點的效率相同，則變頻調(diào)速比閥門節(jié)流方式相比節(jié)能PB－PC＝ρg QBHB／η－ρg QBHC／η.

需要注意的是此時節(jié)能量不能簡單地按照比例定律即改造前與改造后的流量三次方的比等于改造前后電機(jī)功率的比值來估算，這是由于蒸汽鍋爐給水系統(tǒng)管路特性曲線的靜揚(yáng)程并不為零，其管路特性曲線圖不是一條通過坐標(biāo)原點的二次拋物線，此時泵的流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的關(guān)系不符合比例定律.

3 單臺鍋爐單臺泵變頻給水改造方案的可行性考慮

3.1 從安全性方面考慮 蒸汽鍋爐是極具爆炸危險的熱力設(shè)備，在蒸汽鍋爐運(yùn)行過程中，鍋爐給水系統(tǒng)給水一定要滿足鍋爐負(fù)荷變化的需要，保持鍋筒水位正常，避免發(fā)生缺水、滿水事故.

這就要求第一要正確的選擇給水泵，能夠根據(jù)鍋爐負(fù)荷的變化平滑地增加減少電動機(jī)的轉(zhuǎn)速按需提供水量，保持鍋筒正常水位.一般變頻給水泵的流量按G＝K＊（G1＋G2）計算，其中G1為鍋爐的額定蒸發(fā)量，G2為鍋爐其他用水量（如鍋爐排污量、減溫裝置用水量等），K為備用系數(shù)一般選1.1-1.2.變頻給水泵的揚(yáng)程按H＝K（H1＋H2＋H3＋H4）計算，其中H1鍋爐在設(shè)計使用壓力下安全閥的開啟壓力MPa，H2省煤器和給水管路的阻力MPa，H3給水系統(tǒng)最高點與進(jìn)口的水位差MPa，H4其他，K為備用系數(shù)一般選1.2-1.3.

第二要確定給水泵最低允許轉(zhuǎn)速值.由于在蒸汽鍋爐給水系統(tǒng)中，鍋爐給水泵出口存在靜壓，如果泵速調(diào)的過低，不僅水流不出去，而且會出現(xiàn)蒸汽倒流現(xiàn)象（當(dāng)止回閥不嚴(yán)時）.因此，在單臺鍋爐單臺泵變頻給水時要計算一下變頻泵的最低允許轉(zhuǎn)速值，保持在運(yùn)行過程中變頻泵的轉(zhuǎn)速在最低允許轉(zhuǎn)速值以上.

3.2 從運(yùn)行操作方面考慮 第一，啟停給水泵.要嚴(yán)格按照《給水泵啟停步驟》操作給水泵，當(dāng)啟動給水泵時，要先將泵速調(diào)到最低允許值（一般可粗略按照額定轉(zhuǎn)速的75%計算）以上，當(dāng)泵的出口壓力超過給水系統(tǒng)靜壓值時，再打開給水泵的出口閥門；當(dāng)停泵時，先關(guān)斷泵的出口閥門，然后再停泵.第二，在鍋爐房緊急停電時，也需要先關(guān)斷給水泵的出水閥，以防蒸汽瞬時倒流.第三，正常運(yùn)行過程中，要保持變頻泵的轉(zhuǎn)速在最低允許轉(zhuǎn)速值以上.

3.3 從工藝可行性方面考慮 單臺鍋爐單臺泵變頻給水方案取消了母管制實行單臺鍋爐單臺泵供水，這種改造方案有利于單臺鍋爐的給水調(diào)控，但是存在一旦給水泵損壞就會導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)的危險.因此，為了保障鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，工藝設(shè)計可以結(jié)合鍋爐房的運(yùn)行特點和泵的配置情況，在兩臺泵泵的出口管路安裝連通管.這樣兩臺泵中的任意一臺泵可以供兩臺爐中的任意一臺爐，不僅保障了鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，而且還增強(qiáng)了給水泵的互備性.

另外為了防止蒸汽倒流，必須在關(guān)鍵部位（如泵的出口、省煤器水側(cè)進(jìn)口、鍋筒入口）安裝止回閥.

4 單臺鍋爐單臺泵變頻給水改造方案

工藝方面，首先選定定泵型號：按照鍋爐額定流量為10 t／h，鍋爐排污率5%，安全閥的開啟壓力1 MPa，省煤器及給水管路阻力損失0.1 MPa計算，泵流量G＝（10＋10×5%）×1.1＝11.55 m3／h，泵揚(yáng)程 H＝（1＋0.1）×1.3×100＝143 m.經(jīng)校核原有型號為DGL12-25＊6的給水泵符合要求，可以繼續(xù)使用.然后取消了給水母管改造為單臺鍋爐單泵給水模式，在兩臺給水泵出水管之間加裝了連通管，并在關(guān)鍵部位（如泵的出口、省煤器水側(cè)進(jìn)口、鍋筒入口）都安裝了止回閥.

示意圖如下：

電氣方面，為型號DGL12-25＊6的2臺給水泵電機(jī)分別配備1臺變頻器，通過電氣改造，兩臺泵都可以使用變頻器來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速.見下方給水系統(tǒng)儀表方框圖.

5 改造后的給水泵運(yùn)行情況及改造前后數(shù)據(jù)比較

5.1 改造后給水泵運(yùn)行情況

改造后，我們要求運(yùn)行人員嚴(yán)格按照給水泵的啟停步驟操作給水泵，并告知調(diào)節(jié)給水泵頻率時不得低于35 HZ.在鍋爐運(yùn)行的7個月中，給水泵運(yùn)行平穩(wěn)，振動幅度比母管制時也減小了，該單臺鍋爐單臺泵變頻給水系統(tǒng)沒有發(fā)生蒸汽倒流事故，調(diào)節(jié)流量靈活，滿足了鍋爐多變負(fù)荷要求.以下是單臺鍋爐單臺泵變頻給水改造后的一組運(yùn)行數(shù)據(jù).

項目序號給水瞬時流量（t／h）蒸汽瞬時流量（t／h）泵出口壓力（MPa）省煤器進(jìn)口壓力（MPa）省煤器出口壓力（MPa）鍋筒壓力（MPa）1 7.8 6.7 0.98 0.8 0.75 0.7 2 7.4 6.8 0.9 0.75 0.69 0.61 3 10 7.5 10 0.85 0.78 0.66

由以上數(shù)據(jù)可見，在負(fù)荷相差不大的情況下，改造后給水泵的出口壓力降到了1 MPa，比改造前的1.4 MPa減少了0.4 MPa，大大降低了電動調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失.

5.2 改造前后給水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

以下是給水泵變頻調(diào)速改造后同負(fù)荷下的耗電量比較：

項目時間耗電量（KWh／h）電機(jī)運(yùn)行電流（A）電機(jī)運(yùn)行頻率（HZ）泵出口壓力（MPa）鍋筒壓力（MPa）改造前7.5 28 50 1.3 0.75改造后2.7 19 35 0.75 0.65

可見，如該泵按照上表中工況，運(yùn)行7個月的話，可節(jié)約用電24192度（見公式：（7.5-2.7）×24×7×30＝24192 KWh），以工業(yè)用電每度0.7元計算，則節(jié)約資金16934元.根據(jù)此次改造費(fèi)用3萬元人民幣計算，兩年即可收回改造成本.

6 結(jié) 論

6.1 蒸汽鍋爐變頻調(diào)速給水泵單臺單供改造方案可行，此方案尤其適用于負(fù)荷變化較大，而且靜揚(yáng)程比較給水揚(yáng)程而言不大的泵系統(tǒng).不僅能夠減少壓力損失，改善泵的工作條件，而且節(jié)約電能.

6.2 為了保障鍋爐安全穩(wěn)定的運(yùn)行，改造時，工藝方面要給水泵的出口管路裝設(shè)連通管，并且關(guān)鍵部位（如泵的出口、省煤器水側(cè)進(jìn)口、鍋筒入口）一定要裝設(shè)止回閥.

6.3 運(yùn)行前，一定要和運(yùn)行人員進(jìn)行技術(shù)交底，告知其給水泵的最低允許轉(zhuǎn)速值，保障變頻泵的轉(zhuǎn)速在最低允許轉(zhuǎn)速值以上；給水泵的操作要求其嚴(yán)格按照啟停泵操作步驟進(jìn)行.

6.4 在泵系統(tǒng)有靜揚(yáng)程的情況下，泵的變頻調(diào)速裝置的節(jié)能效益不能簡單按照比例定律來確定.

［1］蔡增基.等《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》

［2］曹琦.《變頻水泵的應(yīng)用》