在火力發(fā)電廠中，水泵也是極其重要的輔機(jī)設(shè)備。由于在熱力系統(tǒng)中所使用的水泵的工作條件有很大的差異，不同的使用條件，對(duì)水泵的性能和結(jié)構(gòu)要求也就不一樣，其中給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵是發(fā)電廠完成熱力循環(huán)最為重要的輔機(jī)設(shè)備，要求這些水泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。否則會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這些水泵數(shù)量多，總裝機(jī)容量大，耗電量約占全部廠用電量的60％左右。因此，提高水泵的運(yùn)行效率，降低水泵的電耗對(duì)降低廠用電率具有舉足輕重的意義。與風(fēng)機(jī)一樣，由于設(shè)計(jì)中層層加碼，留有過(guò)大的富裕量，造成大馬拉小車之外，由于采用節(jié)流調(diào)節(jié)，為滿足生產(chǎn)工藝上的要求，造成更大的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。

    與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不同的是：風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由于沒(méi)有反壓的存在，滿足三個(gè)相似條件，其阻力曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，所以可以使用比例定律的三個(gè)公式進(jìn)行節(jié)能計(jì)算；而水泵系統(tǒng)由于都有較大靜揚(yáng)程的存在，其阻力曲線是一條具有較高起點(diǎn)的二次曲線，所以水泵系統(tǒng)已經(jīng)不是相似系統(tǒng)，因此不能直接套用比例定律的三個(gè)公式進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，必須首先求出各個(gè)工作點(diǎn)的相似工況點(diǎn)后再進(jìn)行計(jì)算，就使得水泵系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)較為復(fù)雜。

    2 水泵系統(tǒng)的流量控制方法

    2.1 入口閥門控制

    與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相似，當(dāng)水泵系統(tǒng)采用入口閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，改變的是水泵的性能曲線，其性能曲線呈一組梳子狀的曲線簇，每一個(gè)入口閥門開(kāi)度對(duì)應(yīng)一條性能曲線。這一條性能曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點(diǎn)即為工作點(diǎn)，它的坐標(biāo)決定水泵系統(tǒng)的出口壓力和流量值。但是對(duì)于水泵系統(tǒng)來(lái)講，由于采用入口閥門控制流量時(shí)容易引起水泵的氣蝕，所以水泵系統(tǒng)一般都采用出口閥門控制流量。

圖1 水泵系統(tǒng)采用入口門控制時(shí)工作點(diǎn)的變化

    2.2 出口閥門控制

圖2 水泵系統(tǒng)采用出口閥門控制流量時(shí)工作點(diǎn)的變化

    由圖2可見(jiàn)，采用出口閥門控制流量時(shí)，改變的是系統(tǒng)的阻力曲線，會(huì)在出口閥門上產(chǎn)生很大的節(jié)流損耗，使泵效降低，能耗增加。如圖4中所示，在工作點(diǎn)M₃^，點(diǎn)，很明顯相對(duì)于入口門控制和調(diào)速控制來(lái)講，采用出口門控制時(shí)多消耗的能量就是矩形H₃^,-M₃-M₃^,-H₃^,所圍成的面積，有些系統(tǒng)甚至占到了總消耗能量的40%以上。

    出口閥門上產(chǎn)生的節(jié)流損耗就等于出口閥門前后的壓力差與流量的乘積。因此只要知道了出口門前后的壓力或壓力差，以及當(dāng)時(shí)的工作流量，就可以算出出口門上的節(jié)流損耗（電功率）了，再除以根據(jù)當(dāng)時(shí)的工作電流算出的實(shí)際功率，就是節(jié)電率！在一般的水泵系統(tǒng)中，壓力和流量數(shù)據(jù)是比較容易采集到的。

    具體計(jì)算時(shí)，可按式：ΔN = k(ΔP×Q) 計(jì)算出口閥門的節(jié)流損耗（單位為kW）。式中：若流量Q的單位取m³/s，差壓ΔP的單位取kPa時(shí)，系數(shù)k取1；若流量Q的單位取m³/h，差壓ΔP的單位取MPa時(shí)，系數(shù)k取0.278（=1000/3600）。

    2.3 調(diào)速控制

    水泵系統(tǒng)調(diào)速控制流量的方法，可以采用定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，液力耦合器改變水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)變頻器改變電動(dòng)機(jī)輸入供電電源的頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)（水泵）的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3所示是水泵系統(tǒng)采用調(diào)速控制時(shí)工作點(diǎn)的變化情況及相似拋物線的求法。

    2.4 三種控制方式的比較

    圖4將設(shè)備（水泵、風(fēng)機(jī)）、系統(tǒng)和控制方式有機(jī)的結(jié)合在一起了，希望能通過(guò)它演繹出水泵（風(fēng)機(jī)）系統(tǒng)流量控制的真諦！

    由圖4可以看出：只要系統(tǒng)的阻力曲線不改變，無(wú)論采用哪種控制方式，滿足系統(tǒng)流量和壓力要求的工作點(diǎn)都是一樣的。當(dāng)流量控制在Q₃時(shí)，揚(yáng)程(壓力)為H₃^，，工作點(diǎn)為M₃^，，無(wú)論是調(diào)速控制還是入口閥門控制都一樣，即使是出口閥門控制，其工作點(diǎn)雖然達(dá)到了M₃，也就是說(shuō)其閥前壓力達(dá)到了H₃，但是其閥后壓力則還是H₃^,，因?yàn)槠溟y后的阻力曲線并沒(méi)有改變，壓力都降在了閥門上了！

    出口閥門節(jié)流損耗的計(jì)算見(jiàn)上述2.2。但是這也并不說(shuō)明調(diào)速控制和入口門控制的能耗是一樣的，因?yàn)檎{(diào)速控制比入口門控制時(shí)的泵效要高得多了，所以即使是采用入口門控制的系統(tǒng)（例如風(fēng)機(jī)系統(tǒng)），在采用調(diào)速控制時(shí)也是有很大的節(jié)能潛力的。節(jié)能的真諦就在于不同控制方式之間的效率差。

圖3 水泵系統(tǒng)采用調(diào)速控制時(shí)工作點(diǎn)的變化和相似拋物線的求法

圖4 水泵系統(tǒng)采用三種控制方式時(shí)工作點(diǎn)的變化情況綜合

    3 水泵系統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算方法

    值得注意的是：水泵系統(tǒng)由于靜揚(yáng)程的存在，所以比例定律三大關(guān)系式的使用是有條件的，在實(shí)際使用中，水泵由于受系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行工況的限制，并不能簡(jiǎn)單地套用比例定律來(lái)計(jì)算調(diào)速范圍和估算節(jié)能效果。

    當(dāng)管路阻力曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零時(shí)，即H_ST=0（或P_ST=0）時(shí)，管路阻力曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，它與過(guò)M點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速時(shí)的相擬拋物線重合，因此，M與M^＇又都是相似工況點(diǎn)，故可用比例定律直接由M點(diǎn)的參數(shù)求出M^＇點(diǎn)的參數(shù)。對(duì)于風(fēng)機(jī)，其管路靜壓一般為零，故可用相似定律直接求出變速后的參數(shù)。而對(duì)于水泵，其管路阻力曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）不等于零時(shí)，即H_st≠0（或P_st≠0）時(shí)，轉(zhuǎn)速變化前后運(yùn)行工況點(diǎn)M與M^＇不是相似工況點(diǎn)，故其流量、揚(yáng)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。而應(yīng)將實(shí)際工況轉(zhuǎn)化為相似工況后，才能用比例定律進(jìn)行計(jì)算。

    水泵系統(tǒng)由于靜揚(yáng)程的存在，阻力曲線不是相似曲線，因此圖4中轉(zhuǎn)速變化前后的運(yùn)行工況點(diǎn)M與M^＇不是相似工況點(diǎn)，故其流量、揚(yáng)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。但當(dāng)管路性能曲線的靜揚(yáng)程（或靜壓）等于零時(shí)，即H_ST=0（或P_ST=0）時(shí)，管路性能曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線，它與過(guò)M點(diǎn)的變轉(zhuǎn)速時(shí)的相擬拋物線重合，因此，M與M^＇又都是相似工況點(diǎn)（比如風(fēng)機(jī)），故可用比例定律直接由M點(diǎn)的參數(shù)求出M^＇點(diǎn)的參數(shù)。

    特別是對(duì)于給水泵系統(tǒng)，其靜揚(yáng)程（汽包壓力）特別大，一般可達(dá)額定揚(yáng)程的60～80%，所以變速前后流量比不再等于轉(zhuǎn)速比，而是流量比恒大于轉(zhuǎn)速比。管路性能曲線的靜揚(yáng)程越高，水泵性能曲線和管路性能曲線的夾角就越小，則變速調(diào)節(jié)流量時(shí)，改變相同流量時(shí)的轉(zhuǎn)速變化就越小，其軸功率的減小值也越小，還有可能引起管路的水擊，因此水泵的調(diào)速節(jié)能效果比風(fēng)機(jī)要差一些。由于計(jì)算比較困難，每一個(gè)工況點(diǎn)都要首先進(jìn)行相似折算后才能用比例定理計(jì)算，工作量巨大。下面給大家提供一種簡(jiǎn)單的查表法：一般可以在算出流量百分比和靜揚(yáng)程占額定揚(yáng)程的百分比后用查表的方法得出轉(zhuǎn)速、軸功率和節(jié)電率來(lái)。這時(shí)只要知道額定流量、工作流量、額定揚(yáng)程和靜揚(yáng)程4個(gè)參數(shù)就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的查表就得到所要的結(jié)果了。

    表1 水泵系統(tǒng)在不同靜揚(yáng)程和不同流量時(shí)轉(zhuǎn)速、軸功率和節(jié)電率：

       2.表中最上邊一欄為水泵系統(tǒng)的實(shí)際流量與額定流量的百分比；

       3.本表所列數(shù)據(jù)系根據(jù)某典型水泵特性得出，與實(shí)際的泵有一定誤差。

    以上討論的只是單泵運(yùn)行的給水系統(tǒng)的情況，目前一般的供水系統(tǒng)都采用多泵并列運(yùn)行，大小泵搭配，以及采用泵的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)等經(jīng)濟(jì)運(yùn)行手段，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也很好。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，其節(jié)能潛力已不是很大了，對(duì)于這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)，不要過(guò)分夸大水泵變頻調(diào)速的節(jié)能效果，否則將適得其反。

    高性能離心式水泵由于采用了三元流動(dòng)，進(jìn)口導(dǎo)葉等先進(jìn)技術(shù)，離心式水泵的特性曲線已經(jīng)做得非常平坦，高效率的工作區(qū)域很寬，這也正是水泵生產(chǎn)廠家努力追求的目標(biāo)。但是這樣的水泵在定壓供水工況下，其調(diào)速的范圍很小。見(jiàn)圖7所示。供水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程越大，也就是空載功率所占的比例越大，水泵特性越平坦，調(diào)速范圍就越小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的節(jié)能效果也就越差。

    對(duì)于定壓供水系統(tǒng)的高效離心水泵群如果采用“一變多定”配置的控制方案，則會(huì)引起一些問(wèn)題，甚至不能正常工作。因?yàn)樗�泵的特性曲線非常平坦，變頻器的調(diào)速范圍非常小。且因?yàn)楣┧畨毫π〉牟▌?dòng)，新的工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生劇烈變動(dòng)，雖然在控制程序中可以采用軟件濾波的方法改善不穩(wěn)定的情況，但變、定速水泵配置方案運(yùn)行匹配較為困難，且節(jié)能效果有限卻是肯定的，這也是和采用變頻節(jié)能控制的初衷相違背的。因此對(duì)于實(shí)際工程中的高性能離心泵機(jī)群，所有的運(yùn)行泵都采用變頻調(diào)速控制才是最合理的。

    如果出于經(jīng)濟(jì)原因的考慮，調(diào)速泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)是最常開(kāi)泵的臺(tái)數(shù)，其它泵則采用工頻備用。如果還要減少調(diào)速泵的臺(tái)數(shù)的話，則一定要使揚(yáng)程最高、流量最大的泵調(diào)速運(yùn)行，才能取得較好的效果。