1 引言
風機和水泵在國民經濟各部門的數量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據有關部門的統計，全國風機、水泵電動機裝機總容量約35000mw，耗電量約占全國電力消耗總量的40％左右。目前，風機和水泵運行中還有很大的節能潛力，其潛力挖掘的焦點是提高風機和水泵的運行效率。據估計，提高風機和水泵系統運行效率的節能潛力可達300～500億kwh/年，相當于6～10個裝機容量為1000mw級的大型火力發電廠的年發電總量。
在火力發電廠中，風機和水泵也是最主要的耗電設備，且容量大、耗電多。加上這些設備都是長期連續運行和常常處于低負荷及變負荷運行狀態，其節能潛力則更加巨大。據統計，全國火力發電廠的八種風機和水泵，即送風機、引風機、一次風機、排粉風機、鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵和灰漿泵，其配套電動機的總容量為15000mw，年總用電量為520億kwh，占全國火電發電量的5.8％。發電廠輔機電動機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低。隨著電力行業改革的不斷深化，廠網分家、競價上網等政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發電成本提高電價競爭力，已成為各發電廠努力追求的經濟目標。
我國火電機組的平均煤耗為400g/kwh，比發達國家高70～100g/kwh，而廠用電率的高低是影響供電煤耗和發電成本的主要因素之一。國產300mw機組的廠用電率平均為4.71％，而進口(ge公司)機組為3.81%，國產機組比進口機組的廠用電率約高20％。其偏高的原因主要是輔機電動機在經濟運行方面存在問題和差距。
國外火電廠的風機和水泵已紛紛增設調速裝置，而目前我國火電廠中除少量采用汽動給水泵，液力耦合器及雙速電機外，其他風機和水泵基本上都采用定速驅動。這種定速驅動的泵，由于采用出口閥調節流量，風機則采用入口風門調節流量，它們都存在嚴重的節流損耗。尤其在機組變負荷運行時，由于風機和水泵的運行偏離高效點，使運行效率降低。調查表明:我國50mw以上機組鍋爐風機運行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占20％左右。由于目前普遍的機組負荷偏低，風機的效率就更低，有的甚至不到30％，結果是白白地浪費掉大量的電能。
目前國內的火電機組大都處于低負荷或變負荷運行狀態，其原因主要有以下幾點:
(1) 近年來由于裝機容量的迅速增長，全國基本上擺脫了電力供應緊張的局面，電力供應有了盈余，火電機組不得不壓低負荷運行;
(2) 由于負荷結構的變化，電網負荷的峰谷差加大，其值一般達到電網最高負荷的30％，有的電網甚至高達50％;
(3) 由于目前電網還缺少專門帶尖峰負荷的機組(例如壩庫式水電機組，抽水蓄能機組，燃氣輪機組等)，所以一般電網的尖峰負荷和低谷負荷都要求火電機組來承擔，火電機組不得不作調峰變負荷運行。在機組變負荷運行方式下，如果主要輔機采用高效可調速驅動系統取代常規的定速驅動系統，無疑可節約大量的節流損耗，節電效果顯著，潛力巨大，這已是不爭的事實。除此之外，由于可調速驅動系統都具有軟起動功能，可使電廠輔機實現軟起動，避免了由于電動機直接起動引起的電網沖擊和機械沖擊，從而可以防止與此有關的一系列事故的發生。例如電動機轉子籠條的疲勞斷裂，定子端部繞組絕緣損壞擊穿等重大事故，提高了輔機運行的可靠性。
2 風機水泵調速運行的必要性
2.1 風機
風機是火力發電廠重要的輔助設備之一，鍋爐的四大風機(送風機、引風機、一次風機或排粉風機和煙氣再循環風機)的總耗電量約占機組發電量的2％左右。隨著火電機組容量的提高，電站鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產200mw機組，風機的總功率達6440kw(其中，送風機二臺2500kw，引風機二臺2500kw，排粉風機總功率1440kw)，占機組容量的3％以上。因此，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。
我國電站風機已普遍采用了高效離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點。我國現行的火電設計規程sdj－79規定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5％和5％～10％，風壓裕度分別為10％和10％～15％。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通?？偸前严到y的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送引風機的風量和風壓富裕度達20％～30％是比較常見的。
電站鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調節的風機，在兩者偏離10％時，效率下降8％左右;偏離20％時，效率下降20％左右;而偏離30％時，效率則下降30％以上。對于采用調節門調節風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題?？梢姡仩t送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節風門消耗掉的。因此，改進離心風機的調節方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。
2.2 水泵
火力發電機組必須配備的水泵主要有鍋爐給水泵、循環水泵和凝結水泵，其次還有射水泵、低壓加熱器疏水泵、熱網水泵、冷卻水泵、灰漿泵、軸封水泵、除鹽水泵、清水泵、過濾器反洗泵、生活水泵、消防水泵和補給水泵等。這些水泵數量多，總裝機容量大:50mw火電機組的主要配套水泵的總裝機容量為6430kw，占機組容量的12.86％;100mw機組為10480kw，占10.48％;200mw機組為15450kw，占7.73％。100mw機組主要配套水泵的總耗電量約占全部廠用電量的70％左右。由此可見，水泵確實是火力發電廠中耗電量最大的一類輔機。因此，提高水泵的運行效率，降低水泵的電耗對降低廠用電率具有舉足輕重的意義。
與風機一樣，除因設計中層層加碼，留有過大富裕量，造成大馬拉小車現象之外，還由于為滿足生產工藝上的要求而采用節流調節，造成更大的能源浪費現象。以鍋爐給水泵為例，一臺200mw發電機組的給水泵，其電動機功率達5000kw，水泵的出口壓力為25.0mpa，而正常運行時的汽包壓力為16.5mpa。造成水泵的出口壓力與正常的汽包壓力之間的差別如此之大(8.5mpa)的原因有兩個:
(1) 鍋爐檢修以后打水壓試驗的需要;
(2) 為給水調節閥前提供較大的壓力，以提高調節系統的反應速度。
由以上分析可知，當電動機定速運行時，為了維持汽包壓力在正常值，必須在給水管道上加裝給水調節閥，增加阻力，以至消耗大量的能源。若電機采用調速驅動，則可用改變電機的轉速來滿足不同的壓力要求，節省了因閥門阻力引起的附加損耗，達到節能的目的。同時以調速方法改變壓力的響應速度遠比改變閥門開度來的快，使鍋爐汽包水位自動調節系統的反應加快，改善了鍋爐給水調節系統的性能。
為了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率、降低管路系統阻力、合理配套并實現經濟調度外，采用調速驅動是一種更加有效的途徑。因為大多數水泵都需要根據主機負荷的變化調節流量，對調峰機組的水泵則尤其如此。根據目前我國電網的負荷情況，大多數125mw機組已參與調峰，為擴大調峰能力甚至一些200mw機組也不得不參與調峰運行。為這類調峰機組配套的各種水泵最好采用調速驅動，以獲得最佳節能效果。例如，有一臺國產200mw機組配備三臺dg400－180型定速給水泵，當主機負荷為180mw時運行兩臺泵，調節閥的節流損失高達2.21mpa，僅此一項每年浪費電能883.9萬kwh。如果改用一臺全容量調速給水泵則可以節省大量電能(見表1)。由表1可見，當主機采用定壓運行方式時可平均節電20％，當主機采用定-滑-定運行方式時可平均節電30％。以上是沒有考慮給水焓升變化的計算結果，如果考慮調速泵中給水焓升較小，則平均節電率將下降3％～5％。
3 各種調速方案的初投資和回收期
由于設備的具體價格是逐年變動的，若以具體價格作比較容易引起混亂，故以相對價格作為討論的依據較好。如以普通的三相交流異步電動機的價格為1.0，各種調速系統的價格以電機價格為基礎給出，比較直觀、真實。各種調速方案的初投資和回收期見表2。
4 各種調速裝置的性能比較
現將各種調速裝置的性能比較述說如下:
(1) 變極調速
調速原理:改變異步電動機定子繞組的極對數p，可使電動機同步轉速n0=60f1/p改變(f1為電網周波)，達到調速的目的。
優點:
·因轉差率小，轉差損耗少，效率高；
·控制簡單；
·價格便宜，投資少；
·使用維護簡單方便。
缺點:
有級調速，而且級差較大，所以不能平滑調速。
適用場合:鼠籠型異步電動機。不要求平滑、連續和頻繁調速的場合。
(2) 變頻調速
調速原理:利用各種型式的變頻器改變異步電動機定子端輸入電源的頻率，以改變電動機的轉速。主要有交－直－交式電壓型、電流型等變頻器。
優點:
·因轉差率小，轉差損耗少，效率高；
·特性硬，調速精度高；
·無級調速；
·調速范圍大；
·起動及制動能耗少
缺點:
· 變頻器結構復雜;
·投資大;要求使用、維護技術水平高;
·產生高次諧波，對電網有污染，對電機有影響。
·適用場合:鼠籠型及繞線型異步電動機及同步電動機。
(3) 串極調速
調速原理:在繞線型異步電動機的轉子電路中串入一個與轉子電勢頻率相同、相位相反的附加電勢。當轉子電勢所產生的轉矩與負載轉矩相平衡時，電動機重新穩定運行在所要求的轉速。主要型式為可控硅串級，它又可分為低同步速串級調速、超同步速串級調速及內反饋串級調速三種。
優點:
·各種串級調速的效率高，節能效果好;
·調速裝置的容量與調速范圍成正比，范圍小時裝置容量也小，所以成本較低，投資少;
·平滑無級調速;
·可控硅串級因無轉動部分，所以維護容易，控制方便;
·內反饋串級調速可省掉逆變變壓器及高壓操作柜。
缺點:
·可控硅串級調速功率因數低;
·可控硅串級調速產生高次諧波，對電網有污染;
·內反饋串級調速需采用特制的內反饋繞線式電機;
·只能用于繞線型異步電動機。
適用場合:繞線型異步電動機。要求調速范圍不大 (70％～95％)的場合。若采用超同步速串級調速，可使調速范圍擴大到50％～150％。
(4) 無刷雙饋變頻調速電機
調速原理:無刷雙饋變頻調速電機是一種特制的調速電機。基本結構是一個定子、一個轉子、一套公共磁路，定子繞組有兩套對應不同極數的出線端。一套出線接往工頻電源作為功率繞組;另一套出線接變頻電源作為控制繞組。在二套繞組極性確定的情況下，通過改變控制繞組變頻器的輸出頻率來調節轉速，可實現平滑無級調速。
優點:
· 通過變頻器的功率僅占電機總功率的一小部分，可以大大降低變頻器的容量，同時大大降低變頻器功率器件的耐壓要求，從而大大降低了調速系統的成本;
·功率因數可調，可以提高調速系統的力能指標;
·由于取消了電刷和滑環結構，大大提高了系統運行的可靠性；
·既使在變頻器發生故障的情況下，電機仍然可以運行于感應電動機的狀態下；
·電機的轉速僅與功率繞組和控制繞組的極數、頻率及相序有關，而與負載轉矩無關?！?BR>缺點:
·必須更換特制的無刷雙饋電機;
·起動特性較差，要借助感應起動器或外接電阻起動;
·調速效率稍差。
適用場合:長期連續工作，不需要頻繁起動的場合。
(5) 無換向器電機調速
調速原理:無換向器電動機是指由變頻器、同步電動機、轉子位置檢測器組成的可變速電機。無換向器電動機的工作原理與具有三個換向片的直流電動機相似，其轉速控制是采用改變整流器晶閘管的導通角從而改變整流器的輸出直流電壓實現的。
優點:
·調速特性好;
·調速效率高;
·與直流電動機相比，去掉了換向器和電刷，提高了調速系統的可靠性;
·控制線路比變頻器簡單，從而成本降低;
·容量大，轉速高。
缺點:
·無換向器電動機的起動及低速運行特性差;
·過載能力低;
·調速裝置的體積大，且產生高次諧波，對電網有污染;
·需采用特制的無換向器電動機;
·與變頻調速一樣，全部功率通過控制器，增加了功率器件的電壓、電流耐量和投資。
適用場合:大容量(大于5000kw)、高轉速(大于4000r/min)的場合。
(6) 定子調壓調速
調速原理:改變加在異步電動機定子端的電壓，使電動機的機械特性發生變化，因此電動機的轉差率發生變化，電動機的轉速也變改變了。
優點:
·線路簡單，運行比較可靠;
·調壓裝置體積小;
·價格便宜，投資少;
·使用、維護比較簡單;
·便于自動控制及遠方操作。
缺點:
·低速時轉差功率損耗大，效率低;
·調速特性軟;
·產生高次諧波，對電網有污染，對電機有影響。
適用場合:大容量繞線型異步電動機轉子串電阻;高轉子電阻的籠型異步電動機。
(7) 轉子串電阻調速
調速原理:在繞線型異步電動機的每組轉子電路中串入附加電阻，則轉子電流立即減小，使電動機轉速下降。轉速下降后轉差率加大，因而使轉子電勢增大，轉子電流重新增加，直到電動機產生的電磁轉矩與負載轉矩相平衡時，穩定運行在較低轉速。
優點:
·調速方法簡單，不需要復雜的控制設備，可靠性高;
·投資少;
· 技術不復雜，容易掌握、功率因素較高;
·不產生高次諧波，對電網無影響;
·起動和調速設備合二為一;
·利用液體電阻時，可實現平滑、連續調速。
缺點:
· 效率低，因為轉差功率以熱能形式消耗在轉子電阻上;
·機械特性較軟，串接電阻越大特性越軟;
·串金屬電阻體積較大，抽頭困難，不易做到無級調速，平滑性差。
適用場合:繞線型異步電動機。對電動機機械特性硬度要求不高的場合。
(8) 電磁調速電動機
調速原理:電磁調速電動機由不調速的鼠籠型異步電動機和靠勵磁電流調速的電磁滑差離合器組成。電磁滑差離合器由直流電源勵磁，改變磁場強度(即改變勵磁電流的大小)即可改變電磁滑差離合器磁極的轉速，因而與磁極連接的風機水泵轉子的轉速也得到調節。
優點:
·調速裝置結構簡單，運行可靠;
·價格便宜，投資少;
·控制線路簡單，維修容易;
·控制裝置容量較小，一般為電動機容量的1％~2％，因此占地面積小;
·在采用閉環控制時，調速范圍大于10；
·不產生高次諧波，對電網無影響。
缺點:
·電磁滑差離合器本身滑差大，最高輸出轉速僅為電動機同步轉速的80％～90％;
·低速時效率較低，因為調速過程中產生的滑差損失以熱能形式損耗了。
適用場合:中、小容量的鼠籠型轉子異步電動機。
(9) 液力耦合器
調速原理:液力耦合器的泵輪和渦輪分別與電動機和負載的軸連接，泵輪帶動油旋轉并把從電動機得到的機械能轉變為油的動能和壓力能，而后工作油進入渦輪，并推動渦輪做功，油流經渦輪后能量降低，再回到泵輪吸收能量，就這樣靠油的循環動力傳遞功率。調節泵輪及渦輪腔室中的油量便可以改變渦輪的轉速，達到泵調速的目的。
優點:
·功率適應范圍大，可以滿足從幾十至幾千乃至上萬千瓦的不同功率的需要;
·結構較簡單，使用方便;
·價格適中，改造投資不算太大;
·滑差損失功率最大不超過15％;
·可空載起動，從而大大降低了起動電流;
·不產生高次諧波，對電網無影響;
·無級調速，調速范圍寬(20％～97％);
·對電動機和水泵有過載保護功能;
·可以隔離電動機和泵的振動，緩和沖擊。
缺點:
·有滑差損失，所以屬低效調速裝置;
·滑差功率損耗變為油的熱量使油溫升高，所以需要冷卻設備;
·低速、小功率的液力耦合器造價較高;
·效率低，效率與轉差成反比;
·液力耦合器達不到電機額定轉速;
·一旦液力耦合器出故障，設備就需停止運行;
·調速精度差，穩定性差。
適用場合:大功率、高轉速的鼠籠型轉子異步電動機。
(10) 汽輪機調速驅動
調速原理:用汽輪機直接調速驅動大功率、高轉速的鍋爐給水泵是火力發電廠大容量機組給水泵的主要驅動方式之一。通過調速器控制汽輪機的進汽量即可以獲得需要的轉速。
優點:
·可以降低發電凈熱耗率，提高機組運行經濟性;
·可以增加發電廠的輸出電量;
·可以減少廠用電變壓器及其電器設備的投資費用;
·當電力系統頻率變化時，水泵轉速不受影響，提高了泵運行的穩定性;
·可以適應滑參數起動方式;
·可直接實現給水泵高速化，省去了升速齒輪及液力偶合器等傳動裝置，因此也不存在
傳動損失;
·可靠性高;
·操縱控制方便。
缺點:
·汽輪機結構復雜，維修工作量大;
·造價高，投資大。
適用場合:中、大容量機組的大功率、高轉速鍋爐給水泵等。
5 結束語
鑒于發電廠風機水泵調速節能的巨大經濟潛力，和面對廠網分家，競價上網的嚴峻形勢，發電廠高壓輔機調速節能改造勢在必行。各種調速方式在性能指標、節能效果、資金投入等方面各有其優缺點，因此在采用何種調速方案進行節能改造方面，也沒有一個統一的章法。各廠應根據機組的具體情況、負荷情況(是否調峰)、設計余量、場地位置、資金投入等情況全面考量，選擇適合本廠具體情況的節能改造方案。
(1) 對于常年帶滿負荷的機組，當風機的風量裕度在30％時，選用雙速電機最為經濟，即使在滿負荷連續運行工況下，電機也可在低速檔運行，已可滿足風量要求;當風量余度在20％左右時，則采用變頻調速、串級調速較為經濟，而采用雙速電機和液力耦合器不能起到節電作用;當風量裕度在10％左右時，采用雙速電機和液力耦合器調速還不及調節門調節的經濟性好，而采用變頻調速和串級調速與調節門調節的經濟性相差不大，因而此時只要采用調節門調節即可，不必采用變速調節。
(2) 對于調峰機組和長期處于低負荷運行的機組，考慮到長期運行的安全可靠性、經濟性和操作維護工作量等，變頻調速和串級調速比雙速電機及液力耦合器等調速方式具有更大的優越性。因此，電廠在風機水泵節能改造時，應優先選擇變頻調速和串級調速方案。
(3) 母管制給水系統配備定速泵雖然可用臺數調節法提高運行經濟性，但是仍存在節流損失和運行效率降低的問題，如改為轉速調節不僅可以進一步提高運行的經濟性，而且還可以提高機組運行的安全可靠性。對于由多臺泵組成的母管制給水系統，至少要有一臺調速泵，以提高運行的經濟性。
(4) 低效調速節能方式，即使在低轉速比時，相對節流調節方式而言，也有明顯的節能效果。且因其投資少，見效快，資金回收周期短，在老機組和中小機組改造中，容易收到明顯的節能效益。
(5) 變頻調速因其調速效率高，力能指標(功率因數)高，調速范圍寬，調速精度高等優勢，又可以實現軟起動，減少電網的電流沖擊及設備的機械沖擊，延長設備使用壽命，對于大部分采用籠型異步電動機拖動的電廠風機水泵，不失為目前最理想的調速方案。但其昂貴的價格又使用戶望而卻步，使其的推廣應用受到限制。內反饋串級調速和無刷雙饋變頻調速，則兼有變頻調速的優良性能，又避免了用戶的高投入，是適合中國國情的具有廣闊應用前景的風機、水泵調速節能方案。
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作者簡介
徐甫榮(1946-) 男 1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，現為國家電力公司熱工研究院自動化所高級工程師，主要從事火電廠熱工自動化及交直流調速拖動技術的研究工作。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
