【关键词】变频循环水泵节能
中图分类号：U464.138+.1文献标识码：A文章编号：
今天，中国已经步入一个新的历史发展阶段，高能耗、高污染的粗放型增长方式日益面临挑战，以提高能源等生产要素利用效率为核心的集约型增长方式和低能耗、低污染、低排放的低碳经济，已成为中国未来经济发展的方向。低碳节能的大趋势对中国传统高能耗产业影响最为直接，如何大幅降低能耗、节约能源，已成为传统行业和高能耗企业共同面临的迫切问题。
循环水泵在热力行业中使用较多，是集中供暖用电能耗中的主要设备，变频技术在循环水泵中的应用能大幅度降低电耗，这项技术已应用于各种节能设备中，其节电效果非常明显。本文将以不同参数的两台变频循环水泵作为实验设备，在同一工况下按实验设计的要求采集数据，分析并得出结果，作为更好、更节能的使用变频循环水泵的依据。
1实验设计
本实验中使用两台不同参数的变频循环水泵，共同接入同一管网中，管网为密闭式，管网定压为0.4MPa，两循环泵分别在同一正常运行条件下调节频率，通过实验仪表记录不同频率下循环水泵的流量、功率，做出实验曲线，拟合频率与流量、功率之间的函数方程，总结实验结果。
2实验设备参数
2.11#变频循环水泵参数：
流量：50m³/h扬程：32m转速：2900r/min配套功率：7.5kW
2.22#变频循环水泵参数：
流量：80m³/h扬程：32m转速：1450r/min配套功率：11kW
3实验数据
3.11#变频循环水泵实验数据：
表一：
3.22#变频循环水泵实验数据：
表二：
4绘制实验曲线
4.11#变频循环水泵实验曲线
图一图二
2#变频循环水泵实验曲线
图三图四
5拟合曲线方程，检验数据的准确度
5.11#变频循环水泵频率与流量拟合曲线方程
将频率作为自变量x，流量作为因变量y，根据图一所示曲线，拟合该曲线方程为：
y=-2.629+1.374*x
通过回归分析软件检验方程的拟合度：t检验法呈高效显著，方程有很好的拟合度，说明1#变频循环水泵频率与流量为线性方程，线性拟合较好。
5.22#变频循环水泵频率与流量拟合曲线方程
将频率作为自变量x，流量作为因变量y，根据图二所示曲线，拟合该曲线方程为：
y=-5+1.6*x
通过回归分析软件检验方程的拟合度：t检验法呈高效显著，方程有很好的拟合度，说明2#变频循环水泵频率与流量为线性方程，线性拟合较好。
5.31#变频循环水泵频率与功率拟合曲线方程
将频率作为自变量x，功率作为因变量y，根据图三所示曲线，拟合该曲线方程为：
y=0.022*x-0.001*x2+0.00008093x3
通过回归分析软件检验方程的拟合度：t检验法呈高效显著，方程有很好的拟合度，说明1#变频循环水泵频率与功率为曲线方程，曲性拟合较好。
5.42#变频循环水泵频率与流量拟合曲线方程
1#变频循环水泵频率与功率拟合曲线方程
将频率作为自变量x，功率作为因变量y，根据图四所示曲线，拟合该曲线方程为：
y=0.944-0.126*x+0.006*x2
通过回归分析软件检验方程的拟合度：t检验法呈高效显著，方程有很好的拟合度，说明2#变频循环水泵频率与功率为曲线方程，曲性拟合较好。
6实验结论
6.1通过所得流量方程计算，当频率给定为40Hz时，1#变频循环水泵流量为52m³/h，已达到额定流量，2#变频循环水泵流量为59m³/h，达到额定流量的74%，故在使用条件容许的情况下，优先选用额定转速较高的水泵，可提高使用效率。
6.2通过所得功率方程计算，当频率给定为40Hz时，1#变频循环水泵功率为4.46kW，为额定功率的60%，2#变频循环水泵功率为5.5kW，达到额定流量的50%，故在选用水泵时，优先考虑不超过40Hz时满足使用要求。
6.3根据以上流量与功率方程，在使用流量为50m³/h时，1#变频循环水泵功率为4.46kW，2#变频循环水泵功率为3.94kW，可见2#循环泵比1#循环泵少消耗功率0.52kW，但2#循环泵及配置比1#循环泵配置高、价格高，须考虑成本优势，根据实际情况选用。
变频循环水泵的合理使用可节约40%—50%的电能，这项技术已大量被生产企业所使用，电量消耗成本大幅降低，并且大大延长了水泵的使用寿命，但变频器的维护保养和安全稳定性要作为主要检查项目，使生产安全、环保、节能。
参考文献：
[1]徐奇．变频技术在集中供热系统节能运行中的应用研究．北京建筑工程学院．硕士学位论文．2006年12月
Theuseofenergy-savingvariablefrequencycirculatingpump
UrumqiHuayuanHeatingPowerCo.LtdLiXinming
[Abstract]inthispaper,throughtheexperimentalanalysisoftheenergysavingeffectofthefrequencyofcirculatingwaterpumpinuse,canusesomebettermethodsintheoperationoftheenergysaving.
[keyword]frequencyconversionwatercirculatingpumpenergy-saving
关键词：再循环门；汽蚀
中图分类号：TK233.52文献标识码：A文章编号：1674-7712（2013）22-0000-02
火力发电厂做功的过程是依靠水的循环（即经过处理的水和凝结水由除氧器除氧后经给水泵加压送到锅炉，在锅炉内受热产生蒸汽，蒸汽在汽轮机内膨胀做功后经冷凝器冷凝为水，并如此循环往复）来实现的。在整个循环过程中，给水泵的安全运行是实现这个循环的关键。给水泵的出水量是随锅炉负荷而变化的。在启动时或在负荷很低时，给水泵很可能在给水量很小或给水量为零的情况下运行，液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生汽泡。这种产生气泡的现象称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡。流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。给水泵在运转中，若其流过部分的局部区域（通常是叶轮叶片进口稍后的某处）因为某种原因，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁厚击穿。在水泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致给水泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作，同时汽蚀时传递到叶轮及泵壳的冲击波，加上液体中微量溶解的氧对金属化学腐蚀的共同作用，在一定时间后，可使其表面出现斑痕及裂缝，甚至呈海绵状逐步脱落；发生汽蚀时，还会发出噪声，进而使泵体振动；同时由于蒸汽的生成使得液体的表观密度下降，于是液体实际流量、出口压力和效率都下降，严重时可导致完全不能输出液体。
为防止上述现象的发生。大型火力发电机组的给水泵运行都必须保持一定的特性曲线，为保证其安全运行必须使其工作在特定的区间，所以给水泵都安装有最小流量再循环调节阀，简称再循环阀或最小流量阀，安装在给水泵出口管道的支管上，接入除氧器。以保证在任何情况下都必须有一个最基本的流量，也就是给水泵的最小流量。当机组启动或者低负荷运行时，锅炉给水量需要量很小或不需要流量时，就会打开再循环阀，（一般为额定流量的30%左右）将一部分水返回除氧器水箱，以保证有一定的水量通过给水泵，而不致使泵内水温升高而汽化。而当给水量处于正常条件下时，再循环系统关闭。以保证给水泵的安全运行。
郑州新力电力有限公司发电机组给水泵保护再循环系统由最小流量阀、止回阀、流量测量系统，DCS控制系统组成。其中流量测量系统确定何时开启或关闭再循环系统。当给水泵流量大于等于410t/h时控制系统联关再循环电动门，当给水泵流量小于等于190t/h时控制系统联开再循环电动门，一部分水通过再循环门去除氧器。在机组实际运行过程中给水泵再循环电动门经常出现误动或拒动的情况，严重影响给水泵的安全运行。
我们对机组给水泵再循环保护的实际运行情况进行了调查，并统计了其四个季度及全年的正确动作情况如下图：
在实际工作中要求给水泵再循环保护动作百分之百正确，所以必须提高给水泵再循环保护动作的可靠性。我们热工专业技术人员对设备各个环节进行了认真分析检查，并根据缺陷记录，检修记录逐条分析。首先分析了给水泵再循环电动门，继电器及接线等外部设备情况，其设备主要是硬接线，从缺陷记录上看很少出现故障，所以可以排除。其次DCS系统保护控制回路，由于DCS是双电源，双DPU，系统处于封闭状态一般不会感染病毒，系统的可靠性是相当高的。从缺陷记录上看也可以忽略不计。其次分析现场环境原因：因为差压开关的抗震性能较好，可以排除现场振动的影响，同时可以排除系统测量管道有空气造成冲击的影响，这是客观条件，不能改变。只能提高测量元件的抗干扰和抗冲击能力。
经过全面的分析，造成给水泵再循环保护动作可靠性低的主要原因是当低负荷时给水流量在定值附近时波动比较大，同时由于差压开关抗干扰差，差压开关没有较好的阻尼特性，会造成差压开关的频繁动作，致使定值的准确性和接点的通断都难以保证100%正确。
热控专业技术人员通过研究讨论，先期提出了两个改进方案。第一个方案是更换新的差压开关，第二个方案是将差压开关更换为差压变送器。随后对这两种方案的优缺点进行了比较、选择，如表1。
由上表可以看出，方案一虽然解决了定值和接点准确动作的问题，但缺点依然存在，而方案二虽然需要改动管路及组态，但却可以很好的解决现实存在的所有问题，所以我们经讨论研究决定执行方案二，并制定对策实施步骤：
步骤一、更改测量管路以配合变送器测量。热工人员利用机组大修，将4个给水泵再循环差压开关取消，重新安装管路后，安装了两台差压变送器。
步骤二、修改给水泵再循环保护的组态并设置定值。改造前给水泵再循环差压开关的定值是通过校验台校验设定的，改造后，原差压开关取消，改用差压变送器，可以精确测量流量的实时值，然后利用DCS控制系统功能非常强大的特点，对给水流量进行补偿计算，使给水流量更精确，在组态软件中设定给水流量动作上限及下限，当给水流量大于等于410t/h时保护联关再循环电动门，给水流量小于等于190t/h时保护联开再循环电动门。于是上述差压开关存在的问题迎刃而解。对于给水系统管道有空气扰动冲击，也由于差压变送器自身的阻尼特性，和在DCS控制系统中加装了延迟模块得到有力的化解，并且差压变送器的模拟量信号直接送入DCS，也免去了繁琐继电器控制回路，减少了故障点。
改造后给水泵再循环保护系统运行良好，动作正常。我们统计了6-9月份的动作情况，如表2给水泵再循环保护动作可靠性达到了100%！
通过本次技术攻关的成功实施，确保了机组给水泵能够工作在安全的特性区间，保证了机组的稳定运行。能够有效的延长给水泵的寿命，形成了不可估量的隐形效益。
关键词：循环水系统水泵电机高压变频器
中图分类号：TE08文献标识码：A文章编号：
公司循环水装置主要功能是负责向公司各级生产设备输送合格的循环水，用以冷却工艺介质，确保生产装置运行正常。
1.工艺概况
该循环水系统由三台型号规格相同的水泵及与之匹配的三台电机组成，其工艺流程示意图如下：
循环水泵使用规律为“两用一备”，其“启动、停止”控制由远方操作室值班人员完成，启动方式为直接启动。工艺设计该循环水系统的循环水供应能力为3500m3/h，管网压力0.6MPa。在实际运行过程中，循环水的实际需求量为2500～3000m3/h，其中一台循环水泵阀门为全开，另一台水泵阀门开度为30%左右，电机运行电流为55A，总管网压力为0.6MPa。
2.改造前系统分析
（1）循环水泵设计输送能力远大于实际需求，电能浪费严重。
根据资料此循环水系统的实际输送量在2500～3000m3/h时即可满足设备需求，远小于设计输送能力3500m3/h。而目前该循环水泵电机为工频定速运行，无法通过转速调节调整水泵流量，因此，为匹配循环水用户的实际需求量，只能采用阀门调节的方式调整水流量，从而造成很大部分的电能浪费在做“无用功”中。
（2）电机直接启动,启动冲击电流大
由于电机采用直接启动，启动电流较大，一般为额定电流的4-7倍。因此在启动时，不但对电机电机绝缘造成损害，同时还会对电网造成了严重的冲击，影响电网上其他设备的稳定运行。另外，电机在直接启动时，由于管网内水量在极短时间内的发生巨大变化，有可能产生“水锤效应”，对管网设备寿命极为不利。
（3）阀门控制时节流损耗大
由现场调查得知，其中一台水泵阀门开度仅为30%，水泵长期处于“憋泵”状态，加速了阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差，同时还会有部分能耗消耗在节流损失中。
（4）低功率因数
电机功率因数不高（额定0.89，实际功率因数更低），降低了设备电能的使用效率。
2.变频改造后系统分析
水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。水泵的电动机的轴功率P与其流量Q，扬程H之间的关系式如下：
P∝Q×H（1）
当流量Q1有变化到Q2时，电动机的转速为N1、N2,此时Q、P、H相对于转速的关系如下：
Q2=Q1×(N2/N1)（2）
H2=H1×(N2/N1)2（3）
P2=P1×(N2/N1)3（4）
而电动机的轴功率P和转矩T的关系为：
T∝P/N（5）
因此，T2=T1×(N2/N1)2（6）
由式（3）和式（6）可以看出，水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
图01（a）显示出了水泵的压力与流量的关系曲线，图01(b)显示出转矩与电机速度的关系曲线：
从图01(b)中可以看出，在低速时，电动机功率会有很大的下降。由于水泵运行于额定转速以上是恒定功率调速，此时水泵效率很低，机械磨损很大，容易损坏电机。从理论上讲，速度降低10%时会带来30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
下表为速度降低后的理论节能表：
另外，根据水泵工作原理与运行曲线，我们可以得到下图中的100％转速运行特性曲线（阻抗曲线），这条曲线配合水泵在不同流量运行时可以得到在未应用变频调速情况下使用阀门调节流量时的功率。采用阀门控制、变频控制时水泵能耗特性如下图：
由此可见，采用变频调速装置调节流量时，水泵消耗的功率几乎是理论最低耗能值。在流量为60%时,阀门控制消耗电机额定功率的约85%，而变频控制只有消耗电机额定功率的约25%。采用变频调速装置在泵类等具有平方转矩特性的负载时，可以节约大量的能量。
无功功率消耗不但增加线损和设备的发热，更主要的是使设备使用效率低下，浪费严重。
由公式
P=S*COSФ
Q=S*SINФ
其中：S－视在功率，P－有功功率，
Q－无功功率，COSФ－功率因数，
可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率，更重要的是使水泵工作效率总是处于最佳工作状态。
由于电机为直接启动或Y/Δ启动，启动电流等于4~7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还对电网容量要求过高，启动时产生的震动和冲击对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，同时通过对升速时间的预置来延长启动过程，使启动过程中的动态转矩大为减小，从而能有效地避免“水锤效应”的产生，极大减小了对管道、阀门及检测元件的冲击，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。同样在停机时，采用变频软停止，也能有效的避免“水锤效应”。
3.改造后节能效果分析（以单台循环水泵为例）
（1）水泵系统阀门调节时耗电成本（M1）
根据电机设备参数可知，阀门全开的水泵电机运行电流约71A，当阀门开度为30%的水泵电机运行电流为55A，因此在阀门控制时消耗功率为
P阀=√3UICOSφ=1.732×6000×55×0.89=508kw
全年以8500小时运行时间计算，则年度耗电量为：
年度耗电量=508kw×8500h=4318000kwh
电费以0.63元/度计算，则年度耗电成本为：
年度耗电成本（M1）=4318000kwh×0.63元/kwh=2720340元
（2）水泵系统变频调节时耗电成本（M2）
设电机效率为98%，变频器效率为97%，额定流量时轴功率为630kw。
目前循环水用户的实际需求量在2500-3000m3/h，而单台循环水泵的输送能力为1872m3/h，因此在满足用户最大循环水需求量时另外一台输送水量只需1128m3/h，那么在使用变频器后，根据泵类负载转速、流量关系设定频率为35Hz即可满足工艺要求。
由于此次改造只针对其中一台水泵电机，因此，对于有工频泵和变频泵同时运行的循环水泵系统，为保证管网设备的更安全运行（特别是要满足最低压力要求0.45Mpa），可将频率调整至39Hz，那么采用变频器后，在变频运行时（阀门全开），由流体力学知识可知，电机输出功率为：
P电机=P额×(N2/N1)3÷η1÷η2=630×（39/50）3÷0.98÷0.97=314.5kw
年度耗电量：=314.5kw×8500h=2673250kwh
年度耗电成本（M2）=2673250kwh×0.63元/kwh=1684148元
（3）年度直接节电效益（M3）
节电率=（P阀P电机）/P阀=(508-314.5)÷508=38%
年度节电效益（M3）=M1M2=27203401684148=1036192元
循环水泵是火力发电设备中的重要辅机之一，其功耗占主机容量的4％左右。由于冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素，因而循环水泵的控制历来是火电厂中的一个重要问题。目前国内已投入运行的中等功率的火电机组大多采用节流调节方式，通过操作阀门实现冷却水水流量的调节，而对循环水泵采取定速控制[1]。这种调节方式控制粗糙，汽轮机的真空度不稳定，不能保证汽轮机在经济运行方式[2]下运行。另外，当在低负荷运行时，定速控制造成阀门两端压差很大，大量的能量消耗在阀门上，并且泵的运行效率也很低，长期运行导致火电厂的能耗十分严重。随着大功率机组的大量投入运行，各电网中的中等功率机组相继参入调峰运行，循环水泵大多数运行时间在变工况下工作。现在国家已经把火电厂的节能技术改造提高到了一个新的高度，并列入电力行业重点科技计划。因此，在能源资源日益紧张的今天，研究如何对循环水泵进行调速控制具有十分重要的社会价值和经济价值。
本文通过分析汽轮机的经济运行原理，提出了一种新的先进的调速流量控制方案，采用PLC、PID和变频技术对循环水泵进行调速控制，组成"汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动PLC控制系统"。该控制系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机循环水泵系统水泵的数量和转速，达到最有利真空的控制目的，从而改变了火电厂以往的状况，实现了汽轮机真空度的高精度控制和经济运行，且运行稳定，可靠性能高，节能效果显著。
2汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
2.1汽轮机的最有利真空度
目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件，于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度，但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时，循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量N1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率N2。显然，汽轮机的最有利真空Peco(又称为经济真空)，应位于净增功率N=N1-N2的最大值处[3]，此时汽轮机工作在经济运行方式[3]。如图1所示，Dw为冷却水流量，p为汽轮机的凝汽器真空，ΔN为功率差值，ΔN在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到点a达到最大，如果再进一步增大冷却水水流量，ΔN反而开始减小，直至为零。但当到达c点时，汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，故c点所对应的真空称为极限真空[4]。从图中可以看出，由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco就是最有利真空，a点所对应的冷却水水量Deco就是最佳冷却水水量。
因此，我们应经过计算分析确定出对汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水的流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式下工作。
2.2最有利真空度的计算
由上述分析可以看出，改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益N，确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中，利用工控机(IPC)调用各种参数数据，可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用，本文根据工程实际经验[3]，采用以下计算原则。
(1)根据循环水量增加以前的测试数据，计算出凝汽器的传热系数和冷却水速修正系数φν1。
(2)根据循环水量增加以后的测试数据，计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。
由公式:
(1)
求出增加循环水量后的传热系数k2。
(3)假设一个排汽压力Pn，计算出传热等效平均温差tm2。
由公式:
(2)
式中A为凝冷器换热面积，r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。
如果Dn2的值满足下式:
(3)
(式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量)则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式，应重新设定排汽压力值进行计算，直至满足为止。
(4)根据排汽压力Pn，计算出相对真空和提高的真空度。
(5)根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费，就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益N。
(6)按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益N，由图1可以确定最有利真空的位置peco。
由以上计算分析的原则，控制系统可以通过上位机(IPC)实时计算最有利真空的数值，由此作为依据(PID调节器的设定值)，来调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组的经济运行。
2.3循环水流量的调速控制方式原理
图2所示曲线为转速n一定时水泵的扬程－流量(H-Q)特性曲线和管阻特性曲线。由图可知，当改变水泵的转速时，其Q-H特性曲线随着转速的改变在图中是平行上下移动的(如从nA降到nA'时的虚线曲线所示)。
水泵的管阻特性曲线可用公式(4)表示:
(4)
式中Sf为管网阻力系数，HST为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和，它是个定值。SfQ2为总的水阻力损失，它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与H~Q曲线的交点即为水泵运行的工况点[5]。
当汽轮机的蒸汽负荷改变时，循环水泵的流量要随之变动(假设流量从QA降为QB)。有两种方法可以改变流量:一种是通过改变给水调节阀的开度(节流调节方式)，使管网阻力系数Sf改变，从而改变管阻特性曲线，如图2所示，这时水泵运行的工况点变为B，对应的流量是QB，扬程是HB。另-种方法是通过改变水泵的转速，改变水泵的特性曲线，这时水泵运行的工况点为A'，转速由nA降到nA'，流量也为QB，而扬程为HA'。
可以看出，与调速方式相比，调节阀门流量的控制方式中有HB－HA'的扬程浪费在管网中;当在低负荷等工况运行时，冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制，造成阀门两端压差很大，很大的能量消耗在阀门上，长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候，有可能导致管网破裂，造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行，节能效果是很显著的。
3汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计
3.1系统的控制原理
该系统主要由由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。
工控机(IPC)作为上位机，主要负责火电厂的运行检测和监控，并在线计算最有利真空值，为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统，用来控制循环冷却水流量。
3.2循环水泵的调速控制
由2.1和2.2的分析可知，最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统，如图3所示。其中，PLC控制着各台水泵的运行状态(工频、变频、停止)，从而控制水泵的运行台数，在大范围上控制循环水的流量;PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制循环水的流量，从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。
水泵的速度调节控制是汽轮机最有利真空控制系统的核心内容。系统采用交流变频调速技术[5]，利用变频器对循环水泵进行速度控制。控制原理如图3所示，采用“一变多定”的控制方式，并根据PID调节器输出电压信号驱动变频循环水泵。
系统采用的REX-CD901PID调节器，内嵌模糊控制技术和参数自整定技术，调节品质优良。它的输入设定值来自上位机根据蒸汽负荷和冷却水温度等参数计算出的最有利真空值，反馈值为由压力传感器检测的汽轮机的实际运行的真空值。根据设定值和反馈值，PID自动调整变频器的频率给定输入，从而控制变频器的输出电压，进而控制循环水泵的转速，实现循环水流量的稳定控制。
3.3控制系统的硬件设计
图4为控制系统的硬件设计示意图。
系统选用的PLC为SiemensS7-200CPU226，用来控制三台水泵的运行逻辑(加减泵、切换、热备、故障处理)，并检测系统的状态(电机运行方式、变频器频率上/下限、各种故障等)，实现系统的全自动运行。由此，系统可根据最有利真空的位置，实时调节循环水泵的冷却水流量，实现最有利真空经济运行。
此外，为了在故障或检修时保证循环水泵可靠运行和设备安全，该系统还具有自动/手动切换功能和指定运行功能。
3.4PLC程序设计
PLC控制程序主要完成循环水泵系统最有利真空经济运行的的所有逻辑控制功能。其实现的主要功能如下:
(1)实现3台循环水泵、变频器及其他设备的启、停程序控制;
(2)实现加减泵时的切换控制;
(3)实现热备功能;
(4)实现故障处理和声光报警;
(5)控制系统预留出和上位工控机通讯的端口，具有很好的扩展功能;
在编写程序时，将PLC程序实现模块化。整个程序可分为五个模块:状态检测模块、运行逻辑运算块运算块、逻辑控制模块、热备模块、故障处理及显示模块。
1)状态检测模块
本模块程序的任务是检测控制系统状态，包括循环水泵的运行状态、频率上(下)限信号、各种故障、汽轮机的排气压力状况等，并将系统状态送入寄存器保存。为了防止干扰引起运行时误动作，程序对变频器的频率上限(下限)信号、压力状态等信号都进行数字滤波。
2)循环水泵运行逻辑运算块
运算块的作用就是根据系统的状态和循环水泵的当前运行状态和确定循环水泵的启停、切换以及运行方式(变频/工频)。其控制逻辑如图5所示。切换水泵时应遵循以下控制规则:
I.当经过滤波后仍有压力下限信号，且变频器频率已达50Hz(频率上限)时，继续升频至51Hz，然后关断频率输出信号，延时一秒种，将该泵切换至工频运行，然后变频启动另一台空闲泵。
II.当经滤波后仍有压力上限信号，且变频器频率降至至20Hz(频率下限)时，切掉变频运行的循环水泵，并将另一台工频运行的循环水泵切换为变频运行。
这两条控制规则能够有效的抑制水泵切换时冷却水流量的突变，使之平滑过渡。切换过程结束后，PID调节器继续通过检测的真空压力信号，调节变频器的运行频率，控制冷却水的流量，使汽轮机凝汽器在设定真空值处稳定运行。
在程序中，PLC会根据上述控制逻辑，设定各台水泵的运行状态字，形成操作字，灵活地实现运行水泵数量地增减切换。
3)逻辑控制模块
逻辑控制块的作用是按照运算块形成的操作字，使PLC输出控制指令，控制继电器、接触器等低压电气的闭合断开，从而实现对循环水泵切换、启停等控制功能。在程序中，将循环水泵的控制动作定义为4个基本的操作:工频停止(1000)、变频停止(0100)、变频工频(0110)、停止变频(0001)，电机的每一个控制动作都可以由这4个基本操作组成。PLC根据这些状态字实现对循环水泵系统的控制。
4)热备模块
热备控制模块能够在线监控各台循环水泵的运行时间，并且根据现场实际情况确定最佳切换时刻，以尽量减少真空度的波动为原则，实现循环水泵的轮流工作，平均承担供水任务，以延长电机寿命，防止水泵生锈导致电机堵转和电机绕组受潮。
5)故障处理及显示模块
故障处理模块能够实时检测设备的运行状况，及时处理各种运行故障，并显示报警。该模块程序能够不经运算及控制模块迅速处理诸如电机过热、进水温度过高等故障。此外还具有故障消除后自动复位等功能。
3.4应用情况
该系统已于1997年在山东海化集团热电公司汽轮机组中投入运，运行表明系统可将汽轮机真空度控制在设定真空值的0.25％范围内稳定运行，性能稳定，节能效果显著，平均节电率为35%。
应用表明，循环水泵变频控制系统具有以下优点:
1.与节流调节方式相比，调速方式提高了真空度的控制精度，改善了汽轮机机组运行的经济性能。
2.适应主机调频的需要。定速泵已不能适应这大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出口压力是可变的，因此能满足调频机组给水压力的需要。
3.提高机组的安全可靠性。当系统发生故障时，调速水泵可降低转速运行，降低给水压力和流量，在排除事故以后，机组即可重新启动参与运行。
4结论
本文通过分析汽轮机的经济运行方式，设计了一种汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有利真空的计算值，通过控制循环水泵的运行台数和转速来调整循环水流量，使电机组汽轮机工作在最有利真空位置，实现经济运行的目的。其控制技术先进，精度高、稳定可靠。另外，本文给出了一种计算最有利真空值的简便方法。
该系统对于改变目前大多数热电厂循环泵控制精度差、自动化程度低、能源浪费严重的状况，具有重要的现实意义。可广泛的应用于供水、供暖、油田等其他行业领域，将会产生巨大的经济效益，应用前景广阔。
参考文献
[1]糜若虚，宋元明.大型电动调速给水泵[M].北京:水利电力出版社，1990
[2]沈士一.汽轮机原理[M].北京:中国电力出版社，1992
[3]汽轮机及其辅助设备的经济分析[M].北京:中国电力出版社，2000
[4][苏].B..卡别洛维奇.任曙译.汽轮机设备的运行[M].北京:水利电力出版，
【关键词】电动机；变频节能；效果分析；DCS控制
引言
开工循环泵是醋酸合成系统的关键设备，其电能消耗占系统动力消耗的10%以上。传统泵类通过改变进出口阀门或挡板的开度调节流量，而采用变频调速技术，通过改变电机的转速来调节流量比传统的改进出口阀门和挡板的开度节技术更快和更精确，还可以实现电机的软启动，减少对电网的冲击和对设备损耗，并达到节约电能的目的。
本文介绍了我公司采用ABB公司的ACS-800变频器对原有的开工循环泵电动机进行变频节能改造方案，并对节能效果进行了分析。
1变频调速节能原理
开工循环泵是一种离心泵，该泵是通过调节阀门的开度来实现流量调节的。如阀门在泵的出口，当开度减小时，阻力增大，不适宜大范围调节流量。如阀门在泵的入口时，可增大调节范围，但节能效果不如变频调速。当采用变频调速时，出入口阀门全部打开，只改变泵的转速，不改变管网介质的阻力。从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的离心泵，其轴功率P与流量Q，压力H的关系为：
P=K×H×Q/η
当电机转速由n1变化到n2时，流量Q、压力H和轴功率P与转速的关系如下：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的三次方成正比关系。如果泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即该泵电机的耗电功率与转速近似成三次方成正比的关系。
2方案设计
现有一台160KW开工循环泵，为工频直接启动，采用M300电动机综合保护器实现过电流，速断，堵转等保护。
2.1改造方案的设计要求
（1）改造后开工循环泵应满足工艺要求；
（2）改造后，开工循环泵可以实现工频运行和变频运行，两种运行方式要有各自的保护、控制、测量回路；在变频运行模式下，可以实现后台调速。
（3）正常情况下使用变频回路，当变频器发生故障时，应能迅速切除变频回路，并迅速启动工频回路。
（4）改造后，在工频运行方式和变频运行方式下都能实现后台监视、后台控制等功能
（5）工频运行方式和变频运行方式之间要有安全连锁
2.2改造方案设计
根据原有电路特点选择相应容量的设备。变频器选用ABB公司ACS800变频器，功率与电动机相同。主回路系统图如图1所示
变频系统和工频系统的电源进线相互独立，通过在变频回路和工频回路加装的接触器KM1和KM2，以实现变频和工频的隔离和切换。在正常情况下，转换开关打在变频位置，接触器KM1闭合，KM2断开，通过现场变频回路启动按钮（或后台DCS启动）实现电机变频运行；当变频器故障时，将转换开关切至工频位置，接触器KM1断开，通过现场工频启动按钮（或后台DCS启动）实现电机在工频方式下运行。接触器KM1和KM2通过辅助触点实现电气互锁，保证接触器KM1和KM2线圈不能同时吸和，保障系统的安全性。
在变频运行方式下，可以通过DCS系统对电机的转速进行调节。DCS系统根据流量设定值和反馈值自动调节开工循环泵电动机转速，实现闭环控制；当反馈系统出现问题时，变频器又可根据预设定的转速拖动电动机，实施开环控制，仍可保证系统正常运行。另外，将电动机运行信号、电机综合保护器故障输出信号、变频器故障信号、电动机电流、电动机转速等信号引入DCS系统，控制室值班人员能实时监控设备运行状况，发现问题能及时处理。
此外，开工泵原有的保护系统全部保留，并加入变频器的保护功能，设备发生故障是能及时停机。变频回路和工频回路的控制电源要分开，保证检修任意一台设备时，控制回路不带电，保证检修人员安全。
3节能效果分析
系统改造后，实际的节电效果与负荷变化、泵体运行状态等因素都有很大的关系。我们根据如下检测数据进行计算：开工循环泵电机功率160KW，在工频运行方式下，电机运行电流为278A，电压为380V，功率因数为0.83，在变频运行方式下，变频器输出频率为45.7Hz，功率因数为0.9。
挡板开度调节时的电机实际有功功率为：
P1=1.732UIcosφ=1.732×380×278×0.83=151.8KW
当变频调速时，根据泵类平方转矩负载关系式：P=P0（n/n0）3计算，
变频调速时电机实际有功功率为：
P2=P0（n/n0）3=160×（45.7/50）3=122.2KW
变频器改造后的节电率为：η=（P1-P2）/P1=19.5%
4结束语
本文采用了变频器对开工循环泵进行节能造，采用安全连锁，DCS控制等技术手段来实现。变频改造后不但节能效果明显，功率因数由0.83提高到0.9左右，而且优化了控制方案，提高了系统的自动化程度，控制效果良好。同时，电机实现了软启动，启动电流小于电机的额定电流，减少了启动电流对电网的冲击和设备损耗，延长了电机和泵的使用寿命，减少了设备维护量，有较好的经济效益。
参考文献：
【关键词】循环水泵；技术经济比较；火力发电厂
引言
西北地区部分火力发电厂因冬季供热，凝气量减少，造成冬、夏季需冷却水量差别较大。本文就以新疆阿勒泰地区某小型火力发电厂为例，对水泵的选择及运行方案进行比较并做结论。
1.概述
本电厂为新建工程，本期容量为2×135MW超高压、一次中间再热、单抽、凝汽式机组，配2台超高压、一次中间再热440t/h煤粉锅炉；并预留扩建场地。
现就本期工程的循环水泵是否调速运行提出以下两种方案：
方案一：本期供水系统采用带自然通风冷却塔的二次循环供水方式，扩大单元制供水系统。2台135MW机组配2座2500m2自然通风冷却塔，塔前设1座集中循环水泵房，泵房内设置4台单速循环水泵。两座冷却塔布置在主厂房的东侧，循环水泵房布置在2座冷却塔西侧中间位置。
方案二：本期供水系统采用带自然通风冷却塔的二次循环供水方式，扩大单元制供水系统。2台135MW机组配2座2500m2自然通风冷却塔，塔前设1座集中循环水泵房，泵房内设置4台循环水泵，两台单速水泵、两台双速水泵。两座冷却塔布置在主厂房的东侧，循环水泵房布置在2座冷却塔西侧中间位置。
2.循环冷却水量
本期工程安装2台135MW湿冷凝汽式汽轮发电机组，供水系统采用带自然通风冷却塔的二次循环供水系统。根据机组参数，1台135MW机组在各工况下凝气量为：TRL工况：292.763t/h，冬季供热工况：100.70t/h
经供水系统优化计算，凝汽器的夏季冷却倍率取60，春秋季冷却倍率取50，冬季的冷却倍率取45。夏、冬季及凝汽器循环冷却水、辅助设备冷却水和其它附属设备冷却水所需的循环水量如下：
夏季：两台机冷却水量为35132m3/h；辅机水量为3120m3/h，共需冷却水量为38252m3/h；
冬季：两台机冷却水量为9064m3/h；辅机水量为3120m3/h，共需冷却水量为12184m3/h。
3.供水系统布置
本期2×135MW机组冷却塔采用2座2500m2的钢筋混凝土双曲线自然通风冷却塔。每台135MW机组配1座2500m2自然通风冷却塔，2台循环水泵。1号机对应的1#冷却塔位于主厂房固定端；2号机对应的2#冷却塔位于主厂房扩建端。循环水泵房至主厂房前压力钢管及主厂房至冷却塔压力钢管均为DN1800钢管，辅助冷却水管为DN600钢管。循环水自流沟为钢筋混凝土结构，断面1.6m×1.6m。
4.循环水系统水力计算
本期供水系统采用带自然通风冷却塔的二次循环供水方式，扩大单元制供水系统。
供水系统阻力计算结果如下：
凝汽器：4.80（3.89）m，静扬程（冷却塔水池水面中央竖井设计水位）：9.3m，系统局部和沿程水阻：5.85（4.74）m，富裕量：0.3m；共计：20.25（18.23）m。
注：括号内为冬季供热工况供水系统阻力
5.循环水泵选型比较：单速泵与双速泵的比较
5.1循环水泵选择
5.1.1方案一：
根据循环冷却水的流量和扬程，本工程共选四台泵，其中大流量泵2台，小流量泵2台。夏季一机两泵（一台大流量泵，一台小流量泵）运行，冬季一机一泵（一台小流量泵）运行，所选循环水泵参数如下：
大流量泵：2台；流量：3.62m3/s；扬程：24m；效率：88%；配电动机功率：950KW；电压：6000V；
小流量泵：2台；流量：1.70m3/s；扬程：19m；效率：88%；配电动机功率：425KW；电压：6000V
5.1.2方案二：
根据循环冷却水的流量和扬程，本工程共选四台水泵，其中单速泵2台，双速泵两台。夏季一机两泵运行（一泵定速，一泵高速）；春秋季一机两泵运行（一泵定速，一泵低速）；冬季一机一泵低速运行。所选循环水泵参数如下：
定速泵：2台；流量：2.66m3/s；扬程：21m；效率：88%；配电动机功率：710KW；电压：6000V。
双速泵：2台；流量：2.66m3/s（高速）；1.70m3/s（低速）；扬程：21m、19m；效率：88%；配电动机功率：710KW、425KW；电压：6000V。
5.2综合经济性比较
方案一：
循环水泵价格：大流量泵两台，每台单价：105万元；小流量泵两台，每台单价：40万元；共计：280万元。循环水泵运行状况：启停水泵台数控制流量。
方案二：
循环水泵价格：单速泵两台，每台单价：55万元；双速泵两台，每台单价：85万元，共计：290万元。循环水泵运行状况：调整水泵转速调整流量
综合评价：方案一较方案二增加10万元，但方案二较方案一春秋季运行更合理，电耗及水量损失较小。本工程为供热电厂，夏、冬季循环水系统运行工况要求多，方案二运行费用较低，对运行人员的要求也较低。因此，推荐方案二。
6.立式泵与卧式泵的比较
循环水泵有立式和卧式两种，立式泵优点是单独布置，占用场地较小，但价格较卧式泵较贵，泵房高度较高，检修困难。卧式泵占地稍大，但工程实例较多，应用广泛，且价格较立式水泵较低，泵房高度较低，检修方便。
以下是对两种泵在本工程中运用情况的比较。
立式泵：
循环水泵房尺寸：32.4m×15m×24.2m、每座泵房造价：408.24万元；循环水泵价格：每台单速泵：75万元、每台双速泵：87万元；共计：732.24万元；
卧式泵：
循环水泵房尺寸：36m×15m×18.5m，每座泵房造价：349.65万元；循环水泵价格：每台单速泵：65万元，每台双速泵：75万元；共计：629.65万元。
7.结论及建议
根据工程总体投资比较，采用卧式泵方案比采用立式泵方案初期投资少102.59万元，且电厂厂内空间较大，立式泵房相较卧式泵房节省的空间并无他用；2台定速2台双速泵结合形式较4台定速泵形势初期投资少10万元。且从运行的角度考虑，对于供热机组，采用2台定速2台双速泵运行控制比较灵活，对运行人员的素质也要求较低，比较适合西部地区的实际情况。
立式泵单独布置，占用场地较小，但价格较贵，泵房高度高，检修困难。卧式泵占地稍大，但工程实例较多，应用广泛，且价格较低，泵房高度低，检修方便，投资较少。
因此，本工程推荐采用4台卧式循环水泵，其中两台定速泵，两台双速泵的方案。
参考文献：
[1]《火力发电厂水工设计规范》DL/T5339-2006.
[2]《泵站设计规范》GB50265-2010.