凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造分析

趙智龍

凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造分析

趙智龍

（中國(guó)華電集團(tuán)公司望亭發(fā)電廠，江蘇蘇州 215155）

通過對(duì)更換電動(dòng)機(jī)、減少凝結(jié)水泵的葉輪級(jí)數(shù)以及加裝變頻器3種方案進(jìn)行分析，最終得出加裝變頻器為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最佳節(jié)能方案，論述了變頻技術(shù)指標(biāo)以及變頻技術(shù)在電動(dòng)機(jī)節(jié)能中的實(shí)際效果和經(jīng)濟(jì)效益。

節(jié)能；變頻器；電動(dòng)機(jī)；技術(shù)改造

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的大容量、高參數(shù)機(jī)組被投放到電網(wǎng)中，導(dǎo)致電量的消耗隨之提升。我國(guó)針對(duì)節(jié)能減排出臺(tái)了一系列措施，規(guī)定在保證電網(wǎng)安全的前提下，按照上網(wǎng)機(jī)組能耗指標(biāo)的高低對(duì)電廠進(jìn)行排序，能耗低的電廠優(yōu)先發(fā)電。因此，電廠必須降低輔機(jī)能耗來適應(yīng)電力市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。電廠廠用電中，泵消耗電量約占廠用電量的50%，如何降低各類泵的電能消耗成為首要問題。

1 機(jī)組情況概述

中國(guó)華電集團(tuán)公司望亭發(fā)電廠（以下簡(jiǎn)稱望亭電廠）現(xiàn)有裝機(jī)容量2740MW，共有2臺(tái)300MW級(jí)亞臨界燃煤機(jī)組（＃11機(jī)組容量為310MW，＃14機(jī)組容量為330MW），2臺(tái)390MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（＃1，＃2機(jī)組）和2臺(tái)660MW超超臨界燃煤機(jī)組（＃3，＃4機(jī)組）。

2 節(jié)能方案分析

在望亭電廠＃1，＃2機(jī)組的6 kV輔機(jī)中，凝結(jié)水泵存在較大的節(jié)能空間，其額定參數(shù)為：流量，525 t／h；出口壓力，2.49MPa；電動(dòng)機(jī)功率，630 kW；電流，71.5A。機(jī)組運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 望亭電廠＃1，＃2機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)參數(shù)

從表1數(shù)據(jù)分析得出，凝結(jié)水系統(tǒng)存在2個(gè)問題：一是電動(dòng)機(jī)額定功率高出實(shí)際需求量20%左右，造成使用效率降低，能源被無故浪費(fèi)；二是凝結(jié)水泵出口壓力偏高，低壓給水調(diào)門長(zhǎng)期節(jié)流運(yùn)行，損失較大。低壓省煤器在運(yùn)行中溫度不得超過160℃，該溫度對(duì)應(yīng)壓力為0.618MPa，而目前低壓給水調(diào)門前壓力最低為1.800MPa，尚有較大節(jié)能空間。

針對(duì)該凝結(jié)水泵的現(xiàn)狀，經(jīng)研究初步確定3個(gè)方案：一是更換凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)；二是通過減少凝結(jié)水泵葉輪級(jí)數(shù)來降低凝結(jié)水泵出力，減少節(jié)流損失；三是加裝變頻器降低凝結(jié)水泵出力，減少節(jié)流損失。下文對(duì)3種方案分別進(jìn)行分析。

2.1 更換凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)

更換凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)可以直接降低電動(dòng)機(jī)功率，提高電動(dòng)機(jī)效率。張家港電廠同類型機(jī)組凝結(jié)水泵額定參數(shù)為：流量，524 t／h；出口壓力，2.47 MPa；電動(dòng)機(jī)功率，500 kW；電流，56.2 A。機(jī)組運(yùn)行中凝結(jié)水泵部分參數(shù)見表2。

表2 張家港電廠同類型機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)參數(shù)

對(duì)比表1與表2可以看出，在凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)功率較匹配的情況下，更換凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)可提高整體效率，相同工況下功率可下降約10%。表3為張家港電廠近2年凝結(jié)水泵用電使用情況統(tǒng)計(jì)。

通過同類型機(jī)組運(yùn)行情況可看出，電動(dòng)機(jī)功率為500 kW時(shí)已完全能滿足各種工況的需求。直接更換1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，費(fèi)用約60萬元，2臺(tái)機(jī)組共需240萬元。按2011年凝結(jié)水泵用電量計(jì)算，在平均功率下降10%的情況下，可節(jié)約廠用電59萬kW·h，以目前上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，1年節(jié)約費(fèi)用為59×0.581＝34.3（萬元）。維護(hù)費(fèi)用與原來一樣，不會(huì)增加，則240÷34.3＝7（年）可以收回成本。

表3 張家港電廠近2年凝結(jié)水泵用電情況

2.2 減少凝結(jié)水泵葉輪級(jí)數(shù)

江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱戚墅堰公司）同類型凝結(jié)水泵已拆除一級(jí)葉輪，取得了明顯效果。表4為戚墅堰公司凝結(jié)水泵減少葉輪后的運(yùn)行工況。

表4 戚墅堰公司凝結(jié)水泵減少葉輪后運(yùn)行工況

對(duì)比表1和表4可以看出，在相同工況下，減少葉輪后凝結(jié)水泵電耗下降了約20%。

減少凝結(jié)水泵葉輪后，戚墅堰公司凝結(jié)水泵運(yùn)行工況良好，符合安全運(yùn)行條件下降低能耗的既定目標(biāo)。但望亭電廠凝結(jié)水泵的原始狀態(tài)與其有一定差異，之前嘗試拆除一級(jí)葉輪，但泵的出力仍大于其他電廠。

要想達(dá)到戚墅堰公司凝結(jié)水泵的節(jié)能效果，望亭電廠至少需要拆除一級(jí)葉輪及小車一級(jí)葉輪，但該措施是否會(huì)影響凝結(jié)水泵的運(yùn)行尚未可知，還需要相關(guān)專家進(jìn)行評(píng)測(cè)。

由于基礎(chǔ)出力高，望亭電廠凝結(jié)水泵功率下降到350 kW的可能性不大。因此，在計(jì)算經(jīng)濟(jì)性時(shí)以戚墅堰公司的凝結(jié)水泵電耗下降幅度計(jì)算。以2012年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來看，1年可以節(jié)約電量約100萬kW·h，折合58.1萬元。

2.3 凝結(jié)水泵加裝變頻器

2.3.1 變頻節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）控制啟動(dòng)電流。在電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，從電動(dòng)機(jī)或感性負(fù)載通電的瞬間到運(yùn)行平穩(wěn)的短暫時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電流波動(dòng)，這個(gè)電流一般是額定電流的4～7倍。這個(gè)沖擊電流將大大增加電動(dòng)機(jī)繞組的電應(yīng)力，并產(chǎn)生熱量，從而降低電動(dòng)機(jī)的壽命。變頻調(diào)速在適當(dāng)增加轉(zhuǎn)矩后，可以零速、零電壓?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)，能充分降低啟動(dòng)電流，從而降低電動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本，并延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

（2）降低線路電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)是指電壓均方根值發(fā)生一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。在電動(dòng)機(jī)工頻啟動(dòng)、電流劇增的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大幅的電壓波動(dòng)。電壓下降的幅度取決于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降會(huì)導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如PC機(jī)傳感器接近開關(guān)和接觸器等均會(huì)動(dòng)作出錯(cuò)。采用變頻調(diào)速后，能最大限度地消除電壓下降。

（3）啟動(dòng)功率低。電動(dòng)機(jī)的功率是電流和電壓的乘積，即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)損耗的電流或電壓越大，損耗的功率就越大，那么電動(dòng)機(jī)通過變頻啟動(dòng)消耗的功率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通過工頻直接啟動(dòng)所消耗的功率。

（4）加速可控。電動(dòng)機(jī)通過工頻啟動(dòng)時(shí)，自身和相連機(jī)械部分的軸、齒輪等都會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這種振動(dòng)將進(jìn)一步加劇機(jī)械磨損并降低電動(dòng)機(jī)和機(jī)械部件的使用壽命。而變頻調(diào)速可以做到零速啟動(dòng)，并按照用戶的需要進(jìn)行較為平穩(wěn)的加速，而且有多種加速曲線，如直線加速、S形加速和自動(dòng)加速等。

（5）運(yùn)行速度可調(diào)。運(yùn)用變頻調(diào)速能優(yōu)化運(yùn)行過程，并能根據(jù)運(yùn)行工況迅速改變運(yùn)行轉(zhuǎn)速，還能通過遠(yuǎn)控可編程邏輯控制器（PLC）或其他控制器來實(shí)現(xiàn)速度變化。由于最終的能耗與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以加裝變頻器后凝結(jié)水泵有很高的節(jié)能效益。

（6）短時(shí)失電保護(hù)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)重合閘等短時(shí)失電時(shí)，工頻運(yùn)行的泵會(huì)隨之停止運(yùn)行，但變頻運(yùn)行的泵會(huì)因變頻器內(nèi)部的儲(chǔ)能元件短時(shí)維持失電前的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，保證了設(shè)備運(yùn)行的不間斷性。例如，望亭電廠在＃11，＃14機(jī)組一次風(fēng)機(jī)變頻器上增加的失電跨越功能，較好地解決了短時(shí)失電運(yùn)行問題。

2.3.2 變頻器的2種布置方式

變頻改造主流措施主要有“一拖一加旁路”或“一拖二加旁路”2種方式?！耙煌弦弧狈绞絻?yōu)點(diǎn)為運(yùn)行方式比較靈活，缺點(diǎn)為投資較大；“一拖二”方式相對(duì)“一拖一”方式的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約一部分成本，但是運(yùn)行方式較為單一。結(jié)合望亭電廠實(shí)際情況，參考年使用小時(shí)數(shù)，凝結(jié)水系統(tǒng)變頻改造應(yīng)采用“一拖二加電動(dòng)旁路”的方案，即單機(jī)配備1臺(tái)高壓變頻器，通過切換高壓隔離開關(guān)把高壓變頻器切換到要運(yùn)行的凝結(jié)水泵上去。該方案一次回路接線如圖1所示。高壓變頻器可以拖動(dòng)甲凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行，也可以通過切換拖動(dòng)乙凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。2臺(tái)凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)均具備工頻旁路功能，可實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行，另外一臺(tái)處于工頻備用的工況。當(dāng)高壓變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)可聯(lián)鎖啟動(dòng)另一臺(tái)工頻電動(dòng)機(jī)及時(shí)投運(yùn)，并可按照原正常倒泵時(shí)間切換。

圖1 凝結(jié)水泵變頻器“一拖二”系統(tǒng)原理

同類型機(jī)組已采取過此方案，每臺(tái)機(jī)組安裝1臺(tái)變頻器，采用“一拖二加電動(dòng)旁路”的方案，運(yùn)行情況良好。正常工況下安排1臺(tái)凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行，1臺(tái)凝結(jié)水泵工頻備用。加裝變頻器后的節(jié)能效果見表5。

表5 加裝變頻器后凝給水系統(tǒng)參數(shù)

由表2、表5可以看出，節(jié)能效果良好，400，350和280MW負(fù)荷下，凝結(jié)水泵功率分別下降了25%，33%和42%。

從已加裝凝結(jié)水泵變頻器的同類型機(jī)組運(yùn)行情況看，凝結(jié)水泵運(yùn)行情況良好。低壓給水調(diào)門前壓力為1MPa左右，對(duì)應(yīng)飽和溫度約為180℃，滿足低壓省煤器的運(yùn)行要求，尚有20℃以上的裕量。

2.3.3 節(jié)能效益分析

如果采取每臺(tái)機(jī)組加裝1臺(tái)變頻器（一拖二）的方案，加上材料、調(diào)試、人工等費(fèi)用，總費(fèi)用為245萬元左右。從節(jié)能效果看，總體負(fù)荷越低，凝結(jié)水泵加裝變頻器后節(jié)能效果越明顯，凝結(jié)水泵功率下降幅度在33%以上。初步估算可以節(jié)約廠用電量220萬kW·h，按當(dāng)前上網(wǎng)電價(jià)折合128萬元，預(yù)計(jì)2年可以收回成本。

以2012年為例，＃1，＃2機(jī)組共啟、停133次，其中11次冷態(tài)啟動(dòng)，冷態(tài)啟、停1次時(shí)間約為5 h，熱態(tài)啟、停1次時(shí)間約為2 h，則啟、?？倳r(shí)間約為300 h，占機(jī)組總運(yùn)行時(shí)間的3%。在計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，按照節(jié)能33%估算，如果每天使用變頻凝結(jié)水泵，按照平均功率計(jì)算。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，工頻運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵電能表常數(shù)為5.70 r／（kW·h），變頻運(yùn)行時(shí)為3.47 r／（kW·h）。

2012年，＃1，＃2機(jī)組凝泵電耗分別為332和259萬kW·h，則每年可以節(jié)約電量＝（332+ 259）×（1-3%）×（5.70-3.47）÷5.70＝224.3（萬kW·h）。

變頻裝置冷卻系統(tǒng)使用單臺(tái)3匹空調(diào)冷卻，該空調(diào)單匹每小時(shí)耗電量約為0.7457 kW·h，按機(jī)組1年運(yùn)行300 d統(tǒng)計(jì)，則總耗電量為0.745 7×3× 24×300≈16107（kW·h）。則2臺(tái)機(jī)組合計(jì)凈節(jié)能2 243 000-2×16 107＝2 210 786（kW·h），約221萬kW·h。

按照目前上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，可節(jié)約資金221× 0.58＝128（萬元），回收資金時(shí)間約為245÷128＝1.91（年）。

綜上所述，加裝變頻器應(yīng)為最佳方案，雖然投資較大，但按照近2年機(jī)組發(fā)電量來看，2年即可收回成本，且有利于供電氣耗、廠用電率等指標(biāo)的完成，提高電廠機(jī)組的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

3 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)組輔機(jī)能耗問題一直困擾著整個(gè)電力行業(yè)，就當(dāng)前形勢(shì)來看，發(fā)電機(jī)組進(jìn)行變頻技術(shù)改造，風(fēng)險(xiǎn)小、節(jié)能效果顯著，可在確保機(jī)組運(yùn)行安全的前提下大幅降低廠用電率，降低發(fā)電成本，符合國(guó)家節(jié)能減排新政策，值得推廣使用。

［1］趙勇，武志敏，李忠，等.臨河熱電廠凝結(jié)水泵變頻調(diào)速改造實(shí)例［J］.變頻器世界，2010（2）：69-73.

［2］徐傳海，徐世華.300MW機(jī)組變頻調(diào)速凝結(jié)水泵應(yīng)用探討［J］.熱機(jī)技術(shù)，2004（1）：27-34.

（本文責(zé)編：弋洋）

TM 303

：B

：1674-1951（2015）03-0073-03

趙智龍（1988—），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，從事電廠運(yùn)行及檢修方面的工作（E-mail：zhao880402＠163. com）。

2014-06-26；

2014-12-01