300 MW機(jī)組電動(dòng)給水泵變頻改造應(yīng)用

曹銳杰

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000）

300 MW機(jī)組電動(dòng)給水泵變頻改造應(yīng)用

曹銳杰

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000）

介紹了山西臨汾熱電2×300M W機(jī)組電動(dòng)給水泵變頻改造技術(shù)。重點(diǎn)從技術(shù)改造方案、主要技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了闡述，提供了改造后的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果數(shù)據(jù)。

液偶；電動(dòng)給水泵；變頻調(diào)速

0 引言

在火力發(fā)電廠中，因不同的設(shè)備配置，廠用電在4.5%～9%之間。電動(dòng)給水泵耗電量在機(jī)組輔機(jī)中所占比例最高，約占純電泵機(jī)組廠用電的30%～45%左右，節(jié)能潛力巨大。目前，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高電壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái)，通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)很好地解決了可靠性問(wèn)題，其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也越來(lái)越為廣泛。變頻器憑借優(yōu)良的節(jié)能效果及其可控性應(yīng)用于各火電廠，在國(guó)家進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排的背景下，給水泵進(jìn)行變頻技術(shù)改造具有必要性和迫切性。

1 機(jī)組現(xiàn)況

山西臨汾熱電廠裝機(jī)容量為2×300MW供熱機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)50%容量電動(dòng)給水泵，采用液力偶合器調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速控制給水流量。給水泵運(yùn)行方式為兩用一備（1、2號(hào)正常投運(yùn)，3號(hào)備用）。為增加給水泵壓力防止給水泵汽蝕，每臺(tái)給水泵配置了1臺(tái)前置泵。

2 給水泵液耦調(diào)速損耗與節(jié)能分析

2.1 損耗分析

液力耦合調(diào)速電動(dòng)給水泵是發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程的主要輔機(jī)之一，因液力偶合器相對(duì)于定速泵+調(diào)節(jié)閥的控制方式有著無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，一段時(shí)期內(nèi)廣泛應(yīng)用于200MW和300MW等級(jí)的機(jī)組中，但因其調(diào)速轉(zhuǎn)換效率隨著轉(zhuǎn)速降低而下降，綜合效率相對(duì)較低。另外，液力偶合器屬于轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速裝置，在調(diào)速的過(guò)程中，轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中，額外增加了能耗。

液力偶合器以液體（工作油）為介質(zhì)傳遞功率，液力偶合器相當(dāng)于離心泵和渦輪機(jī)的組合，當(dāng)給水泵電動(dòng)機(jī)通過(guò)輸入軸帶動(dòng)液力偶合器泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，充注在工作腔內(nèi)的工作油在離心力作用下，沿泵輪葉片流道向外緣流動(dòng)，使工作油的動(dòng)量矩增大。當(dāng)工作油從泵輪沖向?qū)γ娴臏u輪時(shí)，工作油便沿渦輪葉片流道做向心流動(dòng)，同時(shí)釋放能量并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)給水泵做功?？恐ぷ饔偷膫鲃?dòng)使給水泵電動(dòng)機(jī)和給水泵柔性地聯(lián)接在一起。改變液力偶合器工作腔內(nèi)工作油的充滿度，便可以調(diào)節(jié)液力偶合器輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速，充滿度升高則輸出轉(zhuǎn)速升高，反之則降低，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

分析液力偶合器無(wú)級(jí)調(diào)速的工作原理就會(huì)發(fā)現(xiàn)：液力偶合器的轉(zhuǎn)速控制屬于間接滑差調(diào)節(jié)，偶合器通過(guò)驅(qū)動(dòng)端的泵輪帶動(dòng)工作油，工作油獲得動(dòng)量后傳遞給渦輪，由于偶合器的泵輪和渦輪之間有工作間隙，動(dòng)力聯(lián)接靠的是工作油，所以是軟聯(lián)接。泵輪的轉(zhuǎn)速固定，渦輪的轉(zhuǎn)速變化，快慢取決于渦輪殼內(nèi)工作油位的高低，因此偶合器調(diào)速過(guò)程泵輪和渦輪有滑差存在，輸出端轉(zhuǎn)速由高到低，滑差由小到大，滑差本質(zhì)上是一種摩擦的表現(xiàn)形式，摩擦就會(huì)生熱，這個(gè)熱量不會(huì)去做功的，是純粹的損耗。

液偶工作油冷油器冷卻水帶走的熱量也能夠估算出液力偶合器損失的功率。從理論上講，液力偶合器設(shè)計(jì)參數(shù)中也表明存在固定損耗，液力偶合器工作油的滑差熱損耗與液偶輸入／輸出轉(zhuǎn)速比（Kn）有對(duì)應(yīng)關(guān)系，液力偶合器的Kn在67%時(shí)，偶合器的熱損耗是最高的，Kn趨近于0.97時(shí)熱損耗最低。

綜上可知：電廠給水泵采用液力偶合器無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是有損耗的，損耗主要來(lái)自三個(gè)方面。

a）液力偶合器的滑差熱損耗。

b）電動(dòng)機(jī)的工作效率損耗。

c）給水泵的轉(zhuǎn)速是變化的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，體現(xiàn)不出功率與轉(zhuǎn)速的三次方的比例關(guān)系。

日常運(yùn)行中，雖然液力耦合給水泵能夠利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式控制給水量，但在變負(fù)荷工況下，給水泵轉(zhuǎn)速在60%時(shí)能量損耗就達(dá)到42%左右。從山西省電力調(diào)度的現(xiàn)狀來(lái)看，大部分火電廠機(jī)組負(fù)荷率不可能維持在90%ECR（鍋爐經(jīng)濟(jì)連續(xù)蒸發(fā)量，Boiler Economic Continue Rate）以上負(fù)荷運(yùn)行。

變頻調(diào)速型液力偶合器綜合效率比液力偶合器調(diào)速效率高出很多，用變頻調(diào)速替換液力偶合器調(diào)速，可以有效解決液力合器低轉(zhuǎn)速比時(shí)效率低能耗高的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

2.2 節(jié)能原理

2.2.1 理論公式

離心泵的流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比。理論上說(shuō)，1臺(tái)離心泵電機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，省電87.5%。

2.2.2 設(shè)計(jì)規(guī)則

鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量BMCR（Boiler Maximum Continue Rate），通常比ECR高5%～10%，機(jī)組重要輔機(jī)（給水泵、凝結(jié)水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等等）容量比BMCR通常還要高5%～10%。機(jī)組在額定負(fù)荷下運(yùn)行，輔機(jī)存在10%～20%的系統(tǒng)必備裕量。尤其鍋爐給水泵，必須具備不低于110%鍋爐水壓的能力（鍋爐打水壓時(shí)需要）。

對(duì)給水泵而言，給水泵的銘牌工況＝BMCR×1.1 ，因此其節(jié)能潛力巨大。

3 改造方案

3.1 增配設(shè)備

a）2臺(tái)給水泵專(zhuān)用高壓變頻器，容量6 900 kVA/ 6 kV。

b）2臺(tái)前置泵電動(dòng)機(jī)（380V）。容量132 kW／380 V（待定）。

c）2臺(tái)潤(rùn)滑油泵。

d）變頻器防塵電子間及冷卻系統(tǒng)。

3.2 拆除設(shè)備

a）2臺(tái)工作油冷油器。

b）2臺(tái)液力偶合器的泵輪/渦輪。

3.3 保留設(shè)備

a）給水泵。

b）給水泵電動(dòng)機(jī)。

c）液力偶合器的增速齒輪副、箱體和輔助油泵。

d）給水前置泵。

e）潤(rùn)滑油冷油器。

3.4 改造的主要難點(diǎn)與技術(shù)說(shuō)明

本項(xiàng)目選用的是廣州智光電氣有限公司研制生產(chǎn)的ZINVERT系列智能給水泵專(zhuān)用高壓變頻器。功率單元采用串聯(lián)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了器件耐壓水平。功率單元移相疊加SPWM高品質(zhì)波形輸出，杜絕了諧波發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等缺陷，用于普通異步電動(dòng)機(jī)無(wú)需加裝濾波器。主控制器采用最新電機(jī)控制專(zhuān)用雙數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA），濾波電容軟充電提升了長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，先進(jìn)的IGBT功率器件，SPWM逆變控制令電機(jī)無(wú)d v/d t傷害，保護(hù)功能設(shè)置完全符合IEC61800標(biāo)準(zhǔn)，在給水泵變頻改造上應(yīng)用的是6單元高壓變頻器（電壓6 kV），而不是通常的5單元變頻器，有足夠的安全裕度和維護(hù)便利性。

改造后的高壓變頻器應(yīng)保證調(diào)節(jié)速度與液力偶合器相近或相同。液力偶合器勺管開(kāi)度0～100%用時(shí)通常是33 s，所以高壓變頻器從0～50 Hz的增速時(shí)間也不應(yīng)超過(guò)33 s。智光電氣為電廠電動(dòng)鍋爐給水泵專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)研制的高壓變頻器，全程加速時(shí)間是30 s，完全滿足鍋爐給水自動(dòng)的調(diào)節(jié)特性（通用型高壓變頻器全程加速時(shí)間不少于100 s）。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管路布局情況，前置泵需要進(jìn)行全面改造。將前置泵與給水泵電動(dòng)機(jī)主軸脫開(kāi)，前置泵聯(lián)軸器側(cè)朝前置泵入口管道方向旋轉(zhuǎn)90°，改造前置泵原有基礎(chǔ)，滿足前置泵旋轉(zhuǎn)后安裝要求，新增1臺(tái)與前置泵軸功率相匹配的電動(dòng)機(jī)（380 V）拖動(dòng)前置泵，同時(shí)前置泵進(jìn)、出口管道及其冷卻水、油管道做出對(duì)應(yīng)更改，重新布置的管道要以不影響其他設(shè)備檢修正常起吊為前提，改造后的前置泵運(yùn)行工況和性能與原設(shè)計(jì)一致。

原有的液力偶合器改成直聯(lián)增速齒輪箱，取消液力偶合器泵輪和渦輪，將小齒輪泵輪軸與渦輪軸用鼓形齒聯(lián)軸器柔性聯(lián)接，同時(shí)新增外置潤(rùn)滑油泵。

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是給水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，該裝置中使用了大容量移相隔離變壓器及大功率電力電子開(kāi)關(guān)元件，其發(fā)熱量較大，采用風(fēng)道冷卻或是空調(diào)冷卻的方式無(wú)法滿足設(shè)備運(yùn)行的散熱要求。為了使變頻器能長(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行，針對(duì)該超大容量高壓變頻器安裝了空水冷裝置進(jìn)行冷卻。

4 節(jié)能效果

在節(jié)能統(tǒng)計(jì)時(shí)要考慮變頻改造新增的設(shè)備功耗，減去其實(shí)際運(yùn)行功耗，經(jīng)實(shí)際耗電量的測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)得出表1（另見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 1號(hào)給水泵變頻改造后節(jié)電率

圖2 2號(hào)給水泵變頻改造后節(jié)電率

表1 給水泵變頻改造前后不同負(fù)荷情況下的節(jié)電率

a）當(dāng)按照年度機(jī)組平均負(fù)荷75%，運(yùn)行7 200 h計(jì)算，年度節(jié)約能量1 270.8萬(wàn)kW·h。

b） 按照平均供電煤耗332 g/（kW·h） 計(jì)算，山西臨汾熱電有限公司2臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約標(biāo)煤4 219.05 t。

c）按照上網(wǎng)電價(jià)0.377 5元/（kW·h）計(jì)算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益479.73萬(wàn)元。

該機(jī)組給水泵變頻改造共投資1 200萬(wàn)元，預(yù)計(jì)3年可收回全部投資。

5 結(jié)論

山西臨汾熱電受益于2號(hào)機(jī)組給水泵改造的成功實(shí)踐，已于當(dāng)年對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了給水泵變頻改造。改造后經(jīng)實(shí)際測(cè)算，廠用電率下降了0.9%，供電煤耗下降了4 g/（kW·h）?？傊?，對(duì)火電廠電動(dòng)給水泵電機(jī)實(shí)施變頻改造是成熟可靠的，可對(duì)電廠的節(jié)能減排做出較大貢獻(xiàn)。

Frequency Conversion Transformation of 300MW Unit Electrically-driven Feed Pump

CAO Ruijie
（Shanxi Linfen Thermal Power Co.，Ltd.，Linfen，Shanxi 041000，China）

Frequency conversion transformation technology of2×300MW unitelectrically-driven feed pump was introduced.The main technical difficulties and the technical transformation scheme are elaborated.The economic benefits and energy saving effect after transformation areprovided.

hydraulic coupling；electrically-driven feed pump；variable frequency adjusting technology

TM921.51

B

1671-0320（2015）02-0062-04

2014-11-28，

2014-02-06

曹銳杰（1978），男，山西沁縣人，1997年畢業(yè)于太原電校熱自專(zhuān)業(yè)，工程師，從事生產(chǎn)管理工作。