基于高壓變頻調(diào)速技術(shù)的電動(dòng)給水泵節(jié)能改造

□ 鄧云天

上海電氣環(huán)保電站工程有限公司 上海 201100

1 節(jié)能改造背景

在火力發(fā)電廠中,給水泵是重要的輔機(jī)設(shè)備,其作用是產(chǎn)生足夠的壓力,將凝結(jié)水泵直接輸送來(lái)的或除氧器儲(chǔ)水箱內(nèi)的具有一定溫度的水送入鍋爐汽包,作為鍋爐的補(bǔ)給水。根據(jù)電力生產(chǎn)的特點(diǎn)和鍋爐運(yùn)行的特殊要求,鍋爐給水泵必須連續(xù)不間斷工作,這不僅關(guān)系到正常發(fā)電,而且關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全。由此可見(jiàn),鍋爐給水泵是發(fā)電廠中最為重要的水泵,是火電機(jī)組的心臟,必須保證給水泵系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行[1]。另一方面,給水泵也是機(jī)組輔機(jī)中耗電量最大的設(shè)備,其耗電占全廠用電的20%～30%,直接影響到廠用電指標(biāo)和全廠經(jīng)濟(jì)效益。

為提高電廠的整體經(jīng)濟(jì)效益,主要發(fā)電企業(yè)針對(duì)電動(dòng)給水泵提出了各種改造方案,目標(biāo)是提高電動(dòng)給水泵的運(yùn)行效率[2-5],降低廠用電率。筆者基于高壓變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)火電廠電動(dòng)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造,對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比,并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證節(jié)能改造方案的可行性,為后續(xù)火電廠電動(dòng)給水泵的技術(shù)改造提供有益參考。

2 傳統(tǒng)電動(dòng)給水泵調(diào)速方案

傳統(tǒng)電動(dòng)給水泵調(diào)速方案中,利用液力耦合器對(duì)鍋爐給水泵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速,以滿足工藝要求,如圖1所示。液力耦合器相比定速泵+調(diào)節(jié)閥的控制方式，具有無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)80年代開(kāi)始在火力發(fā)電廠領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì),將原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞至工作機(jī)的一種液力傳動(dòng)裝置。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過(guò)改變給水泵的轉(zhuǎn)速,可以改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸出功率。由于液力耦合器屬于轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速裝置,在調(diào)速過(guò)程中,轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中,額外增加能耗,因此液力耦合器調(diào)速轉(zhuǎn)換效率隨轉(zhuǎn)速減慢而降低,綜合效率相對(duì)較低。

▲圖1 傳統(tǒng)電動(dòng)給水泵調(diào)速方案

液力耦合器效率曲線與變頻調(diào)速效率曲線對(duì)比如圖2所示。從圖2中可以清楚地看到,即使采用液力耦合器能夠利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式控制給水泵給水量,但是在變負(fù)荷工況下,尤其是在低負(fù)荷時(shí),液力耦合器的效率很低。電動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速在液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速的60%工作時(shí),液力耦合器的能量損耗達(dá)到42%左右[6]。電網(wǎng)特性及用電量的波動(dòng)決定了發(fā)電機(jī)組絕不可能始終維持在90%發(fā)電機(jī)效率以上帶負(fù)荷運(yùn)行[7]。可見(jiàn),對(duì)由液力耦合器調(diào)速的電動(dòng)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造勢(shì)在必行。

▲圖2 液力耦合器效率曲線與變頻調(diào)速效率曲線對(duì)比

3 電動(dòng)給水泵節(jié)能改造方案

近年來(lái),隨著高壓變頻器技術(shù)的成熟和可靠性的提高,高壓變頻器效率不斷提高,并且在調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定,無(wú)轉(zhuǎn)差損耗,成為首選的電機(jī)調(diào)速技術(shù)方案?；诟邏鹤冾l調(diào)速技術(shù)對(duì)電動(dòng)給水泵等大功率旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行節(jié)能改造,是電廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一條非常有效的途徑?；诟邏鹤冾l調(diào)速技術(shù),電動(dòng)給水泵的節(jié)能改造主要有三種方案。

3.1 方案一

方案一為保留液力耦合器,勺管全開(kāi)且變頻調(diào)速。對(duì)液力耦合器內(nèi)部進(jìn)行局部改造,拆除由液力耦合器輸入軸驅(qū)動(dòng)的主油泵,在液力耦合器外部安裝一臺(tái)與之配套的由單獨(dú)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主油泵,與原主油泵出口管連接,取代原主油泵的功能,使液力耦合器勺管全開(kāi)至100%,保證液力耦合器的泵輪與渦輪部分轉(zhuǎn)速一致,進(jìn)而使液力耦合器的調(diào)速功能改變?yōu)槎ㄋ佥敵龉δ?通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)速。

方案一原理如圖3所示。

3.2 方案二

方案二為將液力耦合器改造為增速齒輪箱+變頻調(diào)速方式。將液力耦合器泵輪與渦輪拆除,剩下內(nèi)部的增速齒輪,配套設(shè)計(jì)聯(lián)軸器。同時(shí)拆除潤(rùn)滑油泵和工作油泵,配套潤(rùn)滑油工作站。通過(guò)變頻器帶動(dòng)改造后的齒輪箱進(jìn)行調(diào)速。

▲圖3 方案一原理

方案二原理如圖4所示。

▲圖4 方案二原理

3.3 方案三

方案三為將液力耦合器更換為全新增速齒輪箱+變頻調(diào)速方式?？紤]到鍋爐給水泵系統(tǒng)的可靠性及高效率要求,拆除原有液力耦合器,新增與給水泵配套的增速齒輪箱,通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)速。相比方案一和方案二,方案三既可以實(shí)現(xiàn)較高效率,又可以提高系統(tǒng)的可靠性。

方案三原理如圖5所示。

▲圖5 方案三原理

3.4 技術(shù)性能比較

對(duì)三種方案進(jìn)行技術(shù)性能比較,見(jiàn)表1。

表1 方案技術(shù)性能比較

(1) 工程改造難度。方案一將原液力耦合器的勺管保留,全開(kāi)至100%,保證液力耦合器的泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速一致。原液力耦合器結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,改造工作量小。方案二需要將液力耦合器返廠,進(jìn)行重新設(shè)計(jì),改造周期長(zhǎng)。方案三中新增齒輪箱需按照原液力耦合器連接安裝尺寸設(shè)計(jì)制造,為非標(biāo)增速齒輪箱。專業(yè)齒輪箱廠家均有能力按照原尺寸設(shè)計(jì)制造相配套的齒輪箱,改造難度不大。

(2) 工程投資額。方案一保留液力耦合器,不需要對(duì)整個(gè)機(jī)組的油管油道進(jìn)行拆除或進(jìn)行大的變更,安裝費(fèi)用較低,投資較少。方案三在拆除原液力耦合器后需增加增速齒輪箱,前期投資較高。方案二需要將液力耦合器改造為增速齒輪箱,整體費(fèi)用與方案三相差不多。由于方案三改造后系統(tǒng)運(yùn)行效率高,投資回收快,因此是比較理想的方案。

(3) 節(jié)能效果。方案一中液力耦合器勺管全部打開(kāi),意味著整個(gè)液力耦合器潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油都處于工作狀態(tài)，一部分能量損失于液力耦合器泵輪與渦輪之間的滑差,主要能量損失于保證潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常工作的冷油器,使節(jié)能效果大打折扣。方案三全新設(shè)計(jì)了增速齒輪箱,效率可保證在98.8%以上,能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的節(jié)能。

(4) 系統(tǒng)可靠性。方案一中的液力耦合器最初并非是按照長(zhǎng)時(shí)間100%全開(kāi)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)的,如果長(zhǎng)時(shí)間將液力耦合器的勺管全部打開(kāi),那么在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),泵輪與渦輪的使用壽命會(huì)得不到保證,還會(huì)存在引起機(jī)械性能降低和材料失效的風(fēng)險(xiǎn)。方案二將液力耦合器部分換為齒形聯(lián)軸器,相當(dāng)于對(duì)原液力耦合器的高速端,即連接給水泵的軸進(jìn)行了加長(zhǎng),動(dòng)平衡要求難以滿足。方案三采用全新設(shè)計(jì)的增速齒輪箱,軸系與瓦系經(jīng)過(guò)重新計(jì)算,動(dòng)平衡重新測(cè)試,噪聲、振動(dòng)等性能均按照正常的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校核,所有基本參數(shù)都能滿足現(xiàn)場(chǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的要求,在安全運(yùn)行方面有最大限度的保障。

4 前置泵改進(jìn)方案

由于電動(dòng)給水泵入口水溫較高,使給水近似飽和水。為保證電動(dòng)給水泵不發(fā)生汽蝕,一般都會(huì)設(shè)置低速前置泵。給水先通過(guò)前置泵升壓后再進(jìn)入主給水泵,這樣可以使主給水泵入口的壓力大于給水溫度所對(duì)應(yīng)的汽化壓力與給水泵必需汽蝕余量之和,并留有一定的壓力余量,進(jìn)而避免主給水泵發(fā)生汽蝕。在給水泵電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速改造后,前置泵如何運(yùn)行是需要解決的問(wèn)題。當(dāng)前對(duì)于前置泵系統(tǒng)的改造，主要有兩種技術(shù)方案。

4.1 前置泵定速運(yùn)行

將前置泵與主給水泵電動(dòng)機(jī)分開(kāi),進(jìn)行獨(dú)立控制,即給前置泵配備獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定速運(yùn)行。這一方案需要配備一臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)、一面高壓開(kāi)關(guān)柜及相應(yīng)的電力電纜與控制電纜,并進(jìn)行管道移位改造,同時(shí)有可能將前置泵調(diào)整為更大一檔的泵,因此成本較高,且現(xiàn)場(chǎng)條件通常不允許,一般難以實(shí)現(xiàn)。

4.2 前置泵直接變速運(yùn)行

前置泵不進(jìn)行任何改造,隨主給水泵調(diào)速運(yùn)行。這一方案工作量較小,但必須保證改造后在機(jī)組任何運(yùn)行工況下給水泵都不會(huì)發(fā)生汽蝕。改造前要根據(jù)設(shè)備和機(jī)組運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)核算,只有在確保給水泵在任何運(yùn)行工況下都不會(huì)發(fā)生汽蝕的情況下,才能夠使前置泵直接隨主給水泵調(diào)速運(yùn)行。通過(guò)對(duì)大量機(jī)組前置泵進(jìn)行技術(shù)分析后,確定無(wú)論機(jī)組是正常帶負(fù)荷運(yùn)行還是突然甩負(fù)荷運(yùn)行,都不會(huì)使給水泵發(fā)生汽蝕。

5 工程實(shí)踐

5.1 工程概況

根據(jù)以上分析可知,電動(dòng)給水泵節(jié)能改造有多種方案,如何按實(shí)際情況確定經(jīng)濟(jì)可行的改造方案是關(guān)鍵。山西某火力發(fā)電廠2×660 MW超臨界直接空冷凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組原設(shè)計(jì)為每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配備三臺(tái)35%容量的電動(dòng)給水泵,由液力耦合器調(diào)速。節(jié)能改造前電動(dòng)給水泵配置外觀如圖6所示。

▲圖6 節(jié)能改造前電動(dòng)給水泵配置外觀

5.2 改造方案

針對(duì)該火力發(fā)電廠電動(dòng)給水泵實(shí)際條件,節(jié)能改造方案分為主泵系統(tǒng)和前置泵系統(tǒng)兩部分。

(1) 主泵系統(tǒng)改造方案。發(fā)電機(jī)組原來(lái)配備的三臺(tái)35%容量電動(dòng)給水泵中,兩臺(tái)電動(dòng)給水泵(A泵、C泵)改為50%容量。將原來(lái)的液力耦合器改造為進(jìn)口齒輪箱配合調(diào)速,給水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)改由新增高壓矢量控制變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)。原來(lái)配備的35%容量B泵保持不變,作為備用。經(jīng)過(guò)改造,可降低給水泵系統(tǒng)廠用電率25%～30%。日常生產(chǎn)中，主要使用A泵和C泵,B泵作為備用使用。

(2) 前置泵系統(tǒng)改造方案。由于改變了電動(dòng)給水泵的容量,因此雖然驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率由11 000 kW提高至12 500 kW,但是仍然無(wú)法滿足軸系的驅(qū)動(dòng)功率要求。為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,在前置泵改造時(shí)采用獨(dú)立定速運(yùn)行的新前置泵系統(tǒng),以避免給水泵系統(tǒng)汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

5.3 改造效果

這一項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能改造后已經(jīng)運(yùn)行2 a,取得非常好的節(jié)能效果,平均節(jié)電率達(dá)到33.01%,具體效果見(jiàn)表2。

表2 節(jié)能改造效果

進(jìn)行節(jié)能改造后,不同負(fù)荷下年平均節(jié)電率為33.01%,而節(jié)能改造前,三臺(tái)給水泵年耗電量為16 211.2萬(wàn)kWh。對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算，電力折標(biāo)系數(shù)取3.3 tce/(萬(wàn)kWh),則改造后正常情況下,兩臺(tái)50%電動(dòng)給水泵運(yùn)行,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量可達(dá)17 659 tce,年節(jié)電量為5 351.32萬(wàn)kWh。按照上網(wǎng)電價(jià)0.37元/(kWh)計(jì)算,每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1 980萬(wàn)元。此項(xiàng)目電動(dòng)給水泵節(jié)能改造共投資6 300萬(wàn)元,預(yù)計(jì)3.2 a可收回投資成本。節(jié)能改造后電動(dòng)給水泵外觀如圖7所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

火電廠電動(dòng)給水泵不僅是火力發(fā)電機(jī)最為重要的輔機(jī)核心設(shè)備,而且是主要的耗能設(shè)備。如何在保證安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的前提下,對(duì)電動(dòng)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造,是當(dāng)前火力發(fā)電領(lǐng)域重要的技術(shù)課題之一。筆者基于高壓變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)電動(dòng)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造,對(duì)比了節(jié)能改造方案,并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證了節(jié)能改造方案的可行性。

▲圖7 節(jié)能改造后電動(dòng)給水泵外觀