電廠驅(qū)動用大功率調(diào)速設(shè)備的選型分析

高展羽王鑫馬駿

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

1 背景

當(dāng)前，在化工、電力、水泥、冶金等領(lǐng)域內(nèi)存在大量的風(fēng)機、水泵、壓縮機等做功設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前有不少于4 800萬臺風(fēng)機、水泵類的被驅(qū)動設(shè)備，其中大部分設(shè)備是被電動機直接驅(qū)動，其耗電量巨大，約占國內(nèi)工業(yè)用電的40%，而風(fēng)機、水泵多為變轉(zhuǎn)速設(shè)備，若采用調(diào)速運行則可大大降低耗電量。

在發(fā)電廠中，引風(fēng)機和給水泵是消耗廠用電的主要設(shè)備，若都采用電動機驅(qū)動，則其電量消耗約占廠用電量的70%，故很多電廠配備給水泵汽輪機和引風(fēng)機汽輪機用于降低廠用電率以盡可能提高實際供電量。但近幾年來，隨著人們環(huán)保意識的提升和國家環(huán)保政策的收緊，越來越多的電廠和行業(yè)專家提出了更多的節(jié)能降耗理念和措施。其中給水泵由主汽輪機同軸驅(qū)動便是一種有效的節(jié)能方式，利用主汽輪機效率高于給水泵汽輪機效率的特點，采用主汽輪機直接驅(qū)動給水泵以進一步提高給水泵驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率；另一種提高給水泵驅(qū)動系統(tǒng)效率的方式為采用功率平衡系統(tǒng)，即為給水泵配置回?zé)狎?qū)動式小汽輪機和功率平衡小發(fā)電機，利用增加給水泵汽輪機功率以及保持閥門全開的運行方式提高給水泵汽輪機全負荷區(qū)間的效率以提高給水泵驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率。

無論是采用主汽輪機同軸驅(qū)動給水泵或者是功率平衡系統(tǒng)驅(qū)動給水泵，與常規(guī)的汽動給水泵配置相比，均需新增調(diào)速設(shè)備。在主汽輪機同軸驅(qū)動給水泵中，調(diào)速設(shè)備實現(xiàn)主汽輪機轉(zhuǎn)速3 000 r/min向給水泵轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，來滿足給水泵變工況需求；在回?zé)狎?qū)動式小汽機驅(qū)動給水泵的系統(tǒng)中，若小汽輪機采用3 000 r/min設(shè)計，則調(diào)速設(shè)備也需實現(xiàn)小汽輪機轉(zhuǎn)速3 000 r/min向給水泵轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，若小汽輪機采用變轉(zhuǎn)速設(shè)計直接驅(qū)動給水泵，則小汽輪機與功率平衡發(fā)電機之間需設(shè)置調(diào)速設(shè)備以滿足汽輪機轉(zhuǎn)速向功率平衡發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的變速調(diào)節(jié)，或者設(shè)置變頻發(fā)電機實現(xiàn)電流變頻。

本文將以汽輪機（3 000 r/min定轉(zhuǎn)速）與給水泵（變轉(zhuǎn)速）之間的無級調(diào)速設(shè)備為例展開進一步探討。

2 總體分析

2.1 調(diào)速設(shè)備分類

在電廠同軸驅(qū)動給水泵或者功率平衡系統(tǒng)驅(qū)動給水泵的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速裝置的主要功能是將輸入端3 000 r/min的定轉(zhuǎn)速經(jīng)過變速后達到給水泵工作所需要的轉(zhuǎn)速，并且調(diào)速裝置輸出轉(zhuǎn)速能夠隨給水泵實際運行工況點的變化而變化，進行無級變速，實現(xiàn)給水泵流量和功率的任意變工況。

調(diào)速設(shè)備根據(jù)調(diào)速原理劃分可分為液力調(diào)速和變頻調(diào)速。目前，在火電廠工程應(yīng)用中，國內(nèi)已經(jīng)投運的火電機組主要采用的是液力調(diào)速設(shè)備，其主要代表是Vioth公司生產(chǎn)的減速器及調(diào)速之星；近幾年，市場競爭越來越激烈，以RENK公司產(chǎn)品為代表的變頻調(diào)速設(shè)備也逐步進入火電廠消費者的視野。

隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機組的功率和參數(shù)均有了較大提高，在新型1 000 MW火力發(fā)電機組中，給水壓力32 MPa以上，鍋爐給水泵的功率已經(jīng)超過了40 MW，這對調(diào)速設(shè)備也提出了更高要求，目前在發(fā)電行業(yè)中尚未有40 MW以上的無級調(diào)速設(shè)備運行業(yè)績。

2.2 調(diào)速原理

Vioth調(diào)速之星是基于功率分配的原理，將給水泵汽輪機總的輸入功率分為兩部分，一部分功率通過主輸入軸傳遞給旋轉(zhuǎn)行星外齒圈，進而傳遞至輸出軸，其功率和轉(zhuǎn)速是固定的；另一部分經(jīng)過泵輪、固定行星齒輪、旋轉(zhuǎn)行星齒輪等傳遞給輸出軸，該部分功率可通過調(diào)節(jié)泵輪的導(dǎo)葉打開或關(guān)閉而調(diào)整，從而最終調(diào)節(jié)輸出軸的轉(zhuǎn)速。其工作原理見圖1。

圖1 Vioth調(diào)速之星工作原理圖

RENK公司的調(diào)速設(shè)備是典型的功率分流匯流型產(chǎn)品，在該設(shè)備工作過程中，輸出端負載（給水泵功率）由兩部分組成，一部分來自主驅(qū)動設(shè)備（汽輪機），另一部分來自變頻電動發(fā)電機。當(dāng)給水泵在高負荷點（高轉(zhuǎn)速）運行時，變頻電機處于電動機狀態(tài)，輸出功率給被驅(qū)動設(shè)備；當(dāng)給水泵處于低負荷點（低轉(zhuǎn)速）運行時，變頻電機處于發(fā)電機狀態(tài)，汽輪機必須提供部分功率用于變頻電機發(fā)電，以實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在給水泵整個運行過程中，其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由變頻電機實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍也取決于變頻電機的大小，工作原理見圖2。

圖2 RENK變頻調(diào)速工作原理圖

無論是Vioth調(diào)速之星還是RENK公司的調(diào)速設(shè)備，從原理上看，兩者均為雙自由度的差動輪系，因此，根據(jù)差動輪系傳速比與效率的關(guān)系（見圖3），傳動比（輸入轉(zhuǎn)速/輸出轉(zhuǎn)速）越小，效率越高，因此，要提升調(diào)速設(shè)備效率則必須減小調(diào)速設(shè)備的傳速比，在實際工程應(yīng)用中，汽輪機轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）和給水泵工作轉(zhuǎn)速（約4 900 r/min）之比偏大，若將汽輪機轉(zhuǎn)速直接作為輸入轉(zhuǎn)速，則傳動效率太低，不具備工程應(yīng)用價值。Vioth公司和RENK公司均采用在調(diào)速設(shè)備前增加減速箱的設(shè)計方案，將輸入轉(zhuǎn)速降低至1 500 r/min，然后再進行調(diào)速以提高整個調(diào)速系統(tǒng)的效率。

圖3 差動輪系傳速比與效率關(guān)系曲線

3 調(diào)速裝置選型要素

由于大功率的調(diào)速設(shè)備（大于40 MW）在發(fā)電行業(yè)尚未有運行業(yè)績，故在電廠鍋爐給水泵調(diào)速設(shè)備選型時，需要對調(diào)速裝置可行性進行全面的論證和分析，以確保工程應(yīng)用的順利。

3.1 傳遞功率

以國內(nèi)某工程為例，其給水泵出力在最大工況下達到約46 MW。而Vioth液力調(diào)速器當(dāng)前在電廠同軸驅(qū)動項目中使用的最大功率約28 MW，因此，若要采用液力調(diào)速器，則內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)尺寸需要進行放大設(shè)計，尤其是旋轉(zhuǎn)行星外齒圈的結(jié)構(gòu)要增大很多，設(shè)計難度大大增加。而RENK調(diào)速設(shè)備傳遞的功率一部分來自汽輪機，一部分來自變頻電機，故變頻電機功率的選擇直接影響了主輸入軸、主動輪和行星輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，變頻電機功率越大，其行星輪傳遞功率越大，結(jié)構(gòu)尺寸越大。

3.2 整體效率

在汽輪機同軸驅(qū)動給水泵或者功率平衡驅(qū)動給水泵的系統(tǒng)中，效率是考慮的關(guān)鍵因素之一。就調(diào)速裝置本身而言，調(diào)速之星在額定負荷下（假定選取額定負荷為設(shè)計點）的效率約95%，并且隨著給水泵負荷點升高或降低，其效率均呈下降趨勢，且波動相對較大，當(dāng)給水泵負荷點降至75%時，其效率不足80%；而RENK變頻調(diào)速裝置在額定負荷下（假定選取額定負荷為設(shè)計點）的效率大于96%，且其效率隨給水泵負荷變化而波動的差值較小，在調(diào)速設(shè)備運行的大部分范圍內(nèi)，其效率均大于90%。

在選擇調(diào)速裝置時，最主要的是考慮整個系統(tǒng)效率和電廠運行的收益最大化，因此，在選取調(diào)速設(shè)備的時候，需兼顧以下內(nèi)容：

（1）電廠長期運行的負荷點以及各負荷點的運行時間；

（2）調(diào)速之星傳遞給給水泵的功率整個來自汽輪機，而RENK變頻調(diào)速器傳遞給給水泵的功率一部分來自汽輪機，一部分來自變頻電機，即給水泵部分功率呈電泵運行。

3.3 調(diào)速范圍

給水泵的運行轉(zhuǎn)速取決于發(fā)電機組的運行負荷點，發(fā)電機組的負荷運行區(qū)間一般為30%～100%，且電廠一般配置了30%的電泵，負荷低于30%時，電泵啟動，因此，調(diào)速裝置需保證能夠在30%～100%負荷穩(wěn)定輸出給水泵需要的轉(zhuǎn)速。

圖4為調(diào)速之星功率傳遞示意圖。

圖4 Vioth調(diào)速之星功率傳遞示意圖

在調(diào)速之星調(diào)速時，輸入功率P分為兩部分，一部分為主傳動軸傳遞功率P1，另一部分為液力變矩器傳遞功率P2，P1為純機械傳動，效率較高，P2為液力傳動，效率相對低；在傳遞功率P2的同時，還承擔(dān)著調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的作用，P2占比越大，傳遞效率越低，但輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍越寬。P1和P2的功率分配可通過調(diào)速裝置內(nèi)部齒輪系以及液力變矩器泵輪等部件的結(jié)構(gòu)尺寸進行合理設(shè)計，一般情況下，調(diào)速之星調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)速可滿足給水泵20%～100%額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。

圖5為RENK變頻調(diào)速功率傳遞示意圖。

圖5 RENK變頻調(diào)速功率傳遞示意圖

在RENK變頻調(diào)速設(shè)備中，其傳遞功率一部分來自汽輪機P1，一部分來自變頻電機P2，變頻電機承擔(dān)著調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的作用，且P2占比越大，傳動效率越低，但輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍越寬。要保證輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍，則需提高P2占比，如此不但要調(diào)整調(diào)速設(shè)備內(nèi)部齒輪系的結(jié)構(gòu)尺寸，更重要的是選擇功率合理的變頻電機。在某火電工程中，變頻電機功率占給水泵總功率約25%，其輸出轉(zhuǎn)速可滿足給水泵40%～100%額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。

綜上，不管是調(diào)速之星還是變頻電機調(diào)速，其調(diào)速范圍與功率的傳遞效率、設(shè)計難度以及成本是息息相關(guān)的。

3.4 旋轉(zhuǎn)方向

在鍋爐給水泵驅(qū)動系統(tǒng)中，調(diào)速設(shè)備是傳遞功率和調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備。在調(diào)速設(shè)備選型中，應(yīng)考慮其與汽輪機、給水泵旋轉(zhuǎn)方向的配合。對Voith調(diào)速之星和RENK變頻電機調(diào)速設(shè)備，其前端均設(shè)置了為提高功率傳遞效率而增加的減速器。對調(diào)速之星而言，汽輪機旋轉(zhuǎn)方向在經(jīng)過減速箱和調(diào)速之星本體之后，并未發(fā)生改變（從汽輪機看向給水泵）；而對RENK產(chǎn)品而言，汽輪機旋轉(zhuǎn)方向在經(jīng)過減速箱和變頻調(diào)速設(shè)備之后，方向發(fā)生變化。因此，給水泵、調(diào)速裝置和汽輪機的旋轉(zhuǎn)方向必須進行配合，保持一致。

3.5 總體布置

由于Vioth調(diào)速之星和RENK變頻調(diào)速器在調(diào)速原理上的差異較大，直接造成兩種設(shè)備在外觀和成本上存在較大差異。Vioth調(diào)速之星的調(diào)速部件全部集成為一體，采用整體機座，對外僅保持油路和軸系等接口，其集成度相對較高，而且占用場地?。幌啾戎?， RENK變頻調(diào)速設(shè)備的調(diào)速齒輪系本體和變頻電機分開布置，采用分體基架，現(xiàn)場進行組裝，此外，變頻設(shè)備還需要一個恒溫、恒濕的變頻設(shè)備工作間，其投資成本和維護成本相對較高。

4 啟停和運行

在常規(guī)的給水泵驅(qū)動系統(tǒng)中，汽輪機與給水泵通過聯(lián)軸器進行連接，給水泵隨汽輪機一起盤車、沖轉(zhuǎn)、升負荷等，對于此同軸驅(qū)動和回?zé)狎?qū)動式給水泵系統(tǒng)，由于汽輪機采用定轉(zhuǎn)速設(shè)計，與給水泵之間存在調(diào)速設(shè)備，那么調(diào)速設(shè)備的啟動、運行和退出也是驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4.1 盤車及啟動

汽輪機盤車是保護機組軸系的避免轉(zhuǎn)子彎曲而普遍采取的最有效措施，常規(guī)給水泵驅(qū)動系統(tǒng)中，給水泵轉(zhuǎn)子全程隨汽輪機轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，為了避免給水泵低速運轉(zhuǎn)時卡澀，汽輪機盤車裝置絕大多數(shù)采用高速盤車。在本文所述的同軸驅(qū)動系統(tǒng)和回?zé)狎?qū)動給水泵系統(tǒng)中，汽輪機與給水泵之間設(shè)置調(diào)速設(shè)備，則調(diào)速設(shè)備在啟動過程中的運行狀態(tài)與汽輪機的盤車設(shè)計和運行是有關(guān)系的。

若采用Vioth調(diào)速之星進行調(diào)速，則可在調(diào)速之星前端串聯(lián)液力耦合器和膜片式離合器，通過控制膜片式離合器的工作狀態(tài)而實現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)子與給水泵轉(zhuǎn)子的離合，即可實現(xiàn)機組盤車、啟動過程中汽輪機獨自沖轉(zhuǎn)、帶電負荷后，再投入汽動給水泵。

若采用RENK變頻調(diào)速設(shè)備，可在調(diào)速設(shè)備輸出端增設(shè)剎車裝置，使汽輪機在低轉(zhuǎn)速下盤車時給水泵轉(zhuǎn)子保持靜止狀態(tài)，而當(dāng)汽輪機盤車完成并開始沖轉(zhuǎn)后，給水泵隨汽輪機按一定比例一起升轉(zhuǎn)速，快速通過給水泵的低轉(zhuǎn)速區(qū)（一般為200 r/min以內(nèi)）進入汽輪機定速3 000 r/min階段，進行暖機。啟動過程示意見圖6。

圖6 RENK變頻調(diào)速啟動曲線

4.2 運行和停機

不管是同軸驅(qū)動給水泵或者功率平衡驅(qū)動給水泵，無論是液力調(diào)速還是變頻調(diào)速設(shè)備，在運行過程中，給水泵只能夠在調(diào)速設(shè)備的轉(zhuǎn)速能力區(qū)間內(nèi)進行變工況運行。

在機組正常停機時，汽動給水泵轉(zhuǎn)速隨鍋爐負荷下降而降低，若調(diào)速設(shè)備最低輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)的汽動給水泵負荷低于電廠所配置電動給水泵功率（一般為30%BMCR）時，例如Vioth調(diào)速之星最低輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)負荷可達20%BMCR，則可在汽動給水泵降負荷至30%BMCR時快速切入電泵，退出汽泵；某火電機組回?zé)狎?qū)動系統(tǒng)中采用了RENK變頻調(diào)速設(shè)備，其最低輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)負荷設(shè)計為40%BMCR，故在給水泵負荷隨鍋爐降至40%BMCR時，須先退出給水泵驅(qū)動系統(tǒng)中的功率平衡小發(fā)電機，然后，汽輪機閥門參與調(diào)節(jié)，按變轉(zhuǎn)速運行降低調(diào)速裝置的輸入轉(zhuǎn)速，進一步降低給水泵轉(zhuǎn)速和負荷，待給水泵負荷降至30%BMCR時，切入電泵，因此，這大大增加了汽輪機的設(shè)計難度。

調(diào)速設(shè)備的調(diào)速范圍與機組的啟動、運行和停機關(guān)系密切，是電廠在對調(diào)速設(shè)備選型時必須考慮的重點因素之一。

5 總結(jié)

隨著發(fā)電機組功率大型化，熱力系統(tǒng)復(fù)雜化，電廠對大功率用調(diào)速設(shè)備的大型化、多樣化和設(shè)計現(xiàn)代化也提出更高要求，新型電廠設(shè)計初期，在調(diào)速設(shè)備選型過程中，不但要關(guān)注系統(tǒng)經(jīng)濟性，還需要從整個機組運行的可靠性、控制的簡單化和投資成本等方面統(tǒng)籌考慮，這樣才能設(shè)計出更優(yōu)秀的工程項目。