煤電廠給水泵的變頻改造研究

代昱鵬

（山西西山熱電有限責(zé)任公司， 山西 太原 030022）

引言

當(dāng)前形勢(shì)下，“求生存、促發(fā)展”成為現(xiàn)代電力企業(yè)的立足之本。在某種程度上，降低電廠的發(fā)電成本是爭(zhēng)取更大電力市場(chǎng)的主要措施之一。統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)煤電廠的平均用電率為6.26%，其中主要耗能設(shè)備包括風(fēng)機(jī)和水泵，其耗能占據(jù)電廠總耗能的70%左右。在實(shí)際發(fā)電過(guò)程中，由于電網(wǎng)負(fù)荷需要實(shí)時(shí)調(diào)整，電廠處于變負(fù)荷的狀態(tài)運(yùn)行，而對(duì)應(yīng)的給水泵和風(fēng)機(jī)保持連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，使得設(shè)備處于低效的工作區(qū)，從而造成嚴(yán)重的電能浪費(fèi)[1]。本文以煤電廠的給水泵為例開(kāi)展研究，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)其變頻的改造，以達(dá)到最終節(jié)能的效果。

1 煤電廠給水泵概述

給水系統(tǒng)為火電廠汽水系統(tǒng)的重要組成部分，汽水系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 汽水系統(tǒng)組成圖

如圖1 所示，煤電廠發(fā)電系統(tǒng)的工作流程如下：在鍋爐的作用下，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)主管道進(jìn)入汽輪機(jī)中，高速蒸汽作用至汽輪機(jī)的葉片，進(jìn)而帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。給水泵系統(tǒng)的主要作用是將冷凝水的壓力提高，再通過(guò)高壓加熱器加熱至一定溫度后繼續(xù)供給鍋爐，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)的發(fā)電。此外，給水泵還向系統(tǒng)中各類減溫器提供溫水，最終達(dá)到對(duì)鍋爐再熱器、過(guò)熱器以及高壓旁路裝置的出口蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的[2]。

隨著煤電廠機(jī)組容量增加，給水泵將繼續(xù)朝著大容量、高轉(zhuǎn)速、高自動(dòng)化以及高效率的方向發(fā)展。同時(shí)，鑒于煤電廠發(fā)電工藝的特殊性，要求給水泵具有耐高溫、耐高壓、抗汽蝕性能、高效率以及根據(jù)機(jī)組負(fù)荷對(duì)供水量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的性能，但煤電廠給水泵未具備根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化情況對(duì)其供水量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的能力，導(dǎo)致電能浪費(fèi)。目前，國(guó)內(nèi)東北和寧夏某電廠給水泵已經(jīng)開(kāi)展了變頻改造，所采用變頻器的形式為一拖二，且節(jié)能效果明顯。同時(shí)，對(duì)上述兩企業(yè)的給水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造后，單臺(tái)投資的回收期僅為3.3 年，每年收益約為300 萬(wàn)元，每年的維護(hù)費(fèi)用僅為10 萬(wàn)元左右[3]。因此，采用變頻器對(duì)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造的方式是可行的，且效果明顯。故決定采用變頻器來(lái)對(duì)煤電廠的給水泵進(jìn)行節(jié)能改造。

2 改造方案分析

2.1 給水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

本文所研究的煤電廠共配置有3 臺(tái)容量為50%的電動(dòng)給水泵。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，該煤電廠給水泵的耗電量占據(jù)其發(fā)電量的2%，其耗電量卻占據(jù)所有設(shè)備耗電量的23%，對(duì)煤電廠發(fā)電成本的影響較大。因此，急需對(duì)該煤電廠的給水泵進(jìn)行升級(jí)改造。本煤電廠所配置的給水泵型號(hào)為CHTC5，該給水泵屬于筒式多級(jí)離心泵，CHTC5 給水泵的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 給水泵關(guān)鍵參數(shù)

2.2 給水泵改造方案的確定

針對(duì)給水泵耗能?chē)?yán)重的問(wèn)題，本文基于變頻裝置提出兩套改造方案。

方案一：采用1 臺(tái)變頻器拖動(dòng)1 臺(tái)給水泵的方式方案。其中，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在230 MW 以上時(shí)，1 臺(tái)變頻調(diào)速泵和1 臺(tái)耦合器調(diào)速泵并行；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在230 MW 以下時(shí)，1 臺(tái)變頻調(diào)速泵運(yùn)行，另外2 臺(tái)液力耦合調(diào)速泵備用。同時(shí)，將給水泵的原液力耦合器更換為多功能液力耦合器，并在此基礎(chǔ)上配置相應(yīng)的高壓變頻器和真空斷路器，為實(shí)現(xiàn)給水泵的變頻調(diào)速奠定基礎(chǔ)[4]。

方案二：在主給水泵變頻改造的基礎(chǔ)上，為避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，為其增加前置泵變速運(yùn)行的方案。

綜合對(duì)比上述兩種方案，并通過(guò)計(jì)算可知，從理論上采用方案一對(duì)應(yīng)的電能節(jié)約率可達(dá)15.67%，而方案二的電能節(jié)約率僅為12.24%，因此，決定采用一拖一的變頻方案進(jìn)行改造。該煤電廠共配置有3臺(tái)額定容量為50%的給水泵，本次變頻改造的主要內(nèi)容包括對(duì)前置泵的技術(shù)改造，對(duì)液力耦合器的技術(shù)、高壓變頻器的配套改造以及對(duì)高壓變頻器進(jìn)線斷路器的改造。

3 給水泵的變頻技術(shù)改造及效果分析

對(duì)給水泵的變頻進(jìn)行改造的核心是為其配置匹配的變頻器。除此之外，還需對(duì)相配套的液力耦合器、前置泵等展開(kāi)對(duì)應(yīng)性的技術(shù)改造。結(jié)合給水泵的工作狀態(tài)，為其配置變頻器的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表2 變頻器關(guān)鍵參數(shù)

3.1 前置泵的技術(shù)改造

煤電廠前置泵的主要作用是解決汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的汽蝕問(wèn)題。在線路安排上，前置泵位于給水泵前端，即前置泵的出口壓力值為給水泵的入口壓力值。為有效解決汽蝕問(wèn)題，前置泵仍然由原電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)其變頻調(diào)速運(yùn)行。值得注意的是，前置泵在變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，要求將給水泵的最低轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min。

3.2 液力耦合器的技術(shù)改造

一般情況下，液力耦合器主要包括增速齒輪和相關(guān)的泵輪、渦輪、勺管、循環(huán)油系統(tǒng)。其中，增速齒輪的主要任務(wù)是將給水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速提升至滿足實(shí)際工況的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；其余的泵輪、渦輪、勺管、循環(huán)油系統(tǒng)的主要任務(wù)首先是由勺管對(duì)循環(huán)油進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液力耦合器中充油量的控制，繼而是對(duì)渦輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液力耦合器轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速控制。給水泵變頻改造前后的組成對(duì)比如圖2 所示。

圖2 給水泵改造前后對(duì)比圖

為了適應(yīng)給水泵變頻改造，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和運(yùn)行工況，對(duì)液力耦合器開(kāi)展如下技術(shù)改造：

1）當(dāng)給水泵變頻運(yùn)行時(shí)，將液力耦合器的開(kāi)口開(kāi)到最大，此時(shí)液力耦合器充當(dāng)聯(lián)軸器的作用。

2）理論上，當(dāng)給水泵變頻運(yùn)行后對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的油壓和油量不足。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將液力耦合器原配置的油泵拆除，并為其配置單獨(dú)的油站，包括工作油泵和潤(rùn)滑油泵。其中，要求潤(rùn)滑油泵提供潤(rùn)滑油的壓力＞0.25 MPa，潤(rùn)滑油進(jìn)油量＞360 L/min，工作油泵提供的工作油壓力＞0.25 MPa。

3）當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器出現(xiàn)故障或者在常規(guī)的檢修時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)可切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)液力耦合器為調(diào)速的核心。

3.3 給水泵變頻改造效果分析

為驗(yàn)證本次變頻改造的效果，將改造內(nèi)容具體實(shí)施于實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)改造前后不同工作負(fù)荷下給水泵電機(jī)功率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 給水泵電機(jī)變頻改造效果評(píng)估

從表3 可以看出，給水泵變頻改造后具有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)語(yǔ)

給水泵在眾多煤電廠設(shè)備中的能耗所占比例較大，因此有效解決給水泵能耗過(guò)大問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)煤電廠節(jié)能運(yùn)行的重要措施。通過(guò)采用變頻器對(duì)給水泵進(jìn)行改造，并對(duì)其相匹配的液力耦合器和前置泵作出相應(yīng)的技術(shù)改造后，具有明顯的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)了煤電廠的節(jié)能運(yùn)行，降低了其運(yùn)行成本，提升了煤電廠的競(jìng)爭(zhēng)力。