電廠給水泵變頻改造研究

陸佳銘

（中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 200000）

0 引言

在當(dāng)前“廠網(wǎng)分離、競價上網(wǎng)”的情況下，怎樣才能減少發(fā)電成本，贏得更大的市場份額，就成了每一個電力公司都要考慮的問題。解決這一問題的一個途徑是降低輔助設(shè)備的能量消耗和降低電廠的用電量。為適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，電站往往在小負(fù)荷運(yùn)行或不穩(wěn)定運(yùn)行，然而，作為火力發(fā)電廠的重要輔助設(shè)備，風(fēng)機(jī)、水泵需要長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，往往工作在低效工況，具有巨大的節(jié)能潛力[1-3]。應(yīng)用變頻技術(shù)后，發(fā)電廠的主要輔助設(shè)備都能取得明顯的節(jié)能效果，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。變頻改造已經(jīng)被列為國家重點(diǎn)推廣的技術(shù)。采用變頻改造技術(shù)，可以達(dá)到火力發(fā)電廠節(jié)能減排的目的。高壓變頻器在電力和冶金工業(yè)中被大量使用，具有顯著的節(jié)能和顯著的綜合效益。通過大量的現(xiàn)場改造前后的對比表明：采用變頻技術(shù)，可節(jié)省30%以上的電。

1 火電廠給水系統(tǒng)

火力發(fā)電廠給水是蒸汽-水系統(tǒng)的一個組成部分，鍋爐供水步驟如下：在鍋爐內(nèi)生成的高溫蒸氣會通過主要的蒸氣管流入汽輪機(jī)，高速運(yùn)動的蒸汽推動汽輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，這樣就可以讓發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動來發(fā)電。汽輪機(jī)內(nèi)部作功后，其溫度、壓力大幅度下降，經(jīng)排入凝汽器，成為冷凝水，并集中于冷凝器的熱水井。冷凝水通過冷凝泵進(jìn)入低壓加熱器進(jìn)行加熱，然后通過除氧器再次加熱。給水泵能夠?qū)Τ跗髦械乃膲毫M(jìn)行提高，壓力在提高之后，能夠通過加熱器進(jìn)行加熱，然后進(jìn)行輸送，最終會成為鍋爐水[4]。所以，給水泵在使用過程中能夠有效的將一定溫度和一定壓力的除氧器中的水輸送到鍋爐中。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，給水泵的容量以及轉(zhuǎn)速等都在不斷的優(yōu)化。

2 電動機(jī)調(diào)速節(jié)電的機(jī)制

電力拖動是由電動機(jī)以及工作機(jī)械等裝置組成的機(jī)電系統(tǒng)，電機(jī)是機(jī)電系統(tǒng)的主要組成部分，其主要功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實現(xiàn)工程機(jī)械的起動，運(yùn)行，速度調(diào)節(jié)等功能，以滿足生產(chǎn)過程中的能量需求。電機(jī)是驅(qū)動系統(tǒng)的原始動力，但不能用電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率來判別其工作效率，最重要的是，要盡可能地提高其所承載的所有部件的工作效率，要實現(xiàn)電能消耗的目標(biāo)，就必須在保證終端用能服務(wù)的前提下，最大限度地減小電能流動的流程損耗，并提高傳動系統(tǒng)的效率。隨著變頻改造技術(shù)的迅速發(fā)展，感應(yīng)電機(jī)在節(jié)能和調(diào)速方面的應(yīng)用開辟了一個新的領(lǐng)域。其節(jié)能機(jī)制是將電機(jī)對工程機(jī)械的牽引功能和工程機(jī)械的負(fù)載調(diào)整功能結(jié)合起來，利用負(fù)載調(diào)整技術(shù)來改善電力傳動系統(tǒng)的工作效率，進(jìn)而達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)損耗的目標(biāo)。調(diào)節(jié)方式有多種，從節(jié)約能源的觀點(diǎn)來看，可將其劃分為高效率與低效率兩類。高效率調(diào)速是一種基本不會增加傳動損失的調(diào)速方法，在調(diào)整電機(jī)速度時，幾乎不改變轉(zhuǎn)差率，不會增大轉(zhuǎn)差損耗，也不會把轉(zhuǎn)差功作為電能反饋給電網(wǎng)，也可以作為機(jī)械能反饋給機(jī)軸；低效率調(diào)速會產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，在同等轉(zhuǎn)速條件下，比無轉(zhuǎn)矩?fù)p耗情況下的節(jié)能效果要小。

3 電廠給水泵變頻改造案例分析

3.1 給水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

一家熱電廠于2003 年4 月2 日登記成立。2003 年10 月26 日，一期2×300MW 熱電聯(lián)供系統(tǒng)正式啟動，2005 年12 月，兩臺機(jī)組投入運(yùn)行。每個單元均配有上海凱士比泵廠5000kW，額定功率為5400kW 的電動給水泵。本電廠所在區(qū)域的電力系統(tǒng)負(fù)荷率較低。在夏天，純凝時的負(fù)荷一直處于50%～55%。統(tǒng)計資料顯示，2 號機(jī)給水泵在2022 年的用電量中所占比例為2%，約為發(fā)電總量的23%，其耗電量較大，直接影響到發(fā)電煤耗、發(fā)電成本及能耗。為此，有必要對電動給水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法做進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。

3.2 改造方案的確定

采用變頻裝置調(diào)整電機(jī)和泵的速度，使泵出口閥門始終處于開啟狀態(tài)，從而節(jié)省了原有閥門的節(jié)流損失，進(jìn)而實現(xiàn)了節(jié)能。初步的改造方案如下。

（1）對液壓耦合器進(jìn)行了變頻一拖一的改造。在230MW 負(fù)荷下，采用一臺變頻改造水泵與一臺聯(lián)軸節(jié)調(diào)速水泵并聯(lián)。對液力耦合器進(jìn)行改造，使其成為一種多功能液力耦合器，此時具備兩種功能，工頻運(yùn)行時的調(diào)速功能和變頻運(yùn)行時的增速齒輪箱輸出功能。二者可互相轉(zhuǎn)換使用，配合變頻器及開關(guān)即可完成變頻一拖一方案。目前在用的液力耦合器，主要包括兩個部件：①增速齒輪，此部件的功能，就是將電機(jī)的額定速度，提高到符合給水泵的額定工作速度。②泵輪、汽輪、勺管和循環(huán)油系統(tǒng)，它的功能就是利用勺形管道對耦合器中的油液進(jìn)行調(diào)整，來調(diào)整的供油量，進(jìn)而調(diào)整汽輪的速度，達(dá)到對汽輪的無級調(diào)速。新型的多功能液壓耦合裝置，它在原有的液壓耦合裝置的性能上作了改進(jìn)，并在原有的液壓耦合裝置中加入了兩套多功能的油泵[5]。多功能液力耦合器采用勺形管，可在工頻量輸入與變頻輸出變化之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具有以上功能后，可將給水泵的液力耦合器更換為多功能耦合器，在給水泵上加裝一臺高壓變頻器，再加上一臺真空斷路器，就能對電動給水泵進(jìn)行變頻改造。

（2）前置泵改造。由于進(jìn)水溫度接近于飽和，因此在進(jìn)水時采用低速前置給水泵，以確保不產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。進(jìn)水經(jīng)過前置給水泵加壓后，再送入主給水泵。從而使得一次給水泵的進(jìn)口壓力高于相應(yīng)的蒸汽壓力，從而防止了給水泵汽蝕。在對原給水泵電機(jī)進(jìn)行變頻改造后，采用前置泵變速工作方式，有效地解決了汽蝕問題。

4 改造方案實施

4.1 變頻改造

本次改造主要涉及系統(tǒng)主回路控制、變頻器系統(tǒng)控制、DCS 邏輯等。

4.1.1 前置泵改造

結(jié)合現(xiàn)場的具體情況，提出了以下改進(jìn)措施。

50MW 負(fù)載時，給水泵轉(zhuǎn)速為3000r/min 左右，前置泵的揚(yáng)程大約為30m，給水泵需要的汽蝕余量在8m左右，所以有較大的安全余量。

在100MW 負(fù)載時，給水泵轉(zhuǎn)速為3800r/min，前置泵揚(yáng)程為50m 左右，給水泵需要的汽蝕余量在15m 左右，所以有較大的安全余量。

所以，在原有電機(jī)的帶動下，前泵的轉(zhuǎn)速隨著馬達(dá)的轉(zhuǎn)速而變化。但在變頻過程中，要求將給水泵的最低轉(zhuǎn)速設(shè)定在3000r/min 以上。

4.1.2 液力耦合器及油系統(tǒng)改造

現(xiàn)場液力耦合器，主要包括兩個部件：①增速齒輪，它的功能是將電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速提高到符合給水泵的工作速度。②泵輪、汽輪、勺管和循環(huán)油系統(tǒng)，它的功能就是利用勺管對耦合器中的油液進(jìn)行調(diào)整，來調(diào)整聯(lián)供油量，進(jìn)而調(diào)整汽輪的速度，達(dá)到對汽輪的無級調(diào)速[6]。結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，對其進(jìn)行了以下改進(jìn)。

（1）在不拆卸液力耦合器的情況下，在變頻過程中，將液力耦合器的位置調(diào)至最大，液力耦合器等效為聯(lián)軸器。

（2）因為主油泵和電動機(jī)是同軸的，所以在使用變頻之后，當(dāng)電動機(jī)的速度下降時，油泵的油壓和油量就會不夠，油泵要求機(jī)油壓力不小于0.25MPa，潤滑油的量不少于360L/min；油的壓力不得小于0.25MPa，因此，為了滿足油泵的供油量，必須設(shè)置獨(dú)立的加油點(diǎn)。對原有的液力耦合器進(jìn)行了拆卸，主要是對油站油管路進(jìn)行改裝，對油站進(jìn)行基礎(chǔ)加工和安裝，對油管路與液力耦合器相連的主油泵輪進(jìn)行拆卸和改裝。

（3）配置油站：一種排量為1200L/min 的電機(jī)，壓力為0.40MPa。油站還應(yīng)根據(jù)油泵電動機(jī)的功率和控制要求，配備電控箱，油站油箱容積不應(yīng)小于3m3。

（4）在變頻器出現(xiàn)故障或維修時，可將變頻器旁路轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。此時仍采用原有的操作模式，采用液力耦合器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

4.1.3 高壓變頻器散熱

變頻器最大耗散功率為變頻器額定功率的4%計算。結(jié)合工程實例，在綜合考慮制冷系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上，提出了空-水冷卻方案。

4.2 系統(tǒng)安全性能評價

該裝置是一種整體安裝在高壓變頻器房墻上的裝置，它通過管道直接與變頻器的機(jī)柜頂部通風(fēng)口相連，使其裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效，并可對由變頻器排出的熱氣進(jìn)行直接冷卻。此外，該冷卻器在最大冷卻水溫度33℃、水側(cè)清洗系數(shù)0.85 和管堵率不超過5%的條件下，達(dá)到了最大熱負(fù)荷的要求。同時，還可以防止高壓房內(nèi)的冷卻水管路斷裂，造成泄漏，危害到高壓設(shè)備的安全運(yùn)行[7]。在空氣-冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，為避免空氣冷卻器出口側(cè)凝結(jié)水帶來的冷空氣和水進(jìn)入房間，需要對空氣-水系統(tǒng)的風(fēng)壓和風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和計算，確保在較好的排氣壓力條件下，系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地工作。此外，為了避免空氣冷卻器滲漏到房間里，在空氣冷卻器的出口處加裝了一塊防水板，這樣在出現(xiàn)滲漏或有水的情況下，空氣冷卻器可直接排放到室外。同時，利用變頻器對風(fēng)機(jī)和空氣冷卻器進(jìn)行故障報警，并將綜合的報警信號發(fā)送到DCS。完善的制冷系統(tǒng)，能夠減少輔機(jī)失效率和對主設(shè)備操作安全性的影響。

5 改造后情況匯總

（1）#1A 泵變頻技術(shù)改造后，總投資超過400 萬元。主要技術(shù)改造：加裝6900kW 的變頻裝置一套，整機(jī)尺寸（長×高×寬）：9435mm×3170mm×1600mm，采用空-水的形式，制冷能力為100t/h 左右；將原有的液力耦合器的主油泵拆卸下來，另外增加了一個加油站：工作油泵2 個（驅(qū)動電機(jī)功率30kW），機(jī)油泵1 個（驅(qū)動電機(jī)11kW）。

（2）在對#2A 電泵進(jìn)行變頻改造之后，在主給水泵速度調(diào)節(jié)的條件下，對主油泵的循環(huán)油量以及與各個閥之間的匹配度進(jìn)行了調(diào)整，從而達(dá)到了對主給水泵速度調(diào)節(jié)時的功率-速度要求。由于液力耦合器不做任何改造，因此可以使耦合器的工作油回路在工頻和變頻兩種情況下均能滿足要求。整個改建成本在400 萬左右。

主要技術(shù)改進(jìn)。增設(shè)6900kW 變頻裝置一套（長×高×寬）：9400mm×2907mm×1500mm，空-水冷卻方式，制冷機(jī)組的制冷量在100t/h 左右，單臺變頻機(jī)和空氣冷卻器配置12m×8m。另外，還配有加油站系統(tǒng)：泊頭市長江泵閥生產(chǎn)廠家1 個，產(chǎn)品型號：YCB15/0.6，容積率15m3/h；配有ABB 電機(jī)，5.5kW。油庫的大?。ㄩL×寬×深）：2400mm×1600mm×600mm。

（3）工變頻切換方式。在正常情況下，采用“一拖一”的自動旁通模式，使電機(jī)在正常工作狀態(tài)下，由高壓變頻器帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，能自動將變頻器轉(zhuǎn)到工頻旁路系統(tǒng)。在變頻改造下，液力耦合器可調(diào)至最高位置，并通過變頻裝置進(jìn)行調(diào)速。在工頻工作狀態(tài)下，調(diào)速仍然是通過勺管位置來實現(xiàn)的。

（4）給水泵采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，改變了傳統(tǒng)的勺式控制方式，變頻改造指令與原有的勺式指令具有相應(yīng)的功能關(guān)系[8]。通過對電泵在工頻變頻同步起動實驗，能夠得到這一函數(shù)關(guān)系式。

（5）故障狀況。1A 型給水泵變頻器在投產(chǎn)后的六個月中出現(xiàn)過一起故障，原因是由于輸入電壓信號調(diào)節(jié)盤損壞。#2A 給水泵變頻改造裝置投入使用以來，到目前為止沒有出現(xiàn)過一次故障。

（6）對給水泵進(jìn)行變頻改造，其節(jié)能效果明顯，按上網(wǎng)電價計算，對給水泵進(jìn)行變頻改造后，單臺機(jī)組一年可節(jié)省2396000 元。通過對這臺水泵電機(jī)的年耗電量為3058.51×104kW 進(jìn)行分析，得出了改造后的節(jié)電效果為24.28%。

6 結(jié)語

綜上所述，給水泵變頻改造技術(shù)的應(yīng)用，使供水系統(tǒng)的總能耗大大減少，取得了良好的節(jié)能效果。變頻起動降低了給水泵在工頻下較大的起動電流對電機(jī)的沖擊，提高了電機(jī)的使用壽命。在連續(xù)發(fā)電過程中，給水泵采用高壓變頻改造技術(shù)，使其能夠按照負(fù)載的變化來有效地調(diào)整給水泵的速度，這樣可以節(jié)省很多的電力，在不選擇最大出力時，可獲得明顯的高頻運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。