中小鍋爐高電壓給水泵節能改造技術的研究與應用

朱振興+趙國棟

摘 要 本文提出并實施了降壓改造系統集成裝置，大幅度降低改造和運行費用，與常規改造方式比較減少改造投資和維護費用、延長使用壽命；同時，經過對給水泵性能以及變頻調速技術的研究，分析和探討給水系統經濟運行方式，制定典型的調節方案，使變頻改造取得的經濟效益最大化。

關鍵詞 變頻調速 高-低電壓 給水泵

中圖分類號：TK223.52 文獻標識碼：A

The Study and Application of Energy Conservation Transformation Technology of High-voltage Pump for Small and Medium-sized Capacity Boiler

ZHU Zhenxing[1]， ZHAO Guodong[2]

（[1] Datang Changchun Third Power Plant， Changchun， Jilin 131109；

[2] Qinshan Nuclear Power Plant， Jiaxing， Zhejiang 314300）

Abstract The voltage dropping transformation system was developed， which greatly reduced the transformation and the operating cost compared with the conventional transformation way. At the same time ，according to the study of pump performance as well as the frequency conversion velocity modulation technology， the pump system economy operation way was analyzed and discussed， and the typical operation mode of the equipments was designed， and so the economic efficiency maximization of the frequency conversion transformation could be obtained.

Key words frequency conversion； high-low voltage； Pump

0 前言

給水泵是火力發電設備中的重要輔機，其功耗占輔機總容量的35%～50%，是全廠主要的耗電輔機設備。在生產過程中，由于電機輸出功率不可調節，因此多余的能量只能在擋板和閥門中消耗掉，造成很大的節流損失。近幾年來變頻技術的出現，顯著改變了這一狀況，通過變頻來調節風量和水量，節電效果十分明顯。由于取高壓電方便，電廠的給水泵多由高壓電機驅動。但是由于高壓變頻器在中小容量段價格畸高和運行可靠性差，形成了火電廠高電壓中小容量給水泵的變頻改造死角。

1 針對高電壓中小容量電機的變頻調速技術路線

變頻調速作為給水泵節能改造的主要手段已在國內電廠廣泛使用，但對于高電壓電機的變頻改造的普及率遠不如低電壓電機，其原因主要有以下幾個方面：第一，國產化能力低、改造投資大。由于我國歷史上的原因，所采用的低壓電壓等級只有380V一檔，并且在設計上將200kW以上的電機全部采用6000V以上電壓，這在電機容量分布上形成了一個電壓跨度非常大的一個斷層，而變頻器中單塊IGBT模塊的耐壓等級多在1700V以下，高電壓時必須多級串聯，所以導致了高壓變頻器成本的畸高（如圖1）；第二，運行可靠性差。變頻器的多級模塊串聯的結構必然導致其故障率提高，而電力企業需要的是高可靠性的連續生產，這必然嚴重影響企業改造積極性，形成節能改造死角。因此，圍繞著高壓電動機變頻調速也形成了兩條技術路線。一是以高壓變頻為代表的，基于高成本高風險的高壓變頻技術路線；而本課題采用了另一條路線，基于高壓電機低壓改造的低壓變頻技術路線同時使用了備機轉速跟蹤啟動技術、變頻器功率因數的優化技術、電動機提效改造技術，并實施了變頻器冗余配置、故障情況下備機轉速跟蹤啟動、瞬態切投備用變頻器的解決方案及設備組合。

2 改造電廠現狀簡介

某廠目前裝機容量為21MW，三臺75t/h次高壓煤粉爐。該廠年發電量1.2億千瓦時，供熱量為103萬吉焦。該廠生產能力根據供熱需求調整，全年分采暖期和非采暖期兩個階段，非采暖期負荷為單臺鍋爐額定負荷的70%～76%左右，此間單爐運行；采暖期負荷根據氣候變化在110t/h～180t/h之間調整，全年各時段負荷情況經過簡化后如圖2所示。

圖1 變頻改造單位容量造價隨電機容量變化曲線

該廠給水系統為母管制，由四臺給水泵（其中一臺備用）、進出口母管和再循環管組成（見圖3），泵入口壓力0.15MPa，出口壓力7MPa（運行規程規定），水泵運行臺數與鍋爐運行臺數對應，屬并聯運行方式。給水流量視負荷需求由設在母管與鍋爐之間的三沖量電動調節閥調節，給水泵的汽蝕余量由再循環管調節。全年單臺泵的運行時間為6個月，兩臺和三臺泵同時運行的時間分別為4個月和2個月。單臺水泵流量隨鍋爐負荷在70%～100%之間調節，多數情況下在較低負荷下運行，只在采暖期兩臺爐運行時有兩個月左右時間接近額定負荷運行。

圖2 某廠全年鍋爐負荷分布示意圖

3 給水系統改造方案設計

3.1 系統改造方案

因低壓變頻器技術過關，質量可靠，使用普遍，價格遠低于高壓變頻器，并且由于屬于低壓范圍，相關設備、備件便宜，安裝維護簡單，運行可靠，所以提出本方案。綜合考慮備用、改造費用和方便運行控制，根據該廠的年負荷特點，本文提出了對給水泵改造一臺和兩臺的兩套方案，其經濟性對比結果見后文，改造后的系統示意圖見圖4。由于進行兩臺給水泵變頻改造的節能效果與改造一臺差別不大，所以本方案先改造一臺給水泵。endprint

圖3 水系統示意圖

圖4 給水泵變頻改造方案

3.2 不同負荷時的運行方式

3.1.1 非采暖期時1€？3%負荷時

啟用1臺變頻泵，如圖5所示，I和I′分別為改造前后的運行工況，改造后系統維持流量不變，系統阻力損失由I QI下降到I′QI，電機節省的功耗與點HI、 I 、I′、HI′所圍成的面積成正比。改造后采用三沖量的汽包水位調節方式，給水調節閥全開，再循環閥全關，將PLC控制給水調節閥的信號切換到變頻器，用變頻調節取代閥門節流調節。

圖5 非采暖期1€？3%負荷調節工況圖

3.1.2 采暖期2€？5%負荷時

根據變頻改造臺數有：工頻泵與變頻泵并聯和兩臺調試泵同步變頻兩種運行方式，如圖6所示，I和I′分別為改造前后的運行工況，電機節省的功耗與點HII 、II 、II′、HII′所圍成的面積成正比（兩種改造方式的節能效果對比見表1）。該運行方式時，再循環閥關閉，將母管壓力信號切換至變頻器控制單元，構成閉環定壓控制回路，設定母管定壓，定壓值略高于調節閥全開時的理想最低給水壓力，給調節閥一定的調節余量，該壓力值通過實際運行中汽包水位的調節效果確定，負荷變動時，調節變頻泵轉數以維持該壓力不變，由原控制方式調節給水調節閥以適應外界負荷的波動。

圖6 采暖期2€？5%負荷調節工況圖

圖7 采暖期3€？3%負荷調節工況圖

3.1.3 采暖期3€？3%負荷時

由于這段時期三臺爐同時運行總荷為164m3/h，略大于兩臺爐同時運行的額定負荷150 m3/h，遠小于三臺爐同時運行的額定負荷225 m3/h，因此原三臺給水泵并聯節每臺流量為55 m3/h，僅占給水泵的額定流量85m3/h的65%，非常不經濟。雖然投運兩臺給水泵變可也滿足需求，但由于鍋爐在實際運行過程中，負荷是不斷變化的，當兩臺給水泵不能滿足負荷需求時，便需要啟動第三臺給水泵，而大功率電機的頻繁啟停必然會對系統造成沖擊，因此，在這段時期只能采用三臺給水泵并聯運行，由于富余量大閥門始終處于節流損失，造成很大的能源浪費。變頻改造后，由于變頻器具有平滑啟動功能，在正常運行時便可以只投運兩臺定速泵，當負荷波動時通過變頻泵的啟停來維持母管壓力，節能效果顯著。如圖7所示，III 和III′分別為兩泵工頻并聯運行工況和兩變頻一工頻并聯運行工況。

3.2 經濟效益分析

3.2.1 定速水泵特性曲線的擬合

從水泵性能曲線圖可看出其性能曲線、、近似于拋物線，故用二次回歸曲線對測試數據進行性能回歸曲線方程如下：

= + + （3）

= + + （4）

= + + （5）

由最小二乘法原理可知，該水泵的流量系數方程組為：

12 + + =

通過水泵廠家提供的DG85-80―10型離心水泵的性能曲線上截取的查詢點，可解出方程。

3.2.2 調速水泵特性曲線擬合

根據水泵調速運行時的工況及相似定律應用于不同轉速時的基本規律，即當轉速發生變化時，其它性能參數的變化規律，可以推導出轉速為時的擬合曲線方程為：

= + + （9）

= + + （10）

= + + （11）

3.2.3 并聯水泵特性曲線擬合

現已知，單臺水泵定速運行時的曲線方程，在臺同型號水泵并聯時有：

= = = （12）

= + + … + = （13）

= + + … + = （14）

式中-并聯總流量，m3/h；-第單臺泵流量，m3/h。

假設臺泵并聯時的曲線方程為：

= + + （15）

所以，臺水泵并聯在額定轉速運行時的擬合曲線方程為：

= + + （16）

= + + （17）

= + + （18）

式中并聯總流量，m3/h。

通過以上公式計算，得出各個工況的詳細計算結果，見表1、表2。

4 總結

總的來看，中小鍋爐高電壓給水泵節能改造是可行的，它可以在降低改造費用和保障運行可靠性的基礎上取得良好的節能效果，但改造中應針對改造系統的運行特點，注意相關技術問題，采取相關對策以確保變頻改造的成功。

表1 變頻改造年節約資金統計表

參考文獻

[1] 張燕賓.變頻器功率因數問題[J].電氣時代，2005（3）：136-139.

[2] 呂志斗.面向高壓電動機的高-低壓變頻調速集成裝置[P].中國專利：02274200.X，2003.endprint