300 MW 發(fā)電機組電動給水泵變頻技術(shù)改造

郜培剛

0 引言

電動給水泵是電廠生產(chǎn)中主要的耗電設(shè)備，存在很大的節(jié)能潛力。臨汾熱電公司雙機轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)以來，廠用電率一直在10%以上，其中給水泵占廠用電的25%，直接影響到全廠的供電煤耗、發(fā)電成本等指標(biāo)。目前，變頻器憑借優(yōu)良的節(jié)能屬性已經(jīng)應(yīng)用于電力生產(chǎn)業(yè)的多種設(shè)備，因此就有了通過對電動給水泵進行變頻改造降低廠用電率的需求。

1 機組概況

山西臨汾熱電廠裝機容量為2×300 MW 供熱機組，每臺機組配置3 臺50%容量電動給水泵，采用液力耦合器調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速控制給水流量。本次改造首先在臨汾熱電#2 機組進行了實踐，將機組中#1、#2 兩臺運行泵改為了變頻調(diào)速，#3 泵作為備用泵保留了液力耦合器調(diào)速方式。正常運行方式下由#1、#2 泵運行，#3 泵熱備用，運行泵事故情況下，#3 泵經(jīng)熱控邏輯控制執(zhí)行“搶水”運行。

2 給水泵液耦調(diào)速損耗與節(jié)能分析

2.1 損耗分析

液力耦合調(diào)速電動給水泵是發(fā)電廠生產(chǎn)過程的主要輔機之一，因液力耦合器相對于定速泵＋調(diào)節(jié)閥的控制方式有無級調(diào)速的優(yōu)點，一段時期內(nèi)廣泛應(yīng)用于200 MW 和300 MW 等級的機組中，但因其調(diào)速轉(zhuǎn)換效率隨著轉(zhuǎn)速降低而下降，綜合效率相對較低。另外，液力耦合器屬于轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速裝置，在調(diào)速的過程中，轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中，額外增加了能耗。

分析液力耦合器無級調(diào)速的工作原理就會發(fā)現(xiàn)：液力耦合器的轉(zhuǎn)速控制屬于間接滑差調(diào)節(jié)，耦合器通過驅(qū)動端的泵輪帶動工作油，工作油獲得動量后傳遞給渦輪。由于耦合器的泵輪和渦輪之間有工作間隙，動力連接靠的是工作油，所以是軟連接，泵輪的轉(zhuǎn)速是固定的，渦輪的轉(zhuǎn)速是變化的，快慢取決于渦輪殼內(nèi)工作油位的高低，因此耦合器調(diào)速過程泵輪和渦輪有滑差存在，輸出端轉(zhuǎn)速由高到低，滑差由小到大。滑差本質(zhì)上是一種摩擦的表現(xiàn)形式，摩擦就會生熱，這個熱量不會去做功，是純粹的損耗。

液耦工作油冷油器冷卻水帶走的熱量也能夠估算出液力耦合器損失的功率。從理論上講，液力耦合器設(shè)計參數(shù)中也表明存在固定損耗。液力耦合器工作油的滑差熱損耗與液耦輸入/輸出轉(zhuǎn)速比（Kn）有對應(yīng)關(guān)系，液力偶合器的Kn 在67%時，耦合器的熱損耗是最高的，Kn 趨于0.97 時熱損耗最低。

綜上可知：電廠給水泵采用液力耦合器無級調(diào)速系統(tǒng)是有損耗的，損耗主要來自兩個方面：

①液力耦合器的滑差熱損耗；

②電動機的工作效率損耗。

變頻調(diào)速型液力耦合器綜合效率比液力耦合器調(diào)速效率高出很多，變頻調(diào)速有著更高的節(jié)能潛力。用變頻調(diào)速替換液力耦合器調(diào)速，可以有效解決液力耦合器低轉(zhuǎn)速比時效率低能耗高的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

2.2 節(jié)能原理

2.2.1 理論公式

離心泵的流量Q 與轉(zhuǎn)速N 的一次方成正比，壓力H 與轉(zhuǎn)速N 的平方成正比，功率P 與轉(zhuǎn)速N 的立方成正比。理論上說，一臺離心泵電機當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的80%時省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的50%時省電87.5%[1]。

2.2.2 設(shè)計規(guī)則

從發(fā)電廠設(shè)計原則來看，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）通常比經(jīng)濟連續(xù)蒸發(fā)量（ECR）高5%～10%，機組重要輔機（給水泵、凝結(jié)水泵、送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機等）容量比BMCR 還要高5%～10%。機組在額定負荷下運行，輔機一般都存在10%～20%的系統(tǒng)必備裕量。尤其鍋爐給水泵，為了滿足鍋爐打水壓時的需要，給水泵容量必須具備不低于110%鍋爐水壓的能力，因此其節(jié)能潛力巨大。

3 改造方案

3.1 增配設(shè)備

①2 臺給水泵專用高壓變頻器，容量6 900 kVA/6 kV；

②2 臺前置泵電動機，容量132 kW/380 V；

高校作為高等學(xué)歷繼續(xù)教育的辦學(xué)主體，必須守好本分，盡到責(zé)任，在國家法律法規(guī)的框架下認真履行辦學(xué)和監(jiān)管責(zé)任，規(guī)范招生、教學(xué)、考試、收費、畢業(yè)證書發(fā)放等重要環(huán)節(jié)，管好校外支持服務(wù)站點，不能以任何形式轉(zhuǎn)移（下放或外包）辦學(xué)權(quán)、招生權(quán)、教學(xué)權(quán)、管理權(quán)。高校特別要規(guī)范學(xué)歷繼續(xù)教育招生行為，規(guī)避市場惡性競爭，嚴(yán)禁委托個人或中介機構(gòu)代理招生，杜絕虛假宣傳和違規(guī)承諾。對冒用學(xué)校名義開展的各類招生行為，學(xué)校要通過法律程序予以追究責(zé)任。要進一步加強考試管理，嚴(yán)肅考試紀(jì)律，落實好監(jiān)考、巡考制度，并將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、人臉識別等先進技術(shù)應(yīng)用于考試，杜絕替考和舞弊發(fā)生。

③2 臺潤滑油泵；

④變頻器防塵電子間及冷卻系統(tǒng)。

3.2 拆除設(shè)備

①2 臺工作油冷油器；

②2 臺液力耦合器的泵輪/渦輪。

3.3 保留設(shè)備

①給水泵；

②給水泵電動機；

③液力耦合器的增速齒輪副、箱體和輔助油泵；

④給水前置泵；

3.4 改造的主要難點與技術(shù)說明

本項目選用的是廣州智光電氣有限公司研制生產(chǎn)的ZINVERT 系列智能給水泵專用高壓變頻器。功率單元采用串聯(lián)設(shè)計，增強了器件耐壓水平。功率單元移相疊加SPWM 高品質(zhì)波形輸出，杜絕了諧波發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動等缺陷，用于普通異步電動機無需加裝濾波器。主控制器采用最新電機控制專用雙數(shù)字信號處理器（DSP）、超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA），濾波電容軟充電提升了長期運行的可靠性，先進的IGBT 功率器件，SPWM 逆變控制令電機無dv/dt 傷害，保護功能設(shè)置完全符合IEC61800 標(biāo)準(zhǔn)。在給水泵變頻改造上應(yīng)用的是6 單元高壓變頻器（電壓6 kV），而不是通常的5 單元變頻器，有足夠的安全裕度和維護便利性。

改造后的高壓變頻器應(yīng)保證調(diào)節(jié)速度與液力耦合器相近或相同。通過現(xiàn)場測試，給水泵液力耦合器勺管開度0%～100%用時約為33 s，所以高壓變頻器從0 Hz～50 Hz 的增速時間也不應(yīng)超過33 s。智光電氣為電廠電動鍋爐給水泵專業(yè)設(shè)計研制的高壓變頻器全程加速時間是30 s，完全滿足鍋爐給水自動調(diào)節(jié)特性。改造后，給水泵變頻控制與液力耦合器控制并存，DCS 要全面考慮單泵、雙泵、變頻/工頻并列、RB 工況和電氣自動聯(lián)鎖等控制策略，保證其在各種試驗及實際運行工況下均可滿足要求。

結(jié)合山西臨汾熱電現(xiàn)場設(shè)備管路布局情況，本次改造具體技術(shù)措施如下：

（1）將前置泵與給水泵電動機主軸脫開，前置泵聯(lián)軸器側(cè)朝前置泵入口管道方向旋轉(zhuǎn)90°，改造前置泵原有基礎(chǔ)，滿足前置泵旋轉(zhuǎn)后安裝要求，新增一臺與前置泵軸功率相匹配的電動機（380 V）拖動前置泵，同時前置泵進、出口管道及其冷卻水、油管道做出對應(yīng)更改，重新布置的管道要以不影響其他設(shè)備檢修正常起吊為前提，改造后的前置泵運行工況和性能與原設(shè)計一致。

（2）原有的液力耦合器改成直聯(lián)增速齒輪箱，取消液力耦合器泵輪和渦輪，將小齒輪泵輪軸與渦輪軸用鼓形齒聯(lián)軸器柔性聯(lián)接。改造后保持潤滑油系統(tǒng)原有的壓力、流量不變，同時新增外置潤滑油泵，一用一備，自動聯(lián)鎖。

（3）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)使用了移相隔離變壓器及大功率高頻開關(guān)元件，發(fā)熱量較大，為了使變頻器能長期穩(wěn)定和可靠地運行，變頻器需要安裝空水冷裝置進行冷卻。

4 節(jié)能效果

在改造過程中還要考慮變頻器系統(tǒng)新增的前置泵電機、空冷系統(tǒng)、潤滑油泵電機產(chǎn)生的功耗。取實際運行功耗，將其除去之后，經(jīng)實際耗電量的測量對比試驗得出表1。

表1 #2 機組給水泵變頻改造前后節(jié)電統(tǒng)計

由表1 可以得出：

（1）按照年度機組平均負荷75%，運行7 200 h計算，年度節(jié)能量1 270.8 萬kWh；

（2）按照平均供電煤耗332 g/kWh 計算，山西臨汾熱電有限公司#2 機組每年可節(jié)約標(biāo)煤4 219.05 t；

（3）按照上網(wǎng)電價0.361 7 元/kWh 計算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益459.648 萬元；

（4）本次改造采用合同能源模式，改造過程中發(fā)生的費用由廣州智光電氣有限公司提供，雙方根據(jù)節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益按比列進行分享，預(yù)計3 年收回成本。

5 結(jié)論

臨汾熱電#2 機組#1、#2 泵變頻改造后均實現(xiàn)一次啟動成功，泵組設(shè)備運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈敏，達到設(shè)計預(yù)期。本次變頻改造的成功實施，積累了許多寶貴的第一手經(jīng)驗，同時為進一步實現(xiàn)節(jié)能減排提供了參考，創(chuàng)造了條件。

[1]牛鴻.關(guān)于交流電動機變頻調(diào)速的一些探討[J].變頻器世界，2010（8）：32-36.