火電機組電動給水泵機電一體化調速改造

周小川

摘要：火電廠電動給水泵普遍應用液力偶合器調速，但液力偶合器其效率在實際運行中往往處于較低效率區。用最新的機電一體化調速裝置改造液力偶合器，可使給水泵組在大范圍內均處于高效區，實際運行中提高效率20%以上，降低機組廠用電率0.8%。

關鍵詞：電動給水泵; 液力偶合器; 機電一體化調速; 節能

液力偶合器能夠傳遞大功率和扭矩，調速范圍廣（30～100%），可實現無極調速和柔性傳動，因此在火電廠電動給水泵上得到普遍應用。常規火電機組大容量電動給水泵通過液力偶合器驅動和調速，從而改變泵組出口流量和壓力，從而匹配機組運行需要。

1、液力偶合器的損耗分析

液力偶合器的調速效率等于輸出功率P2與輸入功率P1之比，忽略偶合器的機械損失和容積損失等損失時，對恒扭矩載荷，液力偶合器的調速效率等于轉速比，對離心式水泵設備，其理論功率損耗量最大點在額定轉速的2/3處，其損耗量占傳遞功率的14.8%。調速型液力耦合器與離心式機械匹配相對運行理論效率在0.85～0.97之間。

因此可知，根據液力偶合器的工作原理，調速中必產生滑差熱損耗，以300MW等級機組為例，一臺50%電動給水泵液力偶合器的工作油損耗熱量估計在2000MJ左右，折合功率損耗不少于250kW，一臺機組一年損耗的電量超過300萬度。另外給水泵電動機由于長期偏離最佳運行經濟點而產生能量損耗。按設計規范，給水泵的設計點工況為機組ECR工況的1.2倍，給水泵電動機則根據給水泵設計點工況軸功率來確定，這決定了給水泵組容量比機組ECR工況高出了20%。另一方面，因電網調峰需要，機組負荷在50%ECR～100%ECR之間調節，給水泵經常在遠離額定負荷的工況下運行。因此液力偶合器調速的電動給水泵經常處于不經濟區段運行。存在不小的節能空間。

2、機電一體化調速裝置原理

基于功率分流原理的調速行星齒輪傳動中大部分功率不參與調速而是以剛性傳遞方式從電動機傳遞到行星齒輪組的外齒圈，能夠避免傳統液力偶合器的滑差損失。機電一體化調速裝置（VECO-Drive）是德國福伊特公司在機械調速行星齒輪裝置上再加以改進，為世界首創。其將傳統機械調速行星齒輪用于傳遞調節功率的液力變矩器改為兩臺可四象限運行的低壓小功率變頻伺服電機，結合了機械調速的高可靠性和電子調速的高效率，進一步提高了低負荷區域的傳動效率。

機電一體化調速裝置用主電機（恒定轉速）①驅動行星齒輪的齒圈⑦。通過調節伺服電機的轉速及轉向，可改變行星支架⑥轉速及轉向，最終改變從動轉速②。由于只有少部分從動功率作為調節功率，且轉速低于回轉點時會將多余能量回饋至電源，因此調速裝置可在整個轉速范圍中做到極高效率。當給水泵在較高轉速范圍工作時，伺服電機以電動機工況運行，與從動軸轉向一致，提供附加轉矩給從動軸升速，向行星齒輪輸出功率;當給水泵運行在較低轉速范圍內，伺服電機以發電機工況運行，被主動軸驅動反轉，使從動軸降速，回收一部分能量。

本套配合300MW機組50%電動給水泵的機電一體化調速裝置，其主傳動軸額定輸入轉速1480r/min，輸出轉速2650～5300r/min，回轉點轉速4187r/min（即伺服電機不工作時的輸出轉速）。伺服電機為兩臺500kW電機，其工作轉速區間為-1192～+1192 r/min。

3、給泵機電一體化調速改造實踐

廣州華潤熱電為2×330MW熱電聯產機組，每臺機配2×50%電動給水泵，其耗電率占發電量3%，改造前#1機組310MW、250MW、165MW三個工況平均測試結果：A給水泵傳動效率為75.32%，B給水泵傳動效率為75.84%。

經過技術經濟比較，對#1機組給水泵實施機電一體化調速改造。經現場試驗證明，機電一體化調速裝置能夠在50～100%調速范圍內保持在95%左右的極高效率，較改造前75%左右的效率提高了20%。

各負荷點測試節能效果：

根據月度機組廠用電計量對比：機組廠用電率平均下降0.8%，折合機組供電煤耗下降2.48g/kWh，達到了預期的節能效果。

4、投運以來發生問題

#1機組給水泵機電調速一體化裝置改造至今投運8個月，總體運行良好，達到預期效果。機械部分目前未發生異常故障。但A給水泵機電一體化調速裝置控制系統發生過兩次誤動跳閘，分別為“軸承B4溫度信號傳感器故障跳閘停機”（檢查為B4軸承溫度瞬間由41℃突變至-346℃，判斷溫度變送器存在故障，已作更換）;和“數字量輸出模塊35A1線路故障跳閘停機” （檢查數字量輸出模塊35A1故障報警，此模塊為轉速信號I/O卡件，故障后送電重啟后復位正常，現已作更換）。反應出裝置控制系統部件可靠性還有改進必要。另外運行中還有幾次振動、溫度測點瞬時報警，判斷是干擾。以上問題深層次是德國福伊特公司設備理念與國內在細節上存在不一致，其對現場電纜布設、接地等電磁屏蔽要求更高，同時各測點保護均設計為單點動作，不作速率限制、臨近測點參數對比等防誤動閉鎖措施，包括伺服電機、冷卻電機繞組溫度都投入單點跳閘，增大了裝置停運風險。以后的改造項目實施，需對電磁屏蔽工作要更為重視，同時與廠家溝通，設計時吸收我國電力行業成熟的熱控保護邏輯經驗。

5、小結

目前火電機組電動給水泵調速因為需滿足大功率傳遞、高可靠性要求，基本采用液力偶合器調速，但液力偶合器由于其工作原理及機組運行區間，節能效果不夠高，有改造空間。

機電一體化調速裝置較液力偶合器，其傳動效率從75%大幅度提升到95%，能夠降低給水泵電耗25%，且其可靠性高，無需過多維護。是一項大有前途的新技術。

參考文獻：

[1]閻德志，離心風機和泵類設備節能與液力偶合器調速和效率.《液壓氣動與密封》.2012年第5期

[2]GB 50660-2011.《大中型火力發電廠設計規范》

[3]福伊特機電一體化調速裝置（VECO-Drive）設備說明書

[4]潤電能源科學技術有限公司.《SLJ2019-RLSY075廣州華潤熱電有限公司#1機組A、B電動給水泵性能試驗報告》

[5]西安熱工研究院有限公司.《TPRI/ZC-RB-114-2020廣州華潤熱電有限公司1號機組給水泵機電一體化調速裝置性能試驗報告》