電廠驅動用大功率調速設備的選型分析

高展羽王鑫馬駿

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

1 背景

當前，在化工、電力、水泥、冶金等領域內存在大量的風機、水泵、壓縮機等做功設備，據不完全統計，我國目前有不少于4 800萬臺風機、水泵類的被驅動設備，其中大部分設備是被電動機直接驅動，其耗電量巨大，約占國內工業用電的40%，而風機、水泵多為變轉速設備，若采用調速運行則可大大降低耗電量。

在發電廠中，引風機和給水泵是消耗廠用電的主要設備，若都采用電動機驅動，則其電量消耗約占廠用電量的70%，故很多電廠配備給水泵汽輪機和引風機汽輪機用于降低廠用電率以盡可能提高實際供電量。但近幾年來，隨著人們環保意識的提升和國家環保政策的收緊，越來越多的電廠和行業專家提出了更多的節能降耗理念和措施。其中給水泵由主汽輪機同軸驅動便是一種有效的節能方式，利用主汽輪機效率高于給水泵汽輪機效率的特點，采用主汽輪機直接驅動給水泵以進一步提高給水泵驅動系統的整體效率；另一種提高給水泵驅動系統效率的方式為采用功率平衡系統，即為給水泵配置回熱驅動式小汽輪機和功率平衡小發電機，利用增加給水泵汽輪機功率以及保持閥門全開的運行方式提高給水泵汽輪機全負荷區間的效率以提高給水泵驅動系統的整體效率。

無論是采用主汽輪機同軸驅動給水泵或者是功率平衡系統驅動給水泵，與常規的汽動給水泵配置相比，均需新增調速設備。在主汽輪機同軸驅動給水泵中，調速設備實現主汽輪機轉速3 000 r/min向給水泵轉速的無級調速，來滿足給水泵變工況需求；在回熱驅動式小汽機驅動給水泵的系統中，若小汽輪機采用3 000 r/min設計，則調速設備也需實現小汽輪機轉速3 000 r/min向給水泵轉速的無級調速，若小汽輪機采用變轉速設計直接驅動給水泵，則小汽輪機與功率平衡發電機之間需設置調速設備以滿足汽輪機轉速向功率平衡發電機轉速之間的變速調節，或者設置變頻發電機實現電流變頻。

本文將以汽輪機（3 000 r/min定轉速）與給水泵（變轉速）之間的無級調速設備為例展開進一步探討。

2 總體分析

2.1 調速設備分類

在電廠同軸驅動給水泵或者功率平衡系統驅動給水泵的調速系統中，調速裝置的主要功能是將輸入端3 000 r/min的定轉速經過變速后達到給水泵工作所需要的轉速，并且調速裝置輸出轉速能夠隨給水泵實際運行工況點的變化而變化，進行無級變速，實現給水泵流量和功率的任意變工況。

調速設備根據調速原理劃分可分為液力調速和變頻調速。目前，在火電廠工程應用中，國內已經投運的火電機組主要采用的是液力調速設備，其主要代表是Vioth公司生產的減速器及調速之星；近幾年，市場競爭越來越激烈，以RENK公司產品為代表的變頻調速設備也逐步進入火電廠消費者的視野。

隨著發電技術的發展，機組的功率和參數均有了較大提高，在新型1 000 MW火力發電機組中，給水壓力32 MPa以上，鍋爐給水泵的功率已經超過了40 MW，這對調速設備也提出了更高要求，目前在發電行業中尚未有40 MW以上的無級調速設備運行業績。

2.2 調速原理

Vioth調速之星是基于功率分配的原理，將給水泵汽輪機總的輸入功率分為兩部分，一部分功率通過主輸入軸傳遞給旋轉行星外齒圈，進而傳遞至輸出軸，其功率和轉速是固定的；另一部分經過泵輪、固定行星齒輪、旋轉行星齒輪等傳遞給輸出軸，該部分功率可通過調節泵輪的導葉打開或關閉而調整，從而最終調節輸出軸的轉速。其工作原理見圖1。

圖1 Vioth調速之星工作原理圖

RENK公司的調速設備是典型的功率分流匯流型產品，在該設備工作過程中，輸出端負載（給水泵功率）由兩部分組成，一部分來自主驅動設備（汽輪機），另一部分來自變頻電動發電機。當給水泵在高負荷點（高轉速）運行時，變頻電機處于電動機狀態，輸出功率給被驅動設備；當給水泵處于低負荷點（低轉速）運行時，變頻電機處于發電機狀態，汽輪機必須提供部分功率用于變頻電機發電，以實現輸出轉速的調節。在給水泵整個運行過程中，其轉速的調節由變頻電機實現，調節范圍也取決于變頻電機的大小，工作原理見圖2。

圖2 RENK變頻調速工作原理圖

無論是Vioth調速之星還是RENK公司的調速設備，從原理上看，兩者均為雙自由度的差動輪系，因此，根據差動輪系傳速比與效率的關系（見圖3），傳動比（輸入轉速/輸出轉速）越小，效率越高，因此，要提升調速設備效率則必須減小調速設備的傳速比，在實際工程應用中，汽輪機轉速（3 000 r/min）和給水泵工作轉速（約4 900 r/min）之比偏大，若將汽輪機轉速直接作為輸入轉速，則傳動效率太低，不具備工程應用價值。Vioth公司和RENK公司均采用在調速設備前增加減速箱的設計方案，將輸入轉速降低至1 500 r/min，然后再進行調速以提高整個調速系統的效率。

圖3 差動輪系傳速比與效率關系曲線

3 調速裝置選型要素

由于大功率的調速設備（大于40 MW）在發電行業尚未有運行業績，故在電廠鍋爐給水泵調速設備選型時，需要對調速裝置可行性進行全面的論證和分析，以確保工程應用的順利。

3.1 傳遞功率

以國內某工程為例，其給水泵出力在最大工況下達到約46 MW。而Vioth液力調速器當前在電廠同軸驅動項目中使用的最大功率約28 MW，因此，若要采用液力調速器，則內部零件的結構尺寸需要進行放大設計，尤其是旋轉行星外齒圈的結構要增大很多，設計難度大大增加。而RENK調速設備傳遞的功率一部分來自汽輪機，一部分來自變頻電機，故變頻電機功率的選擇直接影響了主輸入軸、主動輪和行星輪的結構尺寸設計，變頻電機功率越大，其行星輪傳遞功率越大，結構尺寸越大。

3.2 整體效率

在汽輪機同軸驅動給水泵或者功率平衡驅動給水泵的系統中，效率是考慮的關鍵因素之一。就調速裝置本身而言，調速之星在額定負荷下（假定選取額定負荷為設計點）的效率約95%，并且隨著給水泵負荷點升高或降低，其效率均呈下降趨勢，且波動相對較大，當給水泵負荷點降至75%時，其效率不足80%；而RENK變頻調速裝置在額定負荷下（假定選取額定負荷為設計點）的效率大于96%，且其效率隨給水泵負荷變化而波動的差值較小，在調速設備運行的大部分范圍內，其效率均大于90%。

在選擇調速裝置時，最主要的是考慮整個系統效率和電廠運行的收益最大化，因此，在選取調速設備的時候，需兼顧以下內容：

（1）電廠長期運行的負荷點以及各負荷點的運行時間；

（2）調速之星傳遞給給水泵的功率整個來自汽輪機，而RENK變頻調速器傳遞給給水泵的功率一部分來自汽輪機，一部分來自變頻電機，即給水泵部分功率呈電泵運行。

3.3 調速范圍

給水泵的運行轉速取決于發電機組的運行負荷點，發電機組的負荷運行區間一般為30%～100%，且電廠一般配置了30%的電泵，負荷低于30%時，電泵啟動，因此，調速裝置需保證能夠在30%～100%負荷穩定輸出給水泵需要的轉速。

圖4為調速之星功率傳遞示意圖。

圖4 Vioth調速之星功率傳遞示意圖

在調速之星調速時，輸入功率P分為兩部分，一部分為主傳動軸傳遞功率P1，另一部分為液力變矩器傳遞功率P2，P1為純機械傳動，效率較高，P2為液力傳動，效率相對低；在傳遞功率P2的同時，還承擔著調節輸出轉速的作用，P2占比越大，傳遞效率越低，但輸出轉速的調節范圍越寬。P1和P2的功率分配可通過調速裝置內部齒輪系以及液力變矩器泵輪等部件的結構尺寸進行合理設計，一般情況下，調速之星調速器的輸出轉速可滿足給水泵20%～100%額定轉速穩定運行。

圖5為RENK變頻調速功率傳遞示意圖。

圖5 RENK變頻調速功率傳遞示意圖

在RENK變頻調速設備中，其傳遞功率一部分來自汽輪機P1，一部分來自變頻電機P2，變頻電機承擔著調節輸出轉速的作用，且P2占比越大，傳動效率越低，但輸出轉速的調節范圍越寬。要保證輸出轉速的調節范圍，則需提高P2占比，如此不但要調整調速設備內部齒輪系的結構尺寸，更重要的是選擇功率合理的變頻電機。在某火電工程中，變頻電機功率占給水泵總功率約25%，其輸出轉速可滿足給水泵40%～100%額定轉速穩定運行。

綜上，不管是調速之星還是變頻電機調速，其調速范圍與功率的傳遞效率、設計難度以及成本是息息相關的。

3.4 旋轉方向

在鍋爐給水泵驅動系統中，調速設備是傳遞功率和調節給水泵轉速的重要設備。在調速設備選型中，應考慮其與汽輪機、給水泵旋轉方向的配合。對Voith調速之星和RENK變頻電機調速設備，其前端均設置了為提高功率傳遞效率而增加的減速器。對調速之星而言，汽輪機旋轉方向在經過減速箱和調速之星本體之后，并未發生改變（從汽輪機看向給水泵）；而對RENK產品而言，汽輪機旋轉方向在經過減速箱和變頻調速設備之后，方向發生變化。因此，給水泵、調速裝置和汽輪機的旋轉方向必須進行配合，保持一致。

3.5 總體布置

由于Vioth調速之星和RENK變頻調速器在調速原理上的差異較大，直接造成兩種設備在外觀和成本上存在較大差異。Vioth調速之星的調速部件全部集成為一體，采用整體機座，對外僅保持油路和軸系等接口，其集成度相對較高，而且占用場地小；相比之下， RENK變頻調速設備的調速齒輪系本體和變頻電機分開布置，采用分體基架，現場進行組裝，此外，變頻設備還需要一個恒溫、恒濕的變頻設備工作間，其投資成本和維護成本相對較高。

4 啟停和運行

在常規的給水泵驅動系統中，汽輪機與給水泵通過聯軸器進行連接，給水泵隨汽輪機一起盤車、沖轉、升負荷等，對于此同軸驅動和回熱驅動式給水泵系統，由于汽輪機采用定轉速設計，與給水泵之間存在調速設備，那么調速設備的啟動、運行和退出也是驅動系統中的關鍵環節之一。

4.1 盤車及啟動

汽輪機盤車是保護機組軸系的避免轉子彎曲而普遍采取的最有效措施，常規給水泵驅動系統中，給水泵轉子全程隨汽輪機轉子一起轉動，為了避免給水泵低速運轉時卡澀，汽輪機盤車裝置絕大多數采用高速盤車。在本文所述的同軸驅動系統和回熱驅動給水泵系統中，汽輪機與給水泵之間設置調速設備，則調速設備在啟動過程中的運行狀態與汽輪機的盤車設計和運行是有關系的。

若采用Vioth調速之星進行調速，則可在調速之星前端串聯液力耦合器和膜片式離合器，通過控制膜片式離合器的工作狀態而實現汽輪機轉子與給水泵轉子的離合，即可實現機組盤車、啟動過程中汽輪機獨自沖轉、帶電負荷后，再投入汽動給水泵。

若采用RENK變頻調速設備，可在調速設備輸出端增設剎車裝置，使汽輪機在低轉速下盤車時給水泵轉子保持靜止狀態，而當汽輪機盤車完成并開始沖轉后，給水泵隨汽輪機按一定比例一起升轉速，快速通過給水泵的低轉速區（一般為200 r/min以內）進入汽輪機定速3 000 r/min階段，進行暖機。啟動過程示意見圖6。

圖6 RENK變頻調速啟動曲線

4.2 運行和停機

不管是同軸驅動給水泵或者功率平衡驅動給水泵，無論是液力調速還是變頻調速設備，在運行過程中，給水泵只能夠在調速設備的轉速能力區間內進行變工況運行。

在機組正常停機時，汽動給水泵轉速隨鍋爐負荷下降而降低，若調速設備最低輸出轉速對應的汽動給水泵負荷低于電廠所配置電動給水泵功率（一般為30%BMCR）時，例如Vioth調速之星最低輸出轉速對應負荷可達20%BMCR，則可在汽動給水泵降負荷至30%BMCR時快速切入電泵，退出汽泵；某火電機組回熱驅動系統中采用了RENK變頻調速設備，其最低輸出轉速對應負荷設計為40%BMCR，故在給水泵負荷隨鍋爐降至40%BMCR時，須先退出給水泵驅動系統中的功率平衡小發電機，然后，汽輪機閥門參與調節，按變轉速運行降低調速裝置的輸入轉速，進一步降低給水泵轉速和負荷，待給水泵負荷降至30%BMCR時，切入電泵，因此，這大大增加了汽輪機的設計難度。

調速設備的調速范圍與機組的啟動、運行和停機關系密切，是電廠在對調速設備選型時必須考慮的重點因素之一。

5 總結

隨著發電機組功率大型化，熱力系統復雜化，電廠對大功率用調速設備的大型化、多樣化和設計現代化也提出更高要求，新型電廠設計初期，在調速設備選型過程中，不但要關注系統經濟性，還需要從整個機組運行的可靠性、控制的簡單化和投資成本等方面統籌考慮，這樣才能設計出更優秀的工程項目。