深度調峰機組電動給水泵的變頻改造節能分析

趙雪杉，潘效軍

(南京工程學院 研究生院，江蘇 南京 211167)

東北電網總裝機1.360×108kW，其中火電占比67%，裝機容量最大，風電2.720×107kW，水電0.809×107kW，核電0.430×107kW，光伏0.529×107kW。為了滿足新能源發電需要，節省煤耗，需要對火電機組進行深度調峰，使其負荷率低至30%～40%。其中，給水泵廠用電率較高，其單臺能達到機組基本出力的60%。若采用工頻調節，電動給水泵低負荷運行節流損失大，泵消耗功率大，所占廠用電率就要高。因此，需要對現有給水泵進行改造以提高其在低負荷運行時的經濟性[1-2]。

針對給水泵的改造技術，學者們做了大量的研究，宋亮等[3]通過理論分析水廠電泵在變頻調節方式下的特性，與工頻相比較，得出采用變頻動態調節流量，節流損失減小、功耗低、使泵效率高、節能明顯的結論；喬加飛等[4]研究不同調速方案下機組的性能差異，發現相對于液力耦合器方案，采用變頻的變工況性能具有明顯優勢；郭輝等[5]將變頻調速應用在330 MW電泵中，但僅對改造前后節電率與電流的變化情況進行了分析；王文彪等[6]通過將不同容量機組的變頻泵耗電量、改造前后節電率進行對比，驗證了采用變頻拖動深度調峰機組的必要性。

本文以某電廠600 MW亞臨界直接空冷機組電動給水泵組為例，運用變頻拖動技術，研究改造前后不同流量/負荷(100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%額定負荷)與電效率、電機有功功率之間的關系，從不同角度分析單雙泵節電節能的異同及變頻后帶來的經濟效益，驗證采用變頻拖動在深調峰機組節能方面的先進性和可靠性，為同類型機組的改造提供一定的參考依據。

1 給水泵變頻原理

在給水系統中，給水泵組的基本結構包括前置泵、電動機、液力耦合器和給水泵。為不發生汽蝕現象，從除氧器或凝結水泵引來的水，需經前置泵增壓，再利用電動機驅動給水泵升壓，經多級高壓加熱器加熱后進入鍋爐省煤器及蒸發和過熱受熱面加熱成過熱蒸汽進入汽輪機做功，帶動發電機進行發電[7]，系統流程圖如圖1所示。

圖1 給水系統流程圖Fig.1 Flow chart of water-supply system

給水泵變頻控制方式為交-直-交單元模塊多電平串聯正弦脈寬調制(SPWM)調制，每一相由8個720 V的功率單元串聯組成。整流方式為三相二極管不可控多重化整流，采用24脈移相變壓器，如圖2所示；逆變方式為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。實測鍋爐功率與轉速之間的關系[8]為P∝kn3，通過改變電動機轉速n，實現調節功率。

圖2 24脈移相變壓器Fig.2 24-pulse phase shift transformer

2 工程實例

2.1 工程概況

該公司1號汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限公司生產的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷、凝汽式汽機，型號為NZK600-16.7/538/538，設有七級回熱抽汽(三高三低一除氧)；給水泵型號為CHTC6/5；電機為YKS1000-4型號的鼠籠式異步電機，額定功率11 000 kW，電壓10 000 V，電流710 A，轉速1 491 r/min。

2.2 改造方案

結合工程實際的施工工期、運行維護、安全性等因素[5]，選擇僅增加變頻裝置，保留原有液力耦合器的方案，此時電動機同軸變頻驅動前置泵和給水泵，達到最佳效果[6]，結構圖如圖3所示。由于A、B、C三臺給水泵參數相同并考慮經濟性，采用一拖二拖動方式，正常情況下，A、B電機變頻運行，C電機工頻備用。當A/B故障跳閘時，切換線路使負載接C運行，提高了電廠運行的安全性，再根據變頻指令算出C泵的勺管位置，使兩臺泵轉速大致相等[9]，從而保證生產的連續性。

圖3 給水泵組增加變頻結構圖Fig.3 Structure diagram of adding frequency conversion to water-supply pump group

2.3 節能計算

按照中華人民共和國電力行業標準《大型鍋爐給水泵性能現場試驗方法》[10]進行計算。

泵組揚程為：

(1)

其中,H為揚程，P2為給水泵出口壓力，P1為前置泵入口壓力，ρm為進出口平均密度，Z2、Z1分別為出、入口測量截面至基準面的距離，U2、U1分別為給水泵組出、入口流速。

泵組機械效率為：

(2)

其中：η為機械效率；νm為比體積(m3/kg)；h2、h1分別為泵組出、進水比焓(J/kg)，通過壓力和溫度確定，入口溫度采用除氧器溫度；ΔEm為能量修正項，ΔEm=ΔEm1+ΔEm2，ΔEm1為平衡裝置和軸封裝置的泄漏流量損失，ΔEm2為單位質量泵體散熱損失；Ex為單位質量流體機械損失，這里都忽略。

泵組有效功率為：

(3)

其中,Pe為給水泵組有效功率，Qm為給水泵組入口主給水流量。

電機有功功率為：

(4)

其中,Pa為電機有功功率，U為線電壓，I為線電流，cosφ為功率因數角。

泵組電效率為：

(5)

其中ηe為泵組電效率。

3 改造效果分析

3.1 試驗條件及結果

選擇試驗時間段為低負荷時A單泵運行，高負荷時AB雙泵運行。因此，A泵做了100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%負荷整體試驗，而B泵只做100%、92%、83%負荷下的試驗。關閉給水泵的再循環門，中間抽頭不投運，穩定運行30 min后記錄試驗數據并取平均值，結果如表1～4所示。

表1 給水泵組性能試驗參數(AB雙泵運行)Table 1 Performance test parameters of water feed pump set(AB double pump operation)

表1(續)

表2 給水泵組性能試驗主要計算結果(AB雙泵運行)Table 2 Main calculation results of the performance test of the water feed pump group(AB double pump operation)

表3 給水泵組性能試驗參數(A單泵運行)Table 3 Performance test parameters of water feed pump set(A single pump operation)

表4 給水泵組性能試驗主要計算結果(A單泵運行)Table 4 Main calculation results of the performance test of the water feed pump group(A single pump operation)

3.2 結果分析

負荷運行工況由給水流量來反映，變頻改造前后，單臺給水泵組最大運行負荷由450 MW變為420 MW，與其相對應的最大流量由1 475 t/h變成1 479 t/h，表明給水泵組變頻后流量能達到額定流量。同時還發現，改造后頻率基本在76～90 Hz，轉速基本在1 100～1 350 r/min變化，處于額定轉速的70%～90%，而變頻調速在此工作范圍，恰好處于最優的高效運行區[11]，表明變頻調速適用于該機組且改造后運行高效。由于單、雙泵運行所帶的負荷流量并不相同且運行存在差異，故不能將A單泵運行與AB雙泵運行一起討論；變頻后單、雙泵運行所對應的負荷發生了改變，即420～450 MW區域，改造前為A單泵運行，而改造后卻變成AB雙泵運行，此負荷段不能將單、雙泵進行比較，故不做為研究范圍。

圖4為變頻前后A單泵和AB雙泵的給水泵組流量與效率之間的曲線圖，由圖可知，改造前，A泵組單泵和B泵組的電效率都隨著入口水流量的增加而增加，A泵組的電效率最小為63%，在1 475 t/h時達到最大為73%，B泵組最小為69%，在1 148 t/h時最大為80%，原因是單純的液耦調速效率等于轉速比，流量低時轉速低，導致效率低；改造后，A、B泵組的電效率分別在85%～95%和90%～95%。除圖中數據外，變頻前，入口水流量的增加使雙泵運行時的A泵組電效率增加，最小為69%，在1 128 t/h時達到最大為80%；變頻后，電效率在90%～95%。由上述可得，流量越低，變頻后提升的效率越多，最多為30%；變頻運行使整體電效率都大幅提升，改造效果明顯。

圖4 改造前后給水泵組流量與效率之間的關系曲線Fig.4 Relationship curve between the flow rate and efficiency of the water feed pump set before and after the transformation

圖5為變頻前后A單泵組和AB雙泵組中的B泵流量與電機功率之間的曲線圖，由圖可知，入口水流量的增加使A、B泵組電機有功功率隨之增加，改造后，有功功率平均下降約1 900、1 700 kW，有功功率差值在各自的流量最低時最大，分別約為2 200、2 000 kW，此時A、B泵都是最節電的。除圖中數據外，改造前后，雙泵運行時的A泵組電機有功功率也隨著入口水流量的增加而增加，最大差值也在流量最低處，約為2 000 kW。表明無論單泵運行還是雙泵運行，流量越低，節電效果越好，節電量最多達33%。

圖5 改造前后給水泵組流量與電機有功功率之間的關系曲線Fig.5 Relationship curve between the flow rate of the water feed pump group and the active power of the motor before and after the transformation

3.3 節能效果分析

根據公式

(6)

其中,L為廠用電降低率，Wd為總廠節電量，Wf為總發電量。

表5為不同負荷下機組的節電節能情況，每種工況運行300 d，由表可知，不同負荷下機組節電率可達21%～33%，年節電量約1.3×104～3.2×104MW·h，年節煤量約3.8×103～9.4×103t，廠用電降低率達0.45%～0.87%。

表5 不同工況運行下機組的節電節能情況Table 5 Power- and energy-saving of the unit under different operating conditions

若該公司機組深度調峰按50%負荷率計算，每年運行300 d，每天運行6 h，單臺機組一年可節約廠用電約3 792 MW·h。2020年內蒙古自治區蒙東稅前上網電價按0.303 5 元/(kW·h)計算，一年節約運營成本近115 萬元，約2～3年即可收回成本；機組供電煤耗按299.84 g/(kW·h)計算，一年節約標煤約1 137 t，節能減排效果十分顯著。

4 結論

本文以600 MW給水泵電機作為研究對象，研究變頻前后，不同負荷(100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%額定負荷)的流量與電效率、電機有功功率之間的關系，主要得出以下結論：

(1)雙泵滿負荷發電時，對于單臺泵是50%深調峰，因此，無論單泵運行還是雙泵運行，變頻后負荷越低，電效率提升的越多(最多為30%)，電機有功功率減少的越多(最多達33%)。變頻后的電效率、電機有功功率平均下降值分別能達到85%、1 700 kW以上。

(2)由試驗數據可知，變頻后的轉速、頻率均處于高效運行區，表明僅增加變頻器的方案適用于600 MW給水泵電機且具有一定的先進性和可靠性。深度調峰運行下，給水泵組變頻改造后廠用電率能降低0.45%以上，節電率達21%～33%，年節約運營成本近115 萬元，2～3年后即可盈利，年節約標煤約1 137 t，節能減排效果十分顯著。