火力發(fā)電廠電動(dòng)給水泵調(diào)速系統(tǒng)變頻改造可行性探討

周云健

摘 要：不同型式和不同配置的主給水系統(tǒng)都能滿足熱電廠的運(yùn)行需要，但作為電廠的重要輔機(jī)系統(tǒng)，其投資和運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性是不同的。該文以阜新金山電廠給水

泵變頻改造為例，分析對(duì)給水泵進(jìn)行交流變頻改造的可行性，分析了給水泵改造的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果，說(shuō)明給水泵變頻改造是電廠節(jié)能降耗的可行途徑。利用高壓變頻調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組給水泵調(diào)節(jié)，取代液力耦合器調(diào)節(jié)，不僅可以達(dá)到投資節(jié)省，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行及維護(hù)經(jīng)濟(jì)，達(dá)到很好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：給水泵 變頻器 節(jié)能 改造

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（b）-0035-03

在火電廠中，電動(dòng)給水泵容量大、耗電多，是主要的耗電設(shè)備。該設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于降低廠用電率、降低發(fā)電成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要作用。

1 給水泵組簡(jiǎn)介

阜新金山電廠現(xiàn)有4×150 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組按4×100%額定容量配置電動(dòng)給水泵組。泵組由主給水泵及其液力偶合器、電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，其中主給水泵向鍋爐連續(xù)供水并向鍋爐過(guò)熱器、再熱器及汽輪機(jī)高壓旁路提供減溫水，液力偶合器通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)與主給水泵的轉(zhuǎn)速比以調(diào)節(jié)泵的出力。給水泵組采用1運(yùn)1備的運(yùn)行方式，通過(guò)鍋爐給水調(diào)節(jié)門及液力偶合器調(diào)節(jié)進(jìn)入鍋爐水量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

給水泵組參數(shù)：給水泵額定轉(zhuǎn)速4 700 r/min；軸功率3 800 kW；電機(jī)轉(zhuǎn)速1 491 r/min；電機(jī)功率3 800 kW；額定電流418 A；額定電壓6 000 V；液力偶合器額定功率3 335 kW；輸入/輸出轉(zhuǎn)速1 490/4 800 r/min。

2 變頻改造的必要性

制造廠的相關(guān)研究資料表明：液力偶合器的效率等于其實(shí)際運(yùn)行輸出轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比。由于液力偶合器的額定轉(zhuǎn)速都是和給水泵的最大出力相配套的，就液力偶合器本身而言，處于高轉(zhuǎn)速比下工作才能獲得最高的效率。但設(shè)計(jì)上給水泵的最大出力為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%，高于機(jī)組的額定出力需要，同時(shí)正常運(yùn)行中機(jī)組由于負(fù)荷分配和調(diào)峰等因素影響，偶合器經(jīng)常偏離額定負(fù)荷運(yùn)行，年平均負(fù)荷率一般在70%左右。觀察圖2中的液力偶合器效率曲線，可以清楚地看到在低負(fù)荷下，如給水泵轉(zhuǎn)速在69.82%時(shí)能量損耗達(dá)到60%。

阜新金山電廠2016年上半年平均負(fù)荷率為70%，可以看出給水泵采用液偶調(diào)速的運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性較差。利用高壓變頻調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組給水泵調(diào)節(jié)，取代液力耦合器調(diào)節(jié)，存在以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）給水泵電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的軟啟動(dòng)、軟停車，變頻器提供給電機(jī)的無(wú)諧波干擾的正弦波電流、峰值電流和峰值時(shí)間大為減少，可消除對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，避免產(chǎn)生操作過(guò)電壓而損傷電機(jī)絕緣，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)和水泵的使用壽命。

（2）變頻器設(shè)置共振點(diǎn)跳轉(zhuǎn)頻率，可以避免水泵處于共振點(diǎn)運(yùn)行的可能性，使水泵工作平穩(wěn)，軸承磨損減少，啟動(dòng)平滑，消除了機(jī)械的沖擊力，提高了設(shè)備的使用壽命。

（3）由于低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速降低，減少了機(jī)械部分的磨損和振動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備檢修周期，可節(jié)省大量的檢修費(fèi)用。

（4）給水泵是火力發(fā)電廠中耗電量最大的一類輔機(jī)，提高水泵運(yùn)行效率，降低水泵的電耗，對(duì)于降低廠用電率，提高電廠經(jīng)濟(jì)效益有明顯的效果。

3 變頻改造方案

3.1 給水泵變頻改造基本原理

電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是利用變頻裝置作為變頻電源，通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子的供電電源頻率f，使同步轉(zhuǎn)速n1變化，從而改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。其原理是：對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，流量Q與轉(zhuǎn)速N成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的二次方成正比，而軸功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比，它們之間的關(guān)系變化見(jiàn)表1。

表1可看出，用變頻調(diào)速的方法來(lái)減少水泵流量進(jìn)行節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的，當(dāng)所需流量減少，水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其電動(dòng)機(jī)的所需功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。

3.2 給水泵變頻改造實(shí)施方案

給水泵變頻改造主要分為3個(gè)部分。

一是對(duì)液力偶合器油系統(tǒng)進(jìn)行改造。將液力偶合器改造成多功能液力偶合器，在保留液力偶合器調(diào)速功能的基礎(chǔ)上，增加液力偶合器的增速齒輪箱輸出功能。通過(guò)這一改造液力偶合器具備了兩種功能：一是工頻運(yùn)行時(shí)的液力偶合器的調(diào)速功能；二是變頻運(yùn)行時(shí)（將勺管固定在100%位置）的增速齒輪箱輸出功能。兩種功能可以通過(guò)勺管進(jìn)行切換。有了這兩種功能，配套相應(yīng)的變頻器等電氣設(shè)備，就可以通過(guò)切換實(shí)現(xiàn)給水泵變頻運(yùn)行。

二是電氣回路改造。在對(duì)液力偶合器進(jìn)行改造的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一臺(tái)與給水泵電動(dòng)機(jī)配套的高壓變頻器和斷路器開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)給水泵的變頻調(diào)速（一拖二方式）。電動(dòng)給水泵實(shí)現(xiàn)變頻一拖二的辦法是：選配一臺(tái)變頻器，從兩臺(tái)電動(dòng)給水泵斷路器負(fù)荷側(cè)與變頻器電源側(cè)配置兩個(gè)斷路器，變頻器輸出側(cè)配置兩個(gè)斷路器，分別與兩臺(tái)給水泵電動(dòng)機(jī)輸入端工頻并接，實(shí)現(xiàn)通過(guò)切換（偶合器調(diào)速方式也隨之相應(yīng)切換）的變頻一拖二運(yùn)行方式。采用這種接線方式既便于給水泵的定期切換運(yùn)行，又便于互相備用。正常運(yùn)行方式為變頻調(diào)速泵運(yùn)行，液力偶合器調(diào)速泵備用，兩臺(tái)泵可定期自動(dòng)切換變頻調(diào)速運(yùn)行。接線圖見(jiàn)圖3。

三是控制系統(tǒng)改造。將變頻器的接口與原來(lái)的DCS連接起來(lái)，把相關(guān)的控制端子引入到控制室，滿足遠(yuǎn)方操作控制的要求。同時(shí)增加新增液偶油泵控制回路。

4 變頻改造后的經(jīng)濟(jì)效益分析

負(fù)荷工況表見(jiàn)表2。

給水泵電機(jī)額定功率3 800 kW；額定電壓6 kV；額定電流418 A；額定轉(zhuǎn)速1 491 r/min。

（1）滿負(fù)荷下工頻運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)際消耗功率。

P1=1.732UIcos?=1.732×6×402×0.85=3 551 kW

（2）70%負(fù)荷（105 MW）時(shí)工頻運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)際消耗功率。

P2=1.732UIcos?=1.732×6×273×0.85=2 411 kW

（3）變頻改造后，70%負(fù)荷（105 MW）時(shí)系統(tǒng)實(shí)際消耗功率。

P3=（3 850.3/4 534.2）3×3 551=2 174 kW

變頻改造后70%負(fù)荷（105 MW）下的節(jié)電量：

ΔP=（2 411-2 174）=237 kW

平均節(jié)電率為：237÷2 411=9.83%。

（4）4臺(tái)機(jī)組變頻改造后年平均節(jié)電量。

237×6 100×4=5 782 800 kW·h

（5）年節(jié)電金額。

5 782 800 kW·h×0.37元/kW·h=214萬(wàn)元

（6）年節(jié)約標(biāo)煤：供電煤耗按356 g/kW·h計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤=356 g/kW·h×5 782 800 kW·h=2 059 t。

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)給水泵改造為變頻調(diào)整之后，通過(guò)減少鍋爐給水調(diào)節(jié)門的節(jié)流損失、提高給水泵在低流量偏離額定工況的效率來(lái)提高給水系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率，總體而言，給水泵的變頻改造投資少，效益明顯，采用高壓變頻技術(shù)，確保了設(shè)備安全、運(yùn)行穩(wěn)定，是一種可取的節(jié)能方式。

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