郭輝，王曰峰，顧志國(guó)

（1.中國(guó)節(jié)能減排有限公司北京神華中機(jī)能源環(huán)?？萍加邢薰荆本?00011；2.神華神東電力公司新疆米東熱電廠，新疆烏魯木齊830019）

火電廠電動(dòng)給水泵作為機(jī)組輔機(jī)中最大的耗電設(shè)備，其耗電率占全廠用電的20%～30%，是全廠耗電量最高的輔機(jī)設(shè)備，直接影響到廠用電指標(biāo)和全廠經(jīng)濟(jì)效益。高壓變頻調(diào)速具有系統(tǒng)效率高、能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、功率因數(shù)高、調(diào)節(jié)品質(zhì)好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，因此對(duì)燃煤電廠電動(dòng)給水泵進(jìn)行變頻改造是提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性重要措施。

1 給水泵液力耦合器調(diào)速改變頻調(diào)速的必要性

液力耦合器相對(duì)于定速泵和調(diào)節(jié)閥的控制方式有著無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，一段時(shí)期內(nèi)廣泛應(yīng)用于200 MW 和300 MW 等級(jí)的機(jī)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(duì)較低。根據(jù)液力耦合器的設(shè)計(jì)原理，液力耦合器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，勺管開度越接近100%，其滑差越小，傳遞效率越高。

圖1中的液力耦合器效率曲線表明了液力耦合器的傳遞特性，可以清楚地看到，雖然電動(dòng)給水泵組能夠利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式控制給水量，但在變負(fù)荷工況下，尤其在低負(fù)荷情況下，比如給水泵轉(zhuǎn)速在60%時(shí)能量損耗就達(dá)到42%左右，而發(fā)電機(jī)組很難保證始終維持在90%以上負(fù)荷運(yùn)行。

圖1 液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速的效率對(duì)比Fig.1 Comparison of efficiency and variable frequency adjustable and hydraulic coupler

液力耦合器驅(qū)動(dòng)調(diào)速的電動(dòng)給水泵的節(jié)電潛力是很大的，其原因是按技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鍋爐機(jī)組的最大連續(xù)蒸發(fā)量是按汽輪機(jī)組的最大進(jìn)汽量的1.05～1.10倍計(jì)算的，給水泵的最大流量是按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的1.05～1.10 計(jì)算的，液力耦合器是按最大流量配套的，機(jī)組投產(chǎn)后，即便在額定工況運(yùn)行，給水泵液力耦合器已經(jīng)偏離額定工況10%左右，近年來(lái)300 MW 機(jī)組年平均負(fù)荷率一般在65%～75%，偏離額定工況效率明顯降低，這是液力耦合器的最大弊端，效率低，損耗大，運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)油溫過高等異常情況。

變頻調(diào)速裝置可以使電動(dòng)設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，大大提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能目的。目前，電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速裝置技術(shù)已非常成熟[2-3]，在技術(shù)可行且不產(chǎn)生安全隱患的前提下，提高在低負(fù)荷工況下電泵組的效率，降低電泵運(yùn)行時(shí)的電耗是十分必要的。

液力耦合器在運(yùn)行中，泵輪轉(zhuǎn)速nB要稍大于渦輪的轉(zhuǎn)速nT，只有這樣泵輪出口油壓才能高于渦輪入口油壓，從而完成轉(zhuǎn)矩傳遞。泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速差與泵輪轉(zhuǎn)速之比如下式：

式中：S為液力耦合器的滑差。

液力耦合器在工作過程中的能量損失主要是液體在工作腔內(nèi)的流動(dòng)損失和進(jìn)入工作輪入口處的沖擊損失、工作輪與空氣的摩擦損失，以及軸承、密封、齒輪齒等的機(jī)械損失，因此液力耦合器的輸出功率P2總是小于輸入功率P1。

液耦調(diào)速器與變頻調(diào)速改造后的唯一區(qū)別就是兩者的效率不同[4]，變頻器的效率一般保持在97%以上，而液力耦合器的效率在90%以下，兩者的效率差成了節(jié)能的來(lái)源，而節(jié)能計(jì)算也是圍繞著計(jì)算液力耦合器的運(yùn)行效率計(jì)算。對(duì)照?qǐng)D1，變頻調(diào)速效率曲線和液力耦合器效率曲線圍成的三角區(qū)域就是液力耦合調(diào)速電動(dòng)給水泵改為變頻調(diào)速后的節(jié)能空間。相同負(fù)荷條件下，效率相差很大，75%負(fù)荷率以下，可以節(jié)電20%及以上。

2 電動(dòng)給水泵變頻改造實(shí)施方案

國(guó)內(nèi)某電廠單機(jī)容量330 MW，配置3 臺(tái)液耦調(diào)速電動(dòng)給水泵，帶前置泵。給水泵電機(jī)5 500 kW/6 kV，出水流量559.9 t/h，揚(yáng)程2 353 m，液力耦合器為YOT51 型，輸入轉(zhuǎn)速1 491 r/min，輸出轉(zhuǎn)速5 900 r/min。每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)50%額定容量電動(dòng)給水泵，采用液力耦合器調(diào)節(jié)給水泵控制給水流量。系統(tǒng)如圖2所示，鍋爐給水泵、給水前置泵、液力耦合器工作油泵和潤(rùn)滑油泵由同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，給水前置泵、工作油、潤(rùn)滑油油泵與給水泵電動(dòng)機(jī)同步恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 液力耦合器調(diào)速給水泵系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic coupler of variable speed feed water pump system

2.1 改造方案的分析與選擇

一個(gè)合適的鍋爐給水泵液耦調(diào)速改變頻方案應(yīng)該全面考慮和比較改造后設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性、節(jié)能效益、投資回報(bào)率、施工工期、運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用等多種要素，綜合比較后在確保長(zhǎng)期運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，電廠的鍋爐液耦調(diào)速電動(dòng)給水泵變頻改造方案歸納如下。

1）對(duì)3 臺(tái)液力耦合器調(diào)速電動(dòng)給水泵中的A，B泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，保留C泵液耦調(diào)速功能，作為備用泵。

2）液力耦合器變頻改造時(shí)，保持液力耦合器的所有外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，不需要拆除液力耦合器內(nèi)部原有的工作油泵和潤(rùn)滑油泵，從而不會(huì)破壞液力耦合器的原始結(jié)構(gòu)。

3）不拆除液力耦合器的原始工作油泵以及潤(rùn)滑油泵，保持原始的機(jī)組油系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，從而不需要對(duì)整個(gè)機(jī)組的油管路進(jìn)行拆除或進(jìn)行大的更改，不需要在機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大規(guī)模的焊接施工。

4）變頻改造后，主給水泵與前置泵用同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，前置泵的運(yùn)行方式由原來(lái)的定速改為變速運(yùn)行，對(duì)前置泵進(jìn)行校核，以確保變頻改造后能滿足給水泵的汽蝕余量的要求。

5）采用保留液力耦合器方式，將液力耦合器的原有功能全部保留，無(wú)需單獨(dú)配潤(rùn)滑油系統(tǒng)等功能；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障后可以迅速切換到工頻運(yùn)行，等變頻器故障排除后在切換回變頻運(yùn)行。

綜合比較，采用的變頻改造方案具有新增設(shè)備少，施工工期短，節(jié)能效益以及投資回報(bào)率高，降低了設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用，保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的安全穩(wěn)定性的多種優(yōu)點(diǎn)，圖3 給出了改造的工藝方案示意圖。

圖3 液力耦合器改造的工藝方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of process scheme of hydraulic coupler transformation

2.2 高壓變頻器控制方式

要求最大限度地達(dá)到節(jié)能目的，提高給水泵組節(jié)能效率（機(jī)組年平均負(fù)荷率70%計(jì)算，改造后給水泵組年度加權(quán)平均能耗應(yīng)比改造前降低23%），同時(shí)保證備用給水泵的安全、可靠備用。本工程將對(duì)A 給水泵、B 給水泵在原液力耦合器調(diào)速基礎(chǔ)上進(jìn)行高壓變頻調(diào)速改造，控制方式采用手動(dòng)一拖一方式。采用一臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)一負(fù)載，其電氣原理示意接線圖如4 所示。該方案在設(shè)計(jì)中考慮：1）工頻旁路隔離刀閘QS3設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)，QS2與QS3為雙頭隔離刀閘，防止誤操作；2）在變頻運(yùn)行狀況下，QS1，QS2 閉合，QS3 斷開。如運(yùn)行過程中變頻器發(fā)生故障停機(jī)，則啟動(dòng)備用泵B 泵，斷開母線側(cè)高壓開關(guān)QF 后，斷開QS1，QS2，閉合QS3，使A 泵處于工頻備用狀態(tài)；3）待變頻器故障排除后，斷開QS3，閉合QS1，QS2，閉合母線側(cè)高壓開關(guān)QF、變頻啟動(dòng)A泵，同時(shí)B泵停機(jī)進(jìn)入備用狀態(tài)。

圖4 手動(dòng)切換方式接線圖Fig.4 Manual switching mode wiring diagram

2.3 前置泵改造方案

火電廠鍋爐給水泵，入口水溫近似飽和水溫，為保證不發(fā)生汽蝕，安裝設(shè)置了低速前置泵。給水先通過前置泵升高壓力后，再進(jìn)入給水泵。這樣就使給水泵入口的壓力大于給水溫度所對(duì)應(yīng)的汽化壓力，避免了給水泵的汽蝕。給水泵組進(jìn)行變頻調(diào)速型液力耦合器電動(dòng)給水泵改造后，前置泵如何運(yùn)行，是繼續(xù)保持定速運(yùn)行，還是由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)變速運(yùn)行，成為必需解決的技術(shù)關(guān)鍵。

機(jī)組電動(dòng)給水泵的前置泵，由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)是出于設(shè)計(jì)、安裝和使用的方便和習(xí)慣，并不是前置泵要定速運(yùn)行，前置泵設(shè)計(jì)為同軸定速方式，是因?yàn)橐毫︸詈掀髡{(diào)速時(shí)，前置泵不能變速運(yùn)行，為節(jié)省一臺(tái)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，由給水泵電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)定速運(yùn)行。關(guān)鍵是前置泵揚(yáng)程所提供的有效汽蝕余量，在變速運(yùn)行工況下，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，都要始終高于給水泵必需汽蝕余量。給水泵電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，前置泵也同時(shí)改為變頻調(diào)速運(yùn)行，既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理。

2.4 液力耦合器改動(dòng)方案

依據(jù)設(shè)備安全可靠原則，液力耦合器改造原則是：1）保留耦合器軸頭油泵的功能，確保突發(fā)狀態(tài)下整個(gè)機(jī)組能惰性停機(jī)，不至于損害機(jī)組設(shè)備；2）保留機(jī)組輕載啟動(dòng)和柔性連接的功能，保護(hù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備在故障下，不發(fā)生卡死或咬死現(xiàn)象；3）盡量保留原操作習(xí)慣，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

液力耦合器勺管保持100%開度運(yùn)行，其潤(rùn)滑油系統(tǒng)保留，將液力耦合器內(nèi)部工作油油泵和潤(rùn)滑油泵保留，增設(shè)外置式工作油、潤(rùn)滑油系統(tǒng)，通過油管路與耦合器相連，油泵均采用1×100%容量，新增油泵與原耦合器油泵互為備用，一運(yùn)一備。

3 變頻改造節(jié)能效果

表1、表2為機(jī)組相同負(fù)荷條件下A泵改造前后測(cè)取的電流值。B 電泵電流下降值與A 泵相當(dāng)，計(jì)算中認(rèn)為與A 泵一樣。由表2 可得在不同負(fù)荷段的電流下降平均值為128 A，電泵工頻運(yùn)行時(shí)其功率因數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)電能量計(jì)算，負(fù)荷從190 MW 至330 MW 變化時(shí)，其功率因數(shù)自0.82逐步上升至0.895；電泵變頻運(yùn)行時(shí)當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從190 MW 至330 MW 變化時(shí)，變頻器頻率基本在35 Hz至45 Hz之間變化，變頻器輸入功率因數(shù)基本維持在0.99，因此，計(jì)算時(shí)變頻狀態(tài)取其功率因數(shù)為固定0.99。

表1 變頻改造前機(jī)組各負(fù)荷段A電泵數(shù)據(jù)Tab.1 Frequency conversion renovation before the power unit A electric pump data

表2 變頻改造后機(jī)組各負(fù)荷段A電泵數(shù)據(jù)Tab.2 The power frequency converter unit A electric pump data

根據(jù)變頻器技術(shù)協(xié)議中關(guān)于變頻裝置總效率（含變壓器）的要求及其承諾，變頻器總效率≥96%，計(jì)算時(shí)取96%，單臺(tái)前置泵、油泵、空水冷等實(shí)際運(yùn)行功率為102 kW。電泵變頻改造后，當(dāng)按照年度運(yùn)行7 900 h計(jì)算時(shí)，圖5為A電動(dòng)給水泵工、變頻電流對(duì)比示意圖，電流平均下降128 A。圖6為電廠1號(hào)機(jī)組變頻給水泵綜合節(jié)電率趨勢(shì)圖，機(jī)組不同負(fù)載（鍋爐給水流量）各工況下節(jié)能率達(dá)9%～32%，年度節(jié)能量可達(dá)1 140 萬(wàn)kW·h，按照上網(wǎng)電價(jià)0.288 6元/kW·h計(jì)算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益329萬(wàn)元。

圖5 A電動(dòng)給水泵工、變頻電流對(duì)比Fig.5 Electric water pump A variable frequency current comparison

圖6 電廠1號(hào)機(jī)組變頻給水泵綜合節(jié)電率Fig.6 Unit 1 power plant frequency conversion water supply pump comprehensive energy saving rate

A給水泵變頻改造后的節(jié)能效果如表3所示。在190 MW負(fù)荷時(shí)，給水泵在變頻工況下比工頻工況下的節(jié)電率為30.58%；250 MW 負(fù)荷時(shí)，變頻工況給水泵節(jié)電率為17.61%左右，330 MW 負(fù)荷時(shí)，給水泵節(jié)電率9.44%。可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，變頻器節(jié)能降耗的幅度及優(yōu)勢(shì)越明顯，隨著機(jī)組參與調(diào)峰幅度的增加，給水泵電機(jī)變頻改造將降低給水泵電機(jī)的耗電率，進(jìn)一步減少能源消耗，提高能源的利用效率。

表3 A給水泵變頻改造后的節(jié)能效果Tab.3 The effect of energy saving pump A after frequency conversion transformation

4 結(jié)論

通過研究分析，液力耦合器調(diào)速給水泵替代為變頻調(diào)速給水泵，可明顯提高給水泵的運(yùn)行效率，節(jié)能效果顯著，是電廠節(jié)能降耗的有效途徑。因此，在電站給水泵的節(jié)能改造上將有較大的發(fā)展前景。

［1］賈貴璽，張臣堂，馬志剛.高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究及其應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，1999，29（4）：14-17.

［2］馬小亮.大功率風(fēng)機(jī)，泵節(jié)能調(diào)速發(fā)展方向探討［J］.電氣傳動(dòng)，1999，29（1）：3-6．

［3］李遵基，姜萍，李濟(jì)英.中壓變頻器在火電廠送風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2000，33（6）：75-77．

［4］韓安容.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］孫立新.給水泵高壓變頻控制技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.電站系統(tǒng)工程，2013，29（2）：75-78.