山西漳澤電力股份有限公司 趙紅斌

某電廠2×660MW 超臨界直接空冷機(jī)組設(shè)計(jì)每臺(tái)機(jī)組配備3臺(tái)35%容量的電動(dòng)給水泵，由液力耦合器調(diào)速。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅檢修無(wú)備用水泵且廠用電率高，綜合廠用電率為8.91%，給水泵耗電率3.74%，占總廠用電消耗的42%。

1 研究或革新內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

電動(dòng)給水泵流量需要在不同負(fù)荷變化的情況下頻繁調(diào)整，首先要求變頻器與增速齒輪箱調(diào)節(jié)特性匹配，使變頻器、電機(jī)、負(fù)載在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，確保在滿足系統(tǒng)需求的前提下，大幅度提高系統(tǒng)效率，最大限度的降低能耗；同時(shí)要求大容量高壓變頻器性能穩(wěn)定，采用帶有中心點(diǎn)漂移技術(shù)的功率單元模塊，當(dāng)某一模塊故障時(shí)，電動(dòng)給水泵只降低輸出功率，不會(huì)造成電動(dòng)給水泵停運(yùn)，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

水泵/電機(jī)/變頻器三者的效率最佳區(qū)間，讓變頻器始終在這最佳的效率區(qū)間運(yùn)行從而使變頻器發(fā)揮最大的效率點(diǎn)，并使得技改達(dá)到最佳的節(jié)電效果。無(wú)論這三者在哪個(gè)頻率做工，軟件始終會(huì)命令在頻率的最佳區(qū)間內(nèi)工作。圖1中三條曲線的陰影部分為最佳工況。

圖1 變頻器、水泵、電機(jī)三者關(guān)系曲線

圖2 給水泵效率與機(jī)組負(fù)荷系數(shù)關(guān)系曲線

創(chuàng)新點(diǎn)分析：現(xiàn)給水泵組為主泵+齒輪箱+電機(jī)以及變頻器，其中變頻調(diào)速和液力耦合器調(diào)速的系統(tǒng)差異技術(shù)差異如下。

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，使同步轉(zhuǎn)速變化，從而改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。其速度控制范圍寬可在1～100%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)到±0.5%（100%速度時(shí)），整機(jī)效率97%，功率因數(shù)0.95以上，具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及通訊接口，便于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，且保護(hù)功能完善。使用壽命長(zhǎng)，故障率低，維護(hù)量小。節(jié)電率高，與液力耦合器比較節(jié)電率可達(dá)20%以上。沒(méi)有液力偶合器高轉(zhuǎn)速丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。軟啟動(dòng)軟停止，可延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

液力耦合器是以鼠籠型電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)，以油做工質(zhì)，由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增速齒輪，由增速齒輪驅(qū)動(dòng)泵輪（主動(dòng)輪）將機(jī)械功率傳遞給工質(zhì)油帶動(dòng)渦輪（從動(dòng)輪）旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)輪與水泵相連接，通過(guò)勺管控制給水泵轉(zhuǎn)數(shù)。其轉(zhuǎn)差功率損耗大，變?yōu)闊崃客ㄟ^(guò)油水冷卻系統(tǒng)散發(fā)。安裝在電動(dòng)機(jī)和給水泵之間，需要堅(jiān)固的基礎(chǔ)。壓力油系統(tǒng)、勺管調(diào)節(jié)系統(tǒng)維護(hù)量大。電動(dòng)機(jī)定速運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流較大影響電機(jī)使用壽命。高速情況下，由于轉(zhuǎn)差率影響丟轉(zhuǎn)3%左右。耦合器效率一般較低，額定轉(zhuǎn)速下94%，變速條件下隨轉(zhuǎn)速降低而降低、變化大。

表1 改造前后調(diào)速效率

2 應(yīng)用情況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

2.1 原給水泵配置情況分析

改造前給水泵運(yùn)行情況及分析：分別采集1號(hào)機(jī)組100%、75%、50%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)全部取自現(xiàn)場(chǎng)DCS、10kV 開(kāi)關(guān)綜保），對(duì)給水泵組進(jìn)行效率分析，基于3臺(tái)泵組運(yùn)行數(shù)據(jù)非常接近，取平均值計(jì)算，主泵效率計(jì)算采用了熱力學(xué)方法，只與泵出、入口給水的溫度、壓力有關(guān)。通過(guò)給水泵、偶合器等機(jī)械負(fù)載軸功率計(jì)算得到的電功率與通過(guò)電氣拖動(dòng)輸入測(cè)量得到的電功率數(shù)值偏差很小，表明現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確，計(jì)算得當(dāng)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。給水泵與其他輔機(jī)比較，耗電率與機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)相同，負(fù)荷越高耗電率也越高。從表中分析發(fā)現(xiàn)，耗電率高的主要問(wèn)題在于主泵效率和偶合器效率均偏低。

表2 1號(hào)機(jī)組給水泵(液偶)工況計(jì)算匯總表

存在問(wèn)題：運(yùn)行數(shù)據(jù)表明給水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程過(guò)高，導(dǎo)致給水泵偏離高效區(qū)工作，直接降低給水泵運(yùn)行效率，而且給水泵低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)偶合器的轉(zhuǎn)差率增大，也降低了偶合器的運(yùn)行效率。機(jī)組在中高負(fù)荷時(shí)需運(yùn)行3臺(tái)給水泵，導(dǎo)致給水泵運(yùn)行余量較大，也會(huì)導(dǎo)致泵組效率的降低。

2.2 改造方案及改造后運(yùn)行情況

改造方案及配置。變頻改造首先在2號(hào)機(jī)組實(shí)施，將2A、2C 給水泵從35%BMCR 容量變?yōu)?0%TRL，拆除偶合器，增加增速齒輪箱，前置泵另設(shè)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于是已投運(yùn)機(jī)組的改造，因而可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確選擇設(shè)備參數(shù)，如給水泵揚(yáng)程、流量等；改造后運(yùn)行情況及分析。與1號(hào)機(jī)組相同，分別采集2號(hào)機(jī)組在100%、75%、50%負(fù)荷穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取2A、2C 兩臺(tái)泵組數(shù)據(jù)平均值統(tǒng)一計(jì)算，通過(guò)對(duì)泵組各相關(guān)設(shè)備的功率、效率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也比較吻合。

2.3 改造前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

2.3.1 設(shè)備能耗對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比1、2號(hào)機(jī)組給水泵組設(shè)計(jì)揚(yáng)程，可以得出1號(hào)機(jī)組給水泵存在352m 富余揚(yáng)程，相應(yīng)富余轉(zhuǎn)速340rpm。通過(guò)對(duì)偶合器空載軸功率及偶合器設(shè)計(jì)參數(shù)分析，得出偶合器未能達(dá)到設(shè)計(jì)效率，存在約400kW 的額外損失。

給水泵組效率對(duì)比：1號(hào)機(jī)組前置泵效率(%)79.0、71.0、68.0、74.2，2號(hào)機(jī)組前置泵效率(%)81.0、74.0、60.0、71.9，前置泵效率差值(%)2.0、3.0、-8.0、-2.3，1號(hào)機(jī)組主泵效率(%)78.8、77.5、77.7、78.2，2號(hào)機(jī)組主泵效率(%)83.3、79.9、70.3、78.8，主泵效率差值(%)4.6、2.4、-7.4、0.7，主泵效率差值比例(%)5.5、3.0、-10.6、0.9。

調(diào)速系統(tǒng)效率對(duì)比：1號(hào)機(jī)組偶合器效率(%)81.7、66.0、55.5、70.6，2號(hào)機(jī)組齒輪箱變頻器效率(%)97.3、97.3、97.3、97.3，調(diào)速系統(tǒng)效率差(%)15.7、31.3、41.8、26.8，調(diào)速系統(tǒng)效率提高比例(%)16.1、32.2、43.0、27.5。

偶合器效率分析：偶合器輸入轉(zhuǎn)速(rpm)6814、6814、6814，主泵轉(zhuǎn)速(rpm)5971、4979、4297，主泵速比(%)87.6、73.1、63.1，偶合器理想輸入轉(zhuǎn)速(rpm)6464、6464、6464，偶合器理想速比(%)92.4、77.0、66.5，富余揚(yáng)程引起的偶合器效率損失(%)4.6、3.8、3.3、4.1，額外機(jī)械損失(kW)396、396、396，偶合器輸入功率(kW)8532.2、5991.7、4847.3，額外機(jī)械損失降低的效率(%)4.6、6.6、8.2、6.2，偶合器特性損失的效率(%)7.522.432.518.6，偶合器效率2(%)83.2、67.1、56.0，較偶合器效率1偏差(%)1.6、1.2、0.5。

表3 給水泵組設(shè)備分項(xiàng)耗電率對(duì)比

表4 偶合器較變頻器齒輪箱系統(tǒng)能耗差分析

根據(jù)表3中的分析，2號(hào)機(jī)組較1號(hào)機(jī)組給水泵耗電率低1.17%，其中調(diào)速系統(tǒng)占1.03%，是主要因素，1號(hào)機(jī)組采取低負(fù)荷停運(yùn)1臺(tái)泵，平均效率基本相當(dāng)，其他大約還有0.1%的耗電率降低值。根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)反映出給水泵改造后在較高負(fù)荷工況有明顯的效率提高。在低負(fù)荷工況、停運(yùn)1臺(tái)35%給水泵情況下，由于運(yùn)行泵出力增加、相對(duì)效率也提高，說(shuō)明給水泵配置仍有優(yōu)化空間，給水泵效率與負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖2。

2.3.2 泵組耗電率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)生產(chǎn)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)分別繪制2臺(tái)機(jī)組給水泵耗電率與機(jī)組負(fù)荷系數(shù)關(guān)系曲線并擬合函數(shù)，如圖3所示，機(jī)組負(fù)荷系數(shù)主要集中在70%至90%之間，擬合函數(shù)在此區(qū)間較為準(zhǔn)確，并可求出負(fù)荷系數(shù)在77.7%時(shí)耗電率降低幅度最大、達(dá)1.12%，負(fù)荷系數(shù)在70%、90%時(shí)耗電率降低幅度分別為1.06%、0.97%，其反映的是機(jī)組日常運(yùn)行工況。根據(jù)計(jì)算，工況1、工況2、工況3耗電率降低幅度分別為0.96%、1.35%、1.13%。

圖3 1、2號(hào)機(jī)組給水泵耗電率與機(jī)組負(fù)荷系數(shù)關(guān)系曲線

總體性能指標(biāo)：改造后總體耗電率下降1.17%，變頻器運(yùn)行維護(hù)量遠(yuǎn)小于液力偶合器。

2.4 存在的問(wèn)題及推廣應(yīng)用前景

增加了變頻器就增加電氣設(shè)備的故障率；機(jī)組在低負(fù)荷50%運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)35%的給水泵效率要高于兩臺(tái)50%的給水泵，所以給水泵的配置還有優(yōu)化的空間；大機(jī)組給水泵采用變頻方式從經(jīng)濟(jì)性和可靠性都是可行的，變頻改造是行之有效的。