300 MW 發電機組電動給水泵變頻技術改造

郜培剛

0 引言

電動給水泵是電廠生產中主要的耗電設備，存在很大的節能潛力。臨汾熱電公司雙機轉入正式生產以來，廠用電率一直在10%以上，其中給水泵占廠用電的25%，直接影響到全廠的供電煤耗、發電成本等指標。目前，變頻器憑借優良的節能屬性已經應用于電力生產業的多種設備，因此就有了通過對電動給水泵進行變頻改造降低廠用電率的需求。

1 機組概況

山西臨汾熱電廠裝機容量為2×300 MW 供熱機組，每臺機組配置3 臺50%容量電動給水泵，采用液力耦合器調節給水泵轉速控制給水流量。本次改造首先在臨汾熱電#2 機組進行了實踐，將機組中#1、#2 兩臺運行泵改為了變頻調速，#3 泵作為備用泵保留了液力耦合器調速方式。正常運行方式下由#1、#2 泵運行，#3 泵熱備用，運行泵事故情況下，#3 泵經熱控邏輯控制執行“搶水”運行。

2 給水泵液耦調速損耗與節能分析

2.1 損耗分析

液力耦合調速電動給水泵是發電廠生產過程的主要輔機之一，因液力耦合器相對于定速泵＋調節閥的控制方式有無級調速的優點，一段時期內廣泛應用于200 MW 和300 MW 等級的機組中，但因其調速轉換效率隨著轉速降低而下降，綜合效率相對較低。另外，液力耦合器屬于轉差損耗型調速裝置，在調速的過程中，轉差功率以熱能的形式損耗在油中，額外增加了能耗。

分析液力耦合器無級調速的工作原理就會發現：液力耦合器的轉速控制屬于間接滑差調節，耦合器通過驅動端的泵輪帶動工作油，工作油獲得動量后傳遞給渦輪。由于耦合器的泵輪和渦輪之間有工作間隙，動力連接靠的是工作油，所以是軟連接，泵輪的轉速是固定的，渦輪的轉速是變化的，快慢取決于渦輪殼內工作油位的高低，因此耦合器調速過程泵輪和渦輪有滑差存在，輸出端轉速由高到低，滑差由小到大。滑差本質上是一種摩擦的表現形式，摩擦就會生熱，這個熱量不會去做功，是純粹的損耗。

液耦工作油冷油器冷卻水帶走的熱量也能夠估算出液力耦合器損失的功率。從理論上講，液力耦合器設計參數中也表明存在固定損耗。液力耦合器工作油的滑差熱損耗與液耦輸入/輸出轉速比（Kn）有對應關系，液力偶合器的Kn 在67%時，耦合器的熱損耗是最高的，Kn 趨于0.97 時熱損耗最低。

綜上可知：電廠給水泵采用液力耦合器無級調速系統是有損耗的，損耗主要來自兩個方面：

①液力耦合器的滑差熱損耗；

②電動機的工作效率損耗。

變頻調速型液力耦合器綜合效率比液力耦合器調速效率高出很多，變頻調速有著更高的節能潛力。用變頻調速替換液力耦合器調速，可以有效解決液力耦合器低轉速比時效率低能耗高的問題，能夠實現節能降耗的目標。

2.2 節能原理

2.2.1 理論公式

離心泵的流量Q 與轉速N 的一次方成正比，壓力H 與轉速N 的平方成正比，功率P 與轉速N 的立方成正比。理論上說，一臺離心泵電機當轉速下降到原轉速的80%時省電48.8%，當轉速下降到原轉速的50%時省電87.5%[1]。

2.2.2 設計規則

從發電廠設計原則來看，鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）通常比經濟連續蒸發量（ECR）高5%～10%，機組重要輔機（給水泵、凝結水泵、送風機、引風機、一次風機等）容量比BMCR 還要高5%～10%。機組在額定負荷下運行，輔機一般都存在10%～20%的系統必備裕量。尤其鍋爐給水泵，為了滿足鍋爐打水壓時的需要，給水泵容量必須具備不低于110%鍋爐水壓的能力，因此其節能潛力巨大。

3 改造方案

3.1 增配設備

①2 臺給水泵專用高壓變頻器，容量6 900 kVA/6 kV；

②2 臺前置泵電動機，容量132 kW/380 V；

高校作為高等學歷繼續教育的辦學主體，必須守好本分，盡到責任，在國家法律法規的框架下認真履行辦學和監管責任，規范招生、教學、考試、收費、畢業證書發放等重要環節，管好校外支持服務站點，不能以任何形式轉移（下放或外包）辦學權、招生權、教學權、管理權。高校特別要規范學歷繼續教育招生行為，規避市場惡性競爭，嚴禁委托個人或中介機構代理招生，杜絕虛假宣傳和違規承諾。對冒用學校名義開展的各類招生行為，學校要通過法律程序予以追究責任。要進一步加強考試管理，嚴肅考試紀律，落實好監考、巡考制度，并將網絡監控、人臉識別等先進技術應用于考試，杜絕替考和舞弊發生。

③2 臺潤滑油泵；

④變頻器防塵電子間及冷卻系統。

3.2 拆除設備

①2 臺工作油冷油器；

②2 臺液力耦合器的泵輪/渦輪。

3.3 保留設備

①給水泵；

②給水泵電動機；

③液力耦合器的增速齒輪副、箱體和輔助油泵；

④給水前置泵；

3.4 改造的主要難點與技術說明

本項目選用的是廣州智光電氣有限公司研制生產的ZINVERT 系列智能給水泵專用高壓變頻器。功率單元采用串聯設計，增強了器件耐壓水平。功率單元移相疊加SPWM 高品質波形輸出，杜絕了諧波發熱和轉矩脈動等缺陷，用于普通異步電動機無需加裝濾波器。主控制器采用最新電機控制專用雙數字信號處理器（DSP）、超大規模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA），濾波電容軟充電提升了長期運行的可靠性，先進的IGBT 功率器件，SPWM 逆變控制令電機無dv/dt 傷害，保護功能設置完全符合IEC61800 標準。在給水泵變頻改造上應用的是6 單元高壓變頻器（電壓6 kV），而不是通常的5 單元變頻器，有足夠的安全裕度和維護便利性。

改造后的高壓變頻器應保證調節速度與液力耦合器相近或相同。通過現場測試，給水泵液力耦合器勺管開度0%～100%用時約為33 s，所以高壓變頻器從0 Hz～50 Hz 的增速時間也不應超過33 s。智光電氣為電廠電動鍋爐給水泵專業設計研制的高壓變頻器全程加速時間是30 s，完全滿足鍋爐給水自動調節特性。改造后，給水泵變頻控制與液力耦合器控制并存，DCS 要全面考慮單泵、雙泵、變頻/工頻并列、RB 工況和電氣自動聯鎖等控制策略，保證其在各種試驗及實際運行工況下均可滿足要求。

結合山西臨汾熱電現場設備管路布局情況，本次改造具體技術措施如下：

（1）將前置泵與給水泵電動機主軸脫開，前置泵聯軸器側朝前置泵入口管道方向旋轉90°，改造前置泵原有基礎，滿足前置泵旋轉后安裝要求，新增一臺與前置泵軸功率相匹配的電動機（380 V）拖動前置泵，同時前置泵進、出口管道及其冷卻水、油管道做出對應更改，重新布置的管道要以不影響其他設備檢修正常起吊為前提，改造后的前置泵運行工況和性能與原設計一致。

（2）原有的液力耦合器改成直聯增速齒輪箱，取消液力耦合器泵輪和渦輪，將小齒輪泵輪軸與渦輪軸用鼓形齒聯軸器柔性聯接。改造后保持潤滑油系統原有的壓力、流量不變，同時新增外置潤滑油泵，一用一備，自動聯鎖。

（3）高壓變頻調速系統使用了移相隔離變壓器及大功率高頻開關元件，發熱量較大，為了使變頻器能長期穩定和可靠地運行，變頻器需要安裝空水冷裝置進行冷卻。

4 節能效果

在改造過程中還要考慮變頻器系統新增的前置泵電機、空冷系統、潤滑油泵電機產生的功耗。取實際運行功耗，將其除去之后，經實際耗電量的測量對比試驗得出表1。

表1 #2 機組給水泵變頻改造前后節電統計

由表1 可以得出：

（1）按照年度機組平均負荷75%，運行7 200 h計算，年度節能量1 270.8 萬kWh；

（2）按照平均供電煤耗332 g/kWh 計算，山西臨汾熱電有限公司#2 機組每年可節約標煤4 219.05 t；

（3）按照上網電價0.361 7 元/kWh 計算，每年可產生經濟效益459.648 萬元；

（4）本次改造采用合同能源模式，改造過程中發生的費用由廣州智光電氣有限公司提供，雙方根據節能產生的經濟效益按比列進行分享，預計3 年收回成本。

5 結論

臨汾熱電#2 機組#1、#2 泵變頻改造后均實現一次啟動成功，泵組設備運行穩定，調節靈敏，達到設計預期。本次變頻改造的成功實施，積累了許多寶貴的第一手經驗，同時為進一步實現節能減排提供了參考，創造了條件。

[1]牛鴻.關于交流電動機變頻調速的一些探討[J].變頻器世界，2010（8）：32-36.