節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵調(diào)速器選型模型研究

孫豪杰

節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵調(diào)速器選型模型研究

孫豪杰

孫豪杰1王曉晶2

1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院

孫豪杰（1982-）男，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電廠運(yùn)行分析與優(yōu)化；王曉晶（1982-）女，博士，講師，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)運(yùn)行分析與控制、智能配電網(wǎng)評(píng)估技術(shù)。

在火力發(fā)電廠節(jié)能減排的需求下，有必要建立給水泵調(diào)速器的選型模型。從火電廠面臨的能源環(huán)境壓力出發(fā)，分析了對(duì)給水泵調(diào)速器進(jìn)行選型應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排及運(yùn)行管理方式等因素?；谌芷诠芾斫⒐?jié)能減排下給水泵調(diào)速器的選型模型。以300MW機(jī)組電動(dòng)給水泵液力偶合器調(diào)速和高壓變頻器調(diào)速為例進(jìn)行分析，為電動(dòng)給水泵調(diào)速器的選型提供理論參考依據(jù)，驗(yàn)證了所建模型的有效性。

概述

隨著能源短缺和環(huán)境惡化，火力發(fā)電廠面臨節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，降低廠用電率是火力發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。給水泵是火電廠輔機(jī)運(yùn)行中耗電量較大的設(shè)備，通過(guò)對(duì)給水泵的運(yùn)行需求進(jìn)行分析和研究，建立給水泵調(diào)速器的選型模型，能夠有效降低給水泵的耗電量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有重要的研究意義和實(shí)際意義。

目前常用的給水泵調(diào)速器選型模型是經(jīng)濟(jì)性模型，主要考慮以下因素：廠煤價(jià)、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)和機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)、機(jī)組負(fù)荷性質(zhì)，電廠發(fā)電成本，電廠建設(shè)每千瓦投資額、泵組價(jià)格、泵組運(yùn)行效率和耗電量、泵組安裝、維護(hù)、檢修等費(fèi)用。經(jīng)濟(jì)性模型較全面地考慮了成本方面的因素，但在節(jié)能減排需求下還應(yīng)考慮運(yùn)行周期、能耗和排放等因素。

本文對(duì)節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵調(diào)速器的選型模型進(jìn)行研究，分析了給水泵調(diào)速器選型問(wèn)題可分為經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排及運(yùn)行管理幾個(gè)方面，并采用全生命周期的方法建立選型模型，最后以300MW機(jī)組為例，計(jì)算并驗(yàn)證本文建立的給水泵調(diào)速器選型模型的正確性。

節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵調(diào)速器選型問(wèn)題分析

對(duì)節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵的調(diào)速器進(jìn)行選型，需要考慮多種因素。首先要考慮經(jīng)濟(jì)因素。調(diào)速器在使用年限內(nèi)的成本可分為初投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本兩部分。初投資成本主要包括設(shè)備采購(gòu)、土地占用、建筑、安裝等成本；運(yùn)行費(fèi)用包括耗電量和運(yùn)行小時(shí)數(shù)；維護(hù)成本包括設(shè)備檢修、維護(hù)成本。

其次要考慮節(jié)能減排因素。在保證對(duì)給水泵實(shí)現(xiàn)有效調(diào)速的前提下，降低泵組的耗電量、耗水量，減少土地占用、污染物排放及人員維護(hù)次數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的節(jié)能減排。

第三要考慮運(yùn)行管理方式。泵組是針對(duì)新建機(jī)組還是對(duì)舊機(jī)組進(jìn)行改造，是電廠主機(jī)組還是備用機(jī)組，備用機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)等運(yùn)行管理方式，將影響泵組以及調(diào)速器的運(yùn)行方式，最終決定其工作效率。

綜上所述，節(jié)能減排下對(duì)電動(dòng)給水泵調(diào)速器的運(yùn)行維護(hù)涉及經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排和運(yùn)行管理方式等多種因素，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型時(shí)應(yīng)將這些因素綜合起來(lái)，使得最終選定的給水泵調(diào)速器能夠兼顧多個(gè)方面。

給水泵調(diào)速器的全生命周期選型模型

設(shè)備的全生命周期管理是指從設(shè)備的選購(gòu)直到設(shè)備淘汰或報(bào)廢的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備實(shí)施必要、全面、合理的管理。設(shè)備的全生命周期管理可分為設(shè)備的前期管理、設(shè)備使用中的管理以及設(shè)備的后期管理。設(shè)備的前期管理指設(shè)備的規(guī)劃、購(gòu)置、安裝、試用以及驗(yàn)收等的管理；設(shè)備使用中的管理是指設(shè)備經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)并正式投入使用后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行的管理，主要是包括設(shè)備的維護(hù)、維修管理；設(shè)備的后期管理主要指設(shè)備的報(bào)廢及處置管理。

本文基于全生命周期管理的理論，建立給水泵調(diào)速器的選型模型。電動(dòng)給水泵的全生命周期總費(fèi)用可用如下公式表示：

式中：ZF -設(shè)備全生命周期總費(fèi)用；Z0-設(shè)備費(fèi)用；NF -年費(fèi)用；NFM-年維護(hù)費(fèi)用；NFC-年碳排放費(fèi)用；n -運(yùn)行總年數(shù)。

年費(fèi)用NF采用電力工業(yè)部1982年2月頒布的《電力工程經(jīng)濟(jì)分析暫行條例》中的“年費(fèi)用最小法”計(jì)算公式：

式中：r -投資回收率，通常取0.08；n -運(yùn)行總年數(shù)；Z -折算到投產(chǎn)年份的設(shè)備總價(jià)格；U-折算年運(yùn)行費(fèi)。

年維護(hù)費(fèi)用的計(jì)算公式：

年碳排放費(fèi)用NFC的計(jì)算公式：

式中：Qn-年碳排放量；FC-單位排放量所征收的碳排放稅。

算例分析

以常規(guī)火電廠單臺(tái)300MW純凝發(fā)電機(jī)組配3×50％容量電動(dòng)給水泵（正常工作時(shí)2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用）為例，對(duì)變頻和液力偶合器兩種調(diào)速器進(jìn)行比較。

（1）設(shè)備費(fèi)用

設(shè)備費(fèi)用包括：設(shè)備費(fèi)（前置泵和給水泵本體、配套設(shè)備和電機(jī)）、設(shè)備運(yùn)雜費(fèi)、設(shè)備安裝和施工管理費(fèi)等。

表1 設(shè)備總費(fèi)用

（2）泵組年費(fèi)用

泵組年耗電量按機(jī)組在額定工況下運(yùn)行，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)7000h計(jì)算，兩種調(diào)速器的年耗電量如表2。

表2 兩種調(diào)速器的泵組年耗電量

通過(guò)上表可以看出單臺(tái)300MW機(jī)組電動(dòng)給水泵組采用變頻調(diào)速方式比采用液力偶合器調(diào)速方式全年節(jié)省電量約15.134×106kWh。

高壓變頻器設(shè)備中電容的使用壽命為7～8年，薄膜電容和安規(guī)電容的使用壽命為15年，更換費(fèi)用為40萬(wàn)元。液力偶合器的易損件為傳動(dòng)軸承、密封件和油泵，其中密封件和軸承的壽命為3年，更換費(fèi)用為2萬(wàn)元。油泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件壽命為5年，更換費(fèi)用為0.3萬(wàn)元。將兩種調(diào)速器的泵組年費(fèi)用列于表3。

（3）泵組碳排放年費(fèi)用

兩種調(diào)速方式下給水泵組的碳排放年費(fèi)用如表4所示，碳排放稅按10元/t計(jì)算。

（4）電動(dòng)給水泵組全生命周期總費(fèi)用

單臺(tái)300MW機(jī)組電動(dòng)給水泵在30年全生命周期中，分別計(jì)算采用液力偶合器調(diào)速與變頻器調(diào)速的泵組運(yùn)行總費(fèi)用，并將其繪于圖1。

圖1 兩種調(diào)速方式的全生命周期費(fèi)用

由圖1可見(jiàn)，電動(dòng)給水泵組采用變頻器調(diào)速方式時(shí)前3年的費(fèi)用高于采用液力耦合器調(diào)速，在運(yùn)行到第3年與第4年之間時(shí)兩種調(diào)速方式的總費(fèi)用持平，從第4年以后變頻調(diào)速方式的總費(fèi)用低于液力偶合器調(diào)速，并且每年可節(jié)省耗電量15.134×106kwh，節(jié)省年費(fèi)用347萬(wàn)元，節(jié)省碳排放年費(fèi)用13.681萬(wàn)元，運(yùn)行到第30年時(shí)總共可節(jié)省費(fèi)用9429萬(wàn)元。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)節(jié)能減排下火力發(fā)電廠給水泵的調(diào)速器選型模型進(jìn)行研究，分析了調(diào)速器選型應(yīng)考慮的多種因素，并基于全生命周期理論建立了選型數(shù)學(xué)模型。通過(guò)300MW機(jī)組電動(dòng)給水泵組調(diào)速方式的算例，驗(yàn)證了本文建立的選型模型的正確性，并得到以下結(jié)論：

（1）新建火電廠時(shí)，電動(dòng)給水泵組采用變頻調(diào)速器能夠減少年費(fèi)用，并有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；

（2）老電廠或備用機(jī)組改造時(shí)，采用液力偶合器調(diào)速初投入低，短期運(yùn)行的年費(fèi)用少，投資回收期短。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.074