清水川電廠鍋爐給水泵變頻改造方案研究

劉聯飛

摘 要：陜西清水川電廠鍋爐給水泵年總耗電量8117.35萬千瓦時，占發電能耗2.6%，占廠用電31%。所以為減少廠用電、降低能耗、實現節能減排，鍋爐給水泵變頻改造項目意義重大。通過對鍋爐給水泵組節能方案的研究，結合清水川電廠的實際情況，研究出適合我廠鍋爐給水泵變頻改造方案，實現提高我廠鍋爐給水泵整體效率的目的。

關鍵詞：鍋爐給水泵；液力偶合器；變頻

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0159-01

1 研究背景

陜西清水川能源股份有限公司一期（2×300MW）項目，單臺機組配置三臺50%額定容量電動給水泵，鍋爐給水泵由工頻電機驅動，通過液力偶合器實現增速，而液力偶合器主要通過勺管的開度來控制工作油量的多少來實現調速功能，從而帶動給水泵向鍋爐上水。液力偶合器的主要損失為滑差損失，其和勺管開度的平方成反比，勺管開度越大，液力偶合器的滑差損失越小，傳遞效率越高。清水川電廠在機組100%負荷時，液力偶合器勺管開度始終不超過70%，所以現液力偶合器始終處于低效率區域運行，造成鍋爐給水泵組效率低下。

2 設備概況

陜西清水川電廠一期汽輪機型號為N300-16.7/538/538型亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機組。汽輪機額定進氣量為938.146t/h，主蒸汽壓力/溫度16.7 MPa/538℃；再熱器壓力/溫度3.3MPa/538℃。

單臺機組配置三臺50%額定容量電動給水泵，采用液力偶合器調節給水泵轉速控制給水流量。給水泵運行方式為兩用一備（A泵由6kV A段供電、B泵由6kV B段供電、C泵由6kV A、B段供電）。

3 研究內容

3.1 大功率變頻器的選型

給水泵變頻改造的變頻器品牌主要有廣州智光，西門子，東方日立，利德華福，東芝三菱。每臺機組改二備一，原電機不變，增加高壓變頻器來控制電機轉速。高壓變頻器功率單元采用串聯設計。功率單元移相疊加SPWM波形輸出，用于普通異步電動機無需加裝濾波器。變頻器主要包括雙數字信號處理器（DSP）、大規模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）、濾波電容、SPWM逆變控制等設備。

改造后的高壓變頻器能夠保證調節速度，滿足鍋爐給水響應速度。液力偶合器勺管開度0～100%用時通常是33秒，所以高壓變頻器從0～50Hz的增速時間也不應超過33秒。

如保留工頻運行方式，則變頻器需要增加旁路開關。

3.2 偶合器改造方式研究

偶合器改造主要有以下兩種形式。

第一種形式：保留偶合器，在變頻運行時偶合器勺管始終處于100%位置，通過電機變頻器進行調速，滿足鍋爐給水。保留工頻偶合器調速運行方式，只對偶合器進行簡易改造，增加潤滑油穩壓系統，保證電機變頻時潤滑油系統壓力。變頻器故障時工頻運行時，通過偶合器進行調節給水泵轉速，滿足運行工況。這種方案的優點是基礎變動量小，工頻變頻自由切換，安全生產無風險。

第二種方案：將偶合器改為齒輪箱或將偶合器的泵輪和渦輪改造成對輪連接形式。相對偶合器不改的方案，改齒輪箱的優點是泵組效率高1%～2%，缺點是基礎變動大，無法工頻運行，對變頻器可靠性要求高。具體改造圖如圖1。

3.3 鍋爐給水泵前置泵驅動方式研究

電動給水泵轉速控制由液偶控制改為電動機變頻控制，改前給水泵電機定速運轉，相應前置泵為定速運行。改后給水泵電動機的轉速隨變頻器供電頻率改變而調節，如果前置泵的方式不作改變，改后就成了變速泵，泵的出口壓力與轉速的平方成正比，轉速的變化導致出口壓力不再恒定，前置泵流量和入口壓力相對穩定才能保證給水泵安全運行。前置泵的改造與否決定于，變頻改造后前置泵是否能夠滿足給水泵的流量和必須汽蝕余量。

可行方案有以下兩種：第一種：我廠給水泵和前置泵由上海電力修造廠提供，上電修對變頻后變頻改造前置泵、主泵氣蝕余量初步核算，我廠前置泵可也滿足變頻需要，不用進行改造。第二種：廣州智光結合他們的改造給水泵的經驗提出前置泵需進行改造。保證泵的原有運行方式，即就是前置泵定速運行以滿足主泵運行工況。改造如圖3所示；前置泵進行改造需要將泵驅動端進行移向，泵軸、推力瓦等進行改造，增添前置泵電機，增加基礎，整體費用50-60萬左右。

3.4 潤滑油系統研究

改造前電泵組供油系統壓力油由偶合器提供，正常運行時由主油泵，啟動和停止工況時由備用油泵提供，變頻改造后油系統隨著偶合器的改造而改造，具體形式如下；

偶合器改為齒輪箱，主油泵、輔助油泵被拆除，則需要增加整套油系統，油泵改造后應保持潤滑油系統原有的壓力、流量不變，給水泵、給水泵電機、前置泵和增速齒輪才能安全可靠的工作。

偶合器不進行改造，但是主油泵轉速將電機轉速變化，保留備用油泵，需要增加一穩壓油泵，保證給水泵、給水泵電機、前置泵、偶合器等設備的正常供油。

3.5 鍋爐給水泵變頻器的散熱方案

在鍋爐給水泵系統節能改造方案中，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，其發熱量較大，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。如果液力偶合器要改造為增速箱，工作油冷油器沒有保留的必要。根據改造公司經驗，結合我廠電泵組液力偶合器工作油冷卻系統冷卻水量，初步認為變頻器室空水冷系統可以將液力偶合器工作油冷卻水作為水源。如保留液偶，則需要重新增設冷卻水源。

3.6 改造后泵故障切換控制策略

電泵變頻改造熱控部分，涉及對增加電泵變頻控制后的邏輯組態修改。熱控電纜敷設和接線工作完成后，將對遠方控制設備進行模擬啟動等靜態試驗。機組啟動后，還要進行電泵變頻并入給水系統的給水擾動試驗和給水自動優化，使變頻改造后給水自動能穩定運行，并投入電泵自動聯鎖功能。

4 結語

結合一期鍋爐給水泵的運行情況，建議方案為A、B泵改變頻，變頻器容量采用6900kVA/6kV，C泵工頻備用，偶合器改為對輪聯接，增加一套潤滑油穩壓裝置，前置泵改為獨立驅動。

改造后電泵綜合節電估計在20%以上，2015年我廠發電量30.4億千瓦時，廠用電8.54%。電泵總耗電量8117.35萬千瓦時，占發電能耗2.6%，占廠用電31%，改造后總節電1623.47萬千瓦時，廠用電降低到8.1%左右。每度電按0.3元計算，每年節約費用487萬元，兩臺機改造費用2350萬，4.8年能收回成本。