基于高壓變頻調速技術的電動給水泵節能改造

□ 鄧云天

上海電氣環保電站工程有限公司 上海 201100

1 節能改造背景

在火力發電廠中,給水泵是重要的輔機設備,其作用是產生足夠的壓力,將凝結水泵直接輸送來的或除氧器儲水箱內的具有一定溫度的水送入鍋爐汽包,作為鍋爐的補給水。根據電力生產的特點和鍋爐運行的特殊要求,鍋爐給水泵必須連續不間斷工作,這不僅關系到正常發電,而且關系到鍋爐設備的安全。由此可見,鍋爐給水泵是發電廠中最為重要的水泵,是火電機組的心臟,必須保證給水泵系統安全可靠運行[1]。另一方面,給水泵也是機組輔機中耗電量最大的設備,其耗電占全廠用電的20%～30%,直接影響到廠用電指標和全廠經濟效益。

為提高電廠的整體經濟效益,主要發電企業針對電動給水泵提出了各種改造方案,目標是提高電動給水泵的運行效率[2-5],降低廠用電率。筆者基于高壓變頻調速技術,對火電廠電動給水泵進行節能改造,對三種方案進行對比,并通過工程實踐驗證節能改造方案的可行性,為后續火電廠電動給水泵的技術改造提供有益參考。

2 傳統電動給水泵調速方案

傳統電動給水泵調速方案中,利用液力耦合器對鍋爐給水泵系統進行調速,以滿足工藝要求,如圖1所示。液力耦合器相比定速泵+調節閥的控制方式，具有無級調速的優點,自20世紀80年代開始在火力發電廠領域得到廣泛應用。

液力耦合器是以液體為工作介質,將原動機的轉矩傳遞至工作機的一種液力傳動裝置。在電動機轉軸轉速不變的情況下,通過改變給水泵的轉速,可以改變原動機的輸出功率。由于液力耦合器屬于轉差損耗型調速裝置,在調速過程中,轉差功率以熱能的形式損耗在油中,額外增加能耗,因此液力耦合器調速轉換效率隨轉速減慢而降低,綜合效率相對較低。

▲圖1 傳統電動給水泵調速方案

液力耦合器效率曲線與變頻調速效率曲線對比如圖2所示。從圖2中可以清楚地看到,即使采用液力耦合器能夠利用轉速調節方式控制給水泵給水量,但是在變負荷工況下,尤其是在低負荷時,液力耦合器的效率很低。電動給水泵轉速在液力耦合器輸出轉速的60%工作時,液力耦合器的能量損耗達到42%左右[6]。電網特性及用電量的波動決定了發電機組絕不可能始終維持在90%發電機效率以上帶負荷運行[7]?？梢?對由液力耦合器調速的電動給水泵進行節能改造勢在必行。

▲圖2 液力耦合器效率曲線與變頻調速效率曲線對比

3 電動給水泵節能改造方案

近年來,隨著高壓變頻器技術的成熟和可靠性的提高,高壓變頻器效率不斷提高,并且在調速范圍內穩定,無轉差損耗,成為首選的電機調速技術方案。基于高壓變頻調速技術對電動給水泵等大功率旋轉機械進行節能改造,是電廠實現節能減排的一條非常有效的途徑?；诟邏鹤冾l調速技術,電動給水泵的節能改造主要有三種方案。

3.1 方案一

方案一為保留液力耦合器,勺管全開且變頻調速。對液力耦合器內部進行局部改造,拆除由液力耦合器輸入軸驅動的主油泵,在液力耦合器外部安裝一臺與之配套的由單獨電動機直接驅動的主油泵,與原主油泵出口管連接,取代原主油泵的功能,使液力耦合器勺管全開至100%,保證液力耦合器的泵輪與渦輪部分轉速一致,進而使液力耦合器的調速功能改變為定速輸出功能,通過變頻器進行調速。

方案一原理如圖3所示。

3.2 方案二

方案二為將液力耦合器改造為增速齒輪箱+變頻調速方式。將液力耦合器泵輪與渦輪拆除,剩下內部的增速齒輪,配套設計聯軸器。同時拆除潤滑油泵和工作油泵,配套潤滑油工作站。通過變頻器帶動改造后的齒輪箱進行調速。

▲圖3 方案一原理

方案二原理如圖4所示。

▲圖4 方案二原理

3.3 方案三

方案三為將液力耦合器更換為全新增速齒輪箱+變頻調速方式?？紤]到鍋爐給水泵系統的可靠性及高效率要求,拆除原有液力耦合器,新增與給水泵配套的增速齒輪箱,通過變頻器進行調速。相比方案一和方案二,方案三既可以實現較高效率,又可以提高系統的可靠性。

方案三原理如圖5所示。

▲圖5 方案三原理

3.4 技術性能比較

對三種方案進行技術性能比較,見表1。

表1 方案技術性能比較

(1) 工程改造難度。方案一將原液力耦合器的勺管保留,全開至100%,保證液力耦合器的泵輪與渦輪轉速一致。原液力耦合器結構不發生變化,改造工作量小。方案二需要將液力耦合器返廠,進行重新設計,改造周期長。方案三中新增齒輪箱需按照原液力耦合器連接安裝尺寸設計制造,為非標增速齒輪箱。專業齒輪箱廠家均有能力按照原尺寸設計制造相配套的齒輪箱,改造難度不大。

(2) 工程投資額。方案一保留液力耦合器,不需要對整個機組的油管油道進行拆除或進行大的變更,安裝費用較低,投資較少。方案三在拆除原液力耦合器后需增加增速齒輪箱,前期投資較高。方案二需要將液力耦合器改造為增速齒輪箱,整體費用與方案三相差不多。由于方案三改造后系統運行效率高,投資回收快,因此是比較理想的方案。

(3) 節能效果。方案一中液力耦合器勺管全部打開,意味著整個液力耦合器潤滑系統的潤滑油都處于工作狀態，一部分能量損失于液力耦合器泵輪與渦輪之間的滑差,主要能量損失于保證潤滑油系統正常工作的冷油器,使節能效果大打折扣。方案三全新設計了增速齒輪箱,效率可保證在98.8%以上,能夠實現最大限度的節能。

(4) 系統可靠性。方案一中的液力耦合器最初并非是按照長時間100%全開運行狀態設計的,如果長時間將液力耦合器的勺管全部打開,那么在滿負荷下運行時,泵輪與渦輪的使用壽命會得不到保證,還會存在引起機械性能降低和材料失效的風險。方案二將液力耦合器部分換為齒形聯軸器,相當于對原液力耦合器的高速端,即連接給水泵的軸進行了加長,動平衡要求難以滿足。方案三采用全新設計的增速齒輪箱,軸系與瓦系經過重新計算,動平衡重新測試,噪聲、振動等性能均按照正常的國家標準來校核,所有基本參數都能滿足現場正常穩定運行的要求,在安全運行方面有最大限度的保障。

4 前置泵改進方案

由于電動給水泵入口水溫較高,使給水近似飽和水。為保證電動給水泵不發生汽蝕,一般都會設置低速前置泵。給水先通過前置泵升壓后再進入主給水泵,這樣可以使主給水泵入口的壓力大于給水溫度所對應的汽化壓力與給水泵必需汽蝕余量之和,并留有一定的壓力余量,進而避免主給水泵發生汽蝕。在給水泵電動機變頻調速改造后,前置泵如何運行是需要解決的問題。當前對于前置泵系統的改造，主要有兩種技術方案。

4.1 前置泵定速運行

將前置泵與主給水泵電動機分開,進行獨立控制,即給前置泵配備獨立的電動機驅動定速運行。這一方案需要配備一臺高壓電動機、一面高壓開關柜及相應的電力電纜與控制電纜,并進行管道移位改造,同時有可能將前置泵調整為更大一檔的泵,因此成本較高,且現場條件通常不允許,一般難以實現。

4.2 前置泵直接變速運行

前置泵不進行任何改造,隨主給水泵調速運行。這一方案工作量較小,但必須保證改造后在機組任何運行工況下給水泵都不會發生汽蝕。改造前要根據設備和機組運行參數,進行詳細的技術核算,只有在確保給水泵在任何運行工況下都不會發生汽蝕的情況下,才能夠使前置泵直接隨主給水泵調速運行。通過對大量機組前置泵進行技術分析后,確定無論機組是正常帶負荷運行還是突然甩負荷運行,都不會使給水泵發生汽蝕。

5 工程實踐

5.1 工程概況

根據以上分析可知,電動給水泵節能改造有多種方案,如何按實際情況確定經濟可行的改造方案是關鍵。山西某火力發電廠2×660 MW超臨界直接空冷凝汽式汽輪發電機組原設計為每臺發電機組配備三臺35%容量的電動給水泵,由液力耦合器調速。節能改造前電動給水泵配置外觀如圖6所示。

▲圖6 節能改造前電動給水泵配置外觀

5.2 改造方案

針對該火力發電廠電動給水泵實際條件,節能改造方案分為主泵系統和前置泵系統兩部分。

(1) 主泵系統改造方案。發電機組原來配備的三臺35%容量電動給水泵中,兩臺電動給水泵(A泵、C泵)改為50%容量。將原來的液力耦合器改造為進口齒輪箱配合調速,給水泵驅動電動機改由新增高壓矢量控制變頻器調速驅動。原來配備的35%容量B泵保持不變,作為備用。經過改造,可降低給水泵系統廠用電率25%～30%。日常生產中，主要使用A泵和C泵,B泵作為備用使用。

(2) 前置泵系統改造方案。由于改變了電動給水泵的容量,因此雖然驅動電動機功率由11 000 kW提高至12 500 kW,但是仍然無法滿足軸系的驅動功率要求。為了保證系統可靠運行,在前置泵改造時采用獨立定速運行的新前置泵系統,以避免給水泵系統汽蝕現象的發生。

5.3 改造效果

這一項目進行節能改造后已經運行2 a,取得非常好的節能效果,平均節電率達到33.01%,具體效果見表2。

表2 節能改造效果

進行節能改造后,不同負荷下年平均節電率為33.01%,而節能改造前,三臺給水泵年耗電量為16 211.2萬kWh。對經濟效益進行計算，電力折標系數取3.3 tce/(萬kWh),則改造后正常情況下,兩臺50%電動給水泵運行,年節約標準煤當量可達17 659 tce,年節電量為5 351.32萬kWh。按照上網電價0.37元/(kWh)計算,每年可產生經濟效益1 980萬元。此項目電動給水泵節能改造共投資6 300萬元,預計3.2 a可收回投資成本。節能改造后電動給水泵外觀如圖7所示。

6 結束語

火電廠電動給水泵不僅是火力發電機最為重要的輔機核心設備,而且是主要的耗能設備。如何在保證安全、穩定、可靠運行的前提下,對電動給水泵進行節能改造,是當前火力發電領域重要的技術課題之一。筆者基于高壓變頻調速技術,對電動給水泵進行節能改造,對比了節能改造方案,并通過工程實踐驗證了節能改造方案的可行性。

▲圖7 節能改造后電動給水泵外觀