電動給水泵行星齒輪改造節能分析

( 中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

0 引言

《2018年能源工作指導意見》明確指出“加強能源系統整體優化，提升能源系統協調性和整體效率。燃煤電廠平均供電煤耗同比減少1克左右”。

空冷機組給水系統設置液偶調速電動給水泵，電動給水泵具有響應速度快、運行穩定、可靠性高、不受外部環境變化影響等特點[1]，但是電動給水泵是電廠運行中主要的耗電設備，其廠用電占比約為25%，對全廠的供電煤耗影響很大，尤其是長期在低負荷工況運行，采用液力偶合器調速能耗損失更大，轉換效率低，經濟性比較差。因此，為落實國家節能減排政策，提高企業的經濟效益，有必要對電動給水泵進行改造。

1 工程概況

國華某電廠二期2×660 MW空冷燃煤機組，給水系統設置3臺35%容量的液偶調速電動給水泵。電動給水主泵與前置泵不考慮交叉運行，機組正常工況下3臺電動給水泵同時運行，能夠保證機組滿負荷，還可以滿足空冷機組因氣候變化引起的負荷波動。設備利用率高、可靠性強，調節靈活，有利于機組調峰。當單臺電動給水泵故障時，另外2臺電動給水泵可滿足機組70%左右額定負荷運行。液力偶合器采用日本某制造廠產品，額定工況設計效率為94%。

2 實際運行存在問題

電動給水泵容量按照鍋爐最大連續蒸發量 (boiler maximum continue rate，BMCR)工況對應的給水量進行設計，按照規范要求，需要額外考慮10%的余量。液力偶合器是按照給水泵的流量配套選型，當機組在額定工況下運行時，給水泵液力偶合器已經偏離額定工況10%，機組負荷率越低，液力偶合器的效率衰減越嚴重，液力偶合器效率越低，能耗越大，工作油溫度越高，運行中經常出現勺管卡澀、油質顆粒度超標、軸承供油管振動大、漏油、聯軸器螺栓斷裂等異常情況。從電廠提供的性能試驗報告可以看出，3號機組實際的供電煤耗 314.68 g/(kW·h)，4號機組供電煤耗314.67 g/(kW·h)，距離國華集團要求的310 g/(kW·h)還有一定的差距，其主要原因是機組在低負荷運行的時間較長，液力偶合器調速電動給水泵的效率較低，能耗較大。

3 改造方案

目前，國內660 MW級機組給水泵調速方案主要有四種，即給水泵汽輪機驅動調速、傳統液力偶合器調速、高效調速行星齒輪調速及電動機變頻器調速。

空冷機組采用汽動給水泵的方案需要經過較為全面的技術論證方可實施，目前國內新建空冷機組配備汽動給水泵的方案較少，空冷機組改造給水泵汽輪機驅動調速的項目則更少[2]。如機組采用空冷方式，給水泵汽輪機受環境溫度影響比較大，不利于給水系統的運行調節；如采用濕冷方式，違背了電廠采用空冷機組降低水耗的理念。因此，針對空冷機組給水系統電動給水泵采用液偶調速方案存在的實際問題，本文給出行星齒輪和變頻調速改造的方案并進行技術經濟比較。

3.1 行星齒輪方案

調速行星齒輪由一個可調節液力變扭器、一個旋轉行星齒輪，一套平行軸增速齒輪組成，通過液力變扭器實現動力傳遞和力的矢量疊加，達到轉速調節目的和獲得較高的效率，其調節范圍為65%～100%。

采用調速行星齒輪可以大幅提高給水泵在不同工況下的運行效率，且效率穩定。圖1為國華某電廠改造前后液力偶合器與調速行星齒輪效率對比圖，從圖1中可以看出，機組低負荷運行時，調速行星齒輪都具有很高的效率，尤其在50%負荷以上，設備都可以處于高效運行區域，效率均在90%以上。

調速行星齒輪除效率高以外，壽命也較長，一般大于30年，而且在冷、熱、粉塵等苛刻條件下均能安全運行，對環境的適應性較強，技術比較成熟，故障率較低。

3.2 變頻調速方案

針對原有電動給水泵液偶調速方式，現有三種可實現的變頻改造方案，方案一是將液力偶合器整體替換為增速齒輪箱，實現調速功能，此方案需要拆除原液力偶合器裝置，重新按照功率和轉速選標配增速齒輪箱和相應的油站，此方案只能實現變頻一拖一方式，無法實現工變頻切換，可靠性較差。方案二是保留液力偶合器的基礎和外形，掏空內腔，重新選配增速齒輪箱，該方案運行方式同方案一，但不需要更換設備基礎，此方案屬于非標準設計制造，同樣存在只能實現變頻一拖一的缺陷。方案三是將液力偶合器改造為工變頻切換型的液力偶合器，保持液力偶合器的連接方式和狀態結構不變，只將偶合器勺管拉滿，變頻時，勺管固定在100%的位置，把偶合器當作齒輪箱使用。這種方式對原有改造最小，可靠性較高，缺點是節能效果降低，尤其是在高負荷區間，沒有明顯的節能效果。

綜上，對于3×35%容量配置方式，方案一和方案二，電機均不能工頻運行，一旦變頻故障，將造成該泵停運，直接影響生產；從運行可靠性考慮，方案三比較適合本電廠的變頻改造。

變頻調速方案中變頻器壽命只有10年左右，大部分的電器元件在5年以后出現不同程度的老化問題，在整個電廠運行期內需要更換2～3次，故障率相對較高。此外，變頻器對環境條件要求較高，需要設置獨立的變頻間，保障恒溫、恒濕、少塵等條件。

3.3 改造方案對比

根據電廠提供的運行數據，年利用小時數按照5 000 h考慮進行負荷率分配計算，部分負荷兩臺泵運行時，行星齒輪改造后的節能計算見表1，變頻調速方案見表2。

機組容量為455 MW時，只開兩臺電泵計算，一年所節約的總電量為1.253×107kW·h，按照上網電價為0.36元/kW·h計算，全廠年節約451萬元；機組容量為345 MW時，只開兩臺電泵計算，一年所節約的總電量為1.103×107kW·h，按照上網電價為0.36元/kW·h計算，全廠年節約397萬元。

表1 行星齒輪方案兩臺給水泵同時運行節能計算

表2 變頻調速方案兩臺給水泵同時運行節能計算

機組容量為455 MW時，只開兩臺電泵計算，一年所節約的總電量為5.451×106kW·h，按照上網電價為0.36元/kW·h計算，全廠年節約196萬元；機組容量為345 MW時，只開兩臺電泵計算，一年所節約的總電量為1.053×107kW·h，按照上網電價為0.36元/kW·h計算，全廠年節約379萬元。

4 結論

調速行星齒輪與變頻改造方案相比，效率高、維護條件好、故障率低、使用壽命長、節能效果好、對現有空間布置影響最小。

年利用小時數按5 000 h計算時，機組容量為455 MW時，只開兩臺電泵計算，行星齒輪方案多收益255萬元；機組容量為345 MW時，只開兩臺電泵計算，行星齒輪方案多收益18萬元，經濟性較好。由此可見，機組低負荷運行時，采用行星齒輪改造方案要優于液偶調速方案。