電動給水泵液力耦合器調速改變頻調速節能解析

山西漳澤電力股份有限公司 趙紅斌

某電廠2×660MW 超臨界直接空冷機組設計每臺機組配備3臺35%容量的電動給水泵，由液力耦合器調速。該系統設計不僅檢修無備用水泵且廠用電率高，綜合廠用電率為8.91%，給水泵耗電率3.74%，占總廠用電消耗的42%。

1 研究或革新內容及創新點

電動給水泵流量需要在不同負荷變化的情況下頻繁調整，首先要求變頻器與增速齒輪箱調節特性匹配，使變頻器、電機、負載在最佳狀態下運行，確保在滿足系統需求的前提下，大幅度提高系統效率，最大限度的降低能耗；同時要求大容量高壓變頻器性能穩定，采用帶有中心點漂移技術的功率單元模塊，當某一模塊故障時，電動給水泵只降低輸出功率，不會造成電動給水泵停運，保證機組安全運行。

水泵/電機/變頻器三者的效率最佳區間，讓變頻器始終在這最佳的效率區間運行從而使變頻器發揮最大的效率點，并使得技改達到最佳的節電效果。無論這三者在哪個頻率做工，軟件始終會命令在頻率的最佳區間內工作。圖1中三條曲線的陰影部分為最佳工況。

圖1 變頻器、水泵、電機三者關系曲線

圖2 給水泵效率與機組負荷系數關系曲線

創新點分析：現給水泵組為主泵+齒輪箱+電機以及變頻器，其中變頻調速和液力耦合器調速的系統差異技術差異如下。

變頻調速是利用變頻裝置作為變頻電源，通過改變異步電動機定子的供電電源頻率，使同步轉速變化，從而改變異步電動機轉速、實現調速的目的。其速度控制范圍寬可在1～100%之間進行調節，調節精度可達到±0.5%（100%速度時），整機效率97%，功率因數0.95以上，具有工業網絡及通訊接口，便于實現閉環自動控制，且保護功能完善。使用壽命長，故障率低，維護量小。節電率高，與液力耦合器比較節電率可達20%以上。沒有液力偶合器高轉速丟轉現象。軟啟動軟停止，可延長電機使用壽命。

液力耦合器是以鼠籠型電動機為原動機，以油做工質，由原動機驅動增速齒輪，由增速齒輪驅動泵輪（主動輪）將機械功率傳遞給工質油帶動渦輪（從動輪）旋轉，從動輪與水泵相連接，通過勺管控制給水泵轉數。其轉差功率損耗大，變為熱量通過油水冷卻系統散發。安裝在電動機和給水泵之間，需要堅固的基礎。壓力油系統、勺管調節系統維護量大。電動機定速運行，啟動時沖擊電流較大影響電機使用壽命。高速情況下，由于轉差率影響丟轉3%左右。耦合器效率一般較低，額定轉速下94%，變速條件下隨轉速降低而降低、變化大。

表1 改造前后調速效率

2 應用情況、經濟社會效益

2.1 原給水泵配置情況分析

改造前給水泵運行情況及分析：分別采集1號機組100%、75%、50%負荷穩定運行工況的數據（數據全部取自現場DCS、10kV 開關綜保），對給水泵組進行效率分析，基于3臺泵組運行數據非常接近，取平均值計算，主泵效率計算采用了熱力學方法，只與泵出、入口給水的溫度、壓力有關。通過給水泵、偶合器等機械負載軸功率計算得到的電功率與通過電氣拖動輸入測量得到的電功率數值偏差很小，表明現場測點準確，計算得當準確，數據見表2。給水泵與其他輔機比較，耗電率與機組負荷變化趨勢相同，負荷越高耗電率也越高。從表中分析發現，耗電率高的主要問題在于主泵效率和偶合器效率均偏低。

表2 1號機組給水泵(液偶)工況計算匯總表

存在問題：運行數據表明給水泵設計揚程過高，導致給水泵偏離高效區工作，直接降低給水泵運行效率，而且給水泵低轉速運行時偶合器的轉差率增大，也降低了偶合器的運行效率。機組在中高負荷時需運行3臺給水泵，導致給水泵運行余量較大，也會導致泵組效率的降低。

2.2 改造方案及改造后運行情況

改造方案及配置。變頻改造首先在2號機組實施，將2A、2C 給水泵從35%BMCR 容量變為50%TRL，拆除偶合器，增加增速齒輪箱，前置泵另設電機直接驅動。由于是已投運機組的改造，因而可以根據實際運行數據準確選擇設備參數，如給水泵揚程、流量等；改造后運行情況及分析。與1號機組相同，分別采集2號機組在100%、75%、50%負荷穩定工況數據進行分析，取2A、2C 兩臺泵組數據平均值統一計算，通過對泵組各相關設備的功率、效率計算，計算結果也比較吻合。

2.3 改造前后經濟性對比分析

2.3.1 設備能耗對比分析

通過對比1、2號機組給水泵組設計揚程，可以得出1號機組給水泵存在352m 富余揚程，相應富余轉速340rpm。通過對偶合器空載軸功率及偶合器設計參數分析，得出偶合器未能達到設計效率，存在約400kW 的額外損失。

給水泵組效率對比：1號機組前置泵效率(%)79.0、71.0、68.0、74.2，2號機組前置泵效率(%)81.0、74.0、60.0、71.9，前置泵效率差值(%)2.0、3.0、-8.0、-2.3，1號機組主泵效率(%)78.8、77.5、77.7、78.2，2號機組主泵效率(%)83.3、79.9、70.3、78.8，主泵效率差值(%)4.6、2.4、-7.4、0.7，主泵效率差值比例(%)5.5、3.0、-10.6、0.9。

調速系統效率對比：1號機組偶合器效率(%)81.7、66.0、55.5、70.6，2號機組齒輪箱變頻器效率(%)97.3、97.3、97.3、97.3，調速系統效率差(%)15.7、31.3、41.8、26.8，調速系統效率提高比例(%)16.1、32.2、43.0、27.5。

偶合器效率分析：偶合器輸入轉速(rpm)6814、6814、6814，主泵轉速(rpm)5971、4979、4297，主泵速比(%)87.6、73.1、63.1，偶合器理想輸入轉速(rpm)6464、6464、6464，偶合器理想速比(%)92.4、77.0、66.5，富余揚程引起的偶合器效率損失(%)4.6、3.8、3.3、4.1，額外機械損失(kW)396、396、396，偶合器輸入功率(kW)8532.2、5991.7、4847.3，額外機械損失降低的效率(%)4.6、6.6、8.2、6.2，偶合器特性損失的效率(%)7.522.432.518.6，偶合器效率2(%)83.2、67.1、56.0，較偶合器效率1偏差(%)1.6、1.2、0.5。

表3 給水泵組設備分項耗電率對比

表4 偶合器較變頻器齒輪箱系統能耗差分析

根據表3中的分析，2號機組較1號機組給水泵耗電率低1.17%，其中調速系統占1.03%，是主要因素，1號機組采取低負荷停運1臺泵，平均效率基本相當，其他大約還有0.1%的耗電率降低值。根據以上各表數據反映出給水泵改造后在較高負荷工況有明顯的效率提高。在低負荷工況、停運1臺35%給水泵情況下，由于運行泵出力增加、相對效率也提高，說明給水泵配置仍有優化空間，給水泵效率與負荷系數的關系見圖2。

2.3.2 泵組耗電率統計數據分析

根據生產日報數據分別繪制2臺機組給水泵耗電率與機組負荷系數關系曲線并擬合函數，如圖3所示，機組負荷系數主要集中在70%至90%之間，擬合函數在此區間較為準確，并可求出負荷系數在77.7%時耗電率降低幅度最大、達1.12%，負荷系數在70%、90%時耗電率降低幅度分別為1.06%、0.97%，其反映的是機組日常運行工況。根據計算，工況1、工況2、工況3耗電率降低幅度分別為0.96%、1.35%、1.13%。

圖3 1、2號機組給水泵耗電率與機組負荷系數關系曲線

總體性能指標：改造后總體耗電率下降1.17%，變頻器運行維護量遠小于液力偶合器。

2.4 存在的問題及推廣應用前景

增加了變頻器就增加電氣設備的故障率；機組在低負荷50%運行時，兩臺35%的給水泵效率要高于兩臺50%的給水泵，所以給水泵的配置還有優化的空間；大機組給水泵采用變頻方式從經濟性和可靠性都是可行的，變頻改造是行之有效的。