熱電廠汽輪機組給水泵改造研究

吳麗華 陳清

摘 要：華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠#5汽輪機組給水泵投產于20世紀80年代，運行以來，給水泵耗電量和用電率都偏大。因此，該熱電廠提出節能改造方案，通過增加給水泵電動機高壓變頻器，保留給水泵液力耦合器并將其改造成工變頻切換型多功能液力耦合器。研究結果表明，這樣可以降低發電成本和廠用電率，有效實現節能降耗，提高熱電廠經濟效益。

關鍵詞：熱電廠;給水泵;高壓變頻器;液力耦合器

中圖分類號：TM621文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0071-03

Research on Reformation of Feedwater Pump of Steam Turbine Unit in Thermal Power Plant

WU Lihua CHEN Qing

（Guodian Nanjing Automation Co.， Ltd.，Nanjing Jiangsu 210032）

Abstract： The #5 steam turbine unit feedwater pump of Fulaerji Thermal Power Plant of Huadian Energy Co.， Ltd. was put into production in the 1980s， since operation， the power consumption and power consumption rate of the feedwater pump were relatively high. Therefore， the thermal power plant proposed an energy-saving transformation plan， namely retaining the feedwater pump hydraulic coupler and transforming it into an industrial frequency conversion switching multifunctional hydraulic coupler by adding a high-voltage inverter for the feedwater pump motor. The research results show that this can reduce power generation costs and plant power consumption rates， effectively achieve energy saving and consumption reduction， and improve the economic benefits of thermal power plants.

Keywords： thermal power plant;feedwater pump;high-voltage inverter;hydraulic coupler

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，隨著全球人類活動的加劇，能源將成為今后相當長時期內制約經濟發展的突出瓶頸[1]。因此，節能減排、降低能耗、提高能源利用率就顯得尤其重要。電廠作為國內的能源消耗大戶，通過改造，人們能降低其耗電量、優化其調速方式，那么推廣類似的改造就很有必要。現結合富拉爾基電廠實際情況，通過對汽輪機組給水泵進行改造，對其改造經濟性進行分析。

1 機組概況

華電能源股份有限公司富拉爾基熱電廠#5汽輪機組投產于20世紀80年代中期。設置了兩臺100%容量的電動給水泵，型號為50CHTA，進水流量為699 t/h，揚程為1 760 m，進水壓力為1.5 MPa，出水壓力為15 MPa。一臺運行，一臺備用。電動機額定電壓為6 kV，電動機（5 500 kW、596 A、1 492 r/min）通過調速型液力耦合器驅動給水泵。前置泵型號為YNKH400/300，進水溫度為160 ℃，進水壓力為0.7 MPa，流量為834 t/h，揚程為110 m。據統計，機組給水泵耗電量占發電量的2.05%，占發電廠用電率的近20.5%，嚴重影響發電成本，影響能源消耗。因此，對電動給水泵的調速方式進行優化和改造是十分必要的。

2 節能改造方案

液力偶合調速電動給水泵是發電廠生產過程的主要輔機之一，因液力耦合器相對于定速泵+調節閥的控制方式有著無級調速的優點，我國在20世紀80年代開始從國外引進該技術并逐步實現其國產化，一段時期內，其廣泛應用于200 MW和300 MW等級的機組中，但因其調速轉換效率隨著轉速降低而下降，綜合效率相對較低[2]。另外，液力耦合器屬于轉差損耗型調速裝置，在調速的過程中，轉差功率以熱能的形式損耗在油中，額外增加了能耗[3]。改造前給水泵機組系統如圖1所示。針對富拉爾基熱電廠的實際情況，采用“給水泵變頻、耦合器聯合調速”方案。該方案技術特點為增加給水泵電動機高壓變頻器，保留給水泵液力耦合器，給水泵正常工作時液力耦合器勺管固定置位在100%，給水泵應用高壓變頻器調速。因給水泵電機采用變頻調速，轉速可能最低至1 000 r/min，為確保工作油壓和潤滑油壓，人們需要外置或增減外置補償油泵。改造后示意圖如圖2所示。液力耦合器改造方案是，液力耦合器不動，將液力耦合器改造成工變頻切換型多功能液力耦合器方案。所謂工變頻切換型多功能液力耦合器，就是保留液力耦合器不動，應用泵論調速法對液力耦合器內部結構和系統進行改造，使同一臺液力耦合器具有兩種運行方式（工頻定速輸入時，作為調速型液力耦合器;變頻調速輸入時，作為增速齒輪箱），而且兩種運行方式可以切換運行。實現這一改造后，液力耦合器具有兩種功能，一是工頻運行時的液力耦合器的調速功能，二是變頻調速運行時的增速齒輪箱的輸出功能。兩種功能可以互相切換。

具體改造方法是，對液力耦合器內部結構和系統進行改造，解除由液力耦合器輸入軸通過齒輪驅動的潤滑油泵和工作油泵，在潤滑油系統和工作油系統安裝兩臺潤滑油泵，兩臺工作油泵，一用一備，潤滑油泵和工作油泵的安裝位置選在距離液力耦合器油箱較近處，使液力耦合器油箱油位對油泵產生倒灌揚程。

#5機機組配置2臺全容量給水泵，運行方式為一運一備，調速方式為液力耦合器調節。

#5機組2臺給水泵組排列布置于汽機廠房零米基準面（水平面），泵組南面-2 m布置疊式工作冷油器及潤滑冷油器。冷油器油管路、冷卻水管路布置均在-2～0 m。耦合器油箱正常油位與零米高度介于150～200 mm，不能滿足多功能油泵吸入高度揚程要求。多功能油泵需要安裝在汽機零米地面以下。液力耦合器油系統原供油方式結構為同軸驅動安裝一體的工作油泵和潤滑油泵，工作油系統和潤滑油系統分路供油互不關聯。輔助潤滑油泵配置流量約為350 L/min，潤滑油壓正常值為0.12～0.25 MPa，工作油泵流量約為250 L/min，工作油壓正常值為0.12～0.30 MPa。根據以上原有管路布置、油系統參數、液力耦合器的構造特點，將其改造成工變頻切換型液力耦合器，多功能油泵和油管路的安裝布置采取以下方案。

根據現場實際測量，為方便運行人員檢查和檢修人員維護，外置多功能油泵安裝在零米側面較為合適。為滿足多功能油泵吸入高度揚程，多功能油泵安裝位置挖2 800 mm×3 000 mm×-700 mm基礎坑，多功能工作油泵及多功能潤滑油泵入口管路與油箱連接處開孔尺寸為300 mm×-1 500 mm。油箱運行最低油位與多功能油泵布置高度為600～700 mm，以滿足油泵的允吸高度要求。原潤滑油泵流量約為350 L/min，出口壓力最高值為0.30 MPa，現潤滑油泵流量為350 L/min，出口壓力最高值為0.36 MPa，減去管道阻力損失，能夠滿足潤滑油壓正常值（0.12～0.25MPa）。原工作油泵流量約為200 L/min，出口壓力最高值為0.33 MPa，現多功能工作油泵選用2臺（一工一備），流量為250 L/min，出口壓力最高值為0.33 MPa，減去管道阻力損失，與工作油泵正常值0.12～0.25MPa的油壓相符。

此次改造安裝2臺多功能工作油泵（一工一備），安裝2臺多功能潤滑油泵（一工一備），隨機同步運行。重新配置外置多功能油泵管路。將液力耦合器油箱內油排盡，解體耦合器箱蓋，吊出液力耦合器。拆除液力耦合器輸入端與箱體內主油泵（工作油泵及潤滑油泵）傳動齒輪，拆除同軸驅動的工作油泵和潤滑油泵。油箱充入經檢驗合格的油品并進行油循環，試運時根據油泵出口壓力，調整工作油壓及潤滑油壓。油循環中檢查新配置的管路、油泵、法蘭連接處滲漏油點并消除。同時，對給水泵電機進行變頻改造，采用“一拖二”的運行方式，即一臺變頻器帶兩臺給水泵電機，任何時候變頻器只帶其中一臺給水泵變頻運行，另一臺工頻備用。

兩臺泵間的變頻切換如下：通過切換，兩臺泵都可以變頻運行，兩臺泵也都可以工頻運行;可以在給水泵停止狀態下切換，也可以在給水泵運行狀態下切換，這種方式既滿足給水泵的運行要求，也使得變頻器的使用效率得到提高。

3 改造后節能效果分析

根據現場工況調查可知，#5機組給水泵電機幾種常見負荷下的基本運行參數如表1所示。

3.1 變頻改造前給水泵工頻功率

變頻改造前，給水泵工頻功率計算公式為：

[P1=U×I×1.732×cosφ×η]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[P1]為單一負荷下工頻運行功率，kW;[U]為電機電壓，kV;[I]為電機電流，A;[cosφ]為單一負荷下運行功率因數，小于額定功率因數;[η]為電機效率，一般為0.95。

根據式（1）計算改造前的給水泵工頻功率，60%負荷下[P1]=3 076 kW，70%負荷下[P1]=3 284 kW，80%負荷下[P1]=3 528 kW。

3.2 變頻改造后給水泵工頻功率

變頻改造后，給水泵工頻功率計算公式為：

[P2=Q×H×ρ102×3 600/η2×η3×η1]? ? ? ? ? ?（2）

式中，[P2]為變頻改造后的給水泵工頻功率，kW;[Q]為單一負荷的運行流量，m3/h;[H]為單一負荷的壓力，m;[ρ]為流體密度;[η1]為液耦裝置效率，一般為0.97;[η2]為水泵效率，改造后取效率最高值，一般為0.76～0.86，此處取0.86;[η3]為變頻裝置效率，一般為0.90～0.97，此處取0.95。

根據式（2）計算改造后的給水泵工頻功率，60%負荷下[P2]=1 959 kW，70%負荷下[P2]=2 203 kW，80%負荷下[P2]=2 392 kW。

3.3 單臺機組給水泵電機變頻改造后的節電率

單臺機組給水泵電機變頻改造后，60%負荷下節電率為：

[η=P1-P2P1=3 076-1 959/3 076=36.3%]? ? ? （3）

單臺機組給水泵電機變頻改造后，70%負荷下節電率為：

[η=P1-P2P1=3 284-2 203/3 284=32.9%]? ? ? （4）

單臺機組給水泵電機變頻改造后，80%負荷下節電率為：

[η=P1-P2P1=3 528-2 392/3 528=32.2%]? ? ? （5）

考慮變頻器自身損耗及其他環節不可避免的損耗約5%，變頻改造后，機組給水泵相對節電率如表2所示。

3.4 節電計算

機組年運行4 200 h，上網電價（不含稅）為0.277 19元/（kW·h），經計算，60%負荷年節約電費=0.277 19元/（kW·h）×4 200 h×25%×（3 076 kW-1 959 kW）=32.51萬元;70%負荷年節約電費=0.277 19元/（kW·h）×4 200 h×37.5%×（3 284 kW-2 203 kW）=47.2萬元;80%負荷年節約電費=0.277 19元/（kW·h）×4 200 h×37.5%×（3 528 kW-2 392 kW）=49.6萬元。

根據上述計算結果，單臺給水泵變頻改造后，預計年節約電費129.31萬元。

由于機組負荷和運行時間每年都不是固定的，實際節能節電效果略有差異，但對比改造前，對給水泵進行改造的效果還是很明顯的。

4 結語

通過對富拉爾基熱電廠給水泵進行技術改造可以看到，采用“給水泵變頻、耦合器聯合調速”方案，能有效減少廠用電，降低煤耗，提高機組經濟性。改造工程可以跟廠內機組大修同時進行，減少停機時間，兩者相結合，既響應了國家節能減排的要求，又促進了熱電廠的可持續發展。

參考文獻：

[1]張振華.高壓變頻器在燃機電廠給水泵改造中的應用[J].能源與節能，2016（3）：19-20.

[2]曹銳杰.300 MW機組電動給水泵變頻改造應用[J].山西電力，2015（2）：62-65.

[3]韓靖.電動給水泵變頻改造與節能分析[J].節能環保與生態建設，2015（4）：4-5.