深度調(diào)峰機(jī)組電動(dòng)給水泵的變頻改造節(jié)能分析

趙雪杉，潘效軍

(南京工程學(xué)院 研究生院，江蘇 南京 211167)

東北電網(wǎng)總裝機(jī)1.360×108kW，其中火電占比67%，裝機(jī)容量最大，風(fēng)電2.720×107kW，水電0.809×107kW，核電0.430×107kW，光伏0.529×107kW。為了滿足新能源發(fā)電需要，節(jié)省煤耗，需要對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，使其負(fù)荷率低至30%～40%。其中，給水泵廠用電率較高，其單臺(tái)能達(dá)到機(jī)組基本出力的60%。若采用工頻調(diào)節(jié)，電動(dòng)給水泵低負(fù)荷運(yùn)行節(jié)流損失大，泵消耗功率大，所占廠用電率就要高。因此，需要對(duì)現(xiàn)有給水泵進(jìn)行改造以提高其在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

針對(duì)給水泵的改造技術(shù)，學(xué)者們做了大量的研究，宋亮等[3]通過理論分析水廠電泵在變頻調(diào)節(jié)方式下的特性，與工頻相比較，得出采用變頻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流量，節(jié)流損失減小、功耗低、使泵效率高、節(jié)能明顯的結(jié)論；喬加飛等[4]研究不同調(diào)速方案下機(jī)組的性能差異，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于液力耦合器方案，采用變頻的變工況性能具有明顯優(yōu)勢(shì)；郭輝等[5]將變頻調(diào)速應(yīng)用在330 MW電泵中，但僅對(duì)改造前后節(jié)電率與電流的變化情況進(jìn)行了分析；王文彪等[6]通過將不同容量機(jī)組的變頻泵耗電量、改造前后節(jié)電率進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了采用變頻拖動(dòng)深度調(diào)峰機(jī)組的必要性。

本文以某電廠600 MW亞臨界直接空冷機(jī)組電動(dòng)給水泵組為例，運(yùn)用變頻拖動(dòng)技術(shù)，研究改造前后不同流量/負(fù)荷(100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%額定負(fù)荷)與電效率、電機(jī)有功功率之間的關(guān)系，從不同角度分析單雙泵節(jié)電節(jié)能的異同及變頻后帶來的經(jīng)濟(jì)效益，驗(yàn)證采用變頻拖動(dòng)在深調(diào)峰機(jī)組節(jié)能方面的先進(jìn)性和可靠性，為同類型機(jī)組的改造提供一定的參考依據(jù)。

1 給水泵變頻原理

在給水系統(tǒng)中，給水泵組的基本結(jié)構(gòu)包括前置泵、電動(dòng)機(jī)、液力耦合器和給水泵。為不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，從除氧器或凝結(jié)水泵引來的水，需經(jīng)前置泵增壓，再利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵升壓，經(jīng)多級(jí)高壓加熱器加熱后進(jìn)入鍋爐省煤器及蒸發(fā)和過熱受熱面加熱成過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電[7]，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 給水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of water-supply system

給水泵變頻控制方式為交-直-交單元模塊多電平串聯(lián)正弦脈寬調(diào)制(SPWM)調(diào)制，每一相由8個(gè)720 V的功率單元串聯(lián)組成。整流方式為三相二極管不可控多重化整流，采用24脈移相變壓器，如圖2所示；逆變方式為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。實(shí)測(cè)鍋爐功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[8]為P∝kn3，通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率。

圖2 24脈移相變壓器Fig.2 24-pulse phase shift transformer

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

該公司1號(hào)汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷、凝汽式汽機(jī)，型號(hào)為NZK600-16.7/538/538，設(shè)有七級(jí)回?zé)岢槠?三高三低一除氧)；給水泵型號(hào)為CHTC6/5；電機(jī)為YKS1000-4型號(hào)的鼠籠式異步電機(jī)，額定功率11 000 kW，電壓10 000 V，電流710 A，轉(zhuǎn)速1 491 r/min。

2.2 改造方案

結(jié)合工程實(shí)際的施工工期、運(yùn)行維護(hù)、安全性等因素[5]，選擇僅增加變頻裝置，保留原有液力耦合器的方案，此時(shí)電動(dòng)機(jī)同軸變頻驅(qū)動(dòng)前置泵和給水泵，達(dá)到最佳效果[6]，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由于A、B、C三臺(tái)給水泵參數(shù)相同并考慮經(jīng)濟(jì)性，采用一拖二拖動(dòng)方式，正常情況下，A、B電機(jī)變頻運(yùn)行，C電機(jī)工頻備用。當(dāng)A/B故障跳閘時(shí)，切換線路使負(fù)載接C運(yùn)行，提高了電廠運(yùn)行的安全性，再根據(jù)變頻指令算出C泵的勺管位置，使兩臺(tái)泵轉(zhuǎn)速大致相等[9]，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖3 給水泵組增加變頻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of adding frequency conversion to water-supply pump group

2.3 節(jié)能計(jì)算

按照中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型鍋爐給水泵性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行計(jì)算。

泵組揚(yáng)程為：

(1)

其中,H為揚(yáng)程，P2為給水泵出口壓力，P1為前置泵入口壓力，ρm為進(jìn)出口平均密度，Z2、Z1分別為出、入口測(cè)量截面至基準(zhǔn)面的距離，U2、U1分別為給水泵組出、入口流速。

泵組機(jī)械效率為：

(2)

其中：η為機(jī)械效率；νm為比體積(m3/kg)；h2、h1分別為泵組出、進(jìn)水比焓(J/kg)，通過壓力和溫度確定，入口溫度采用除氧器溫度；ΔEm為能量修正項(xiàng)，ΔEm=ΔEm1+ΔEm2，ΔEm1為平衡裝置和軸封裝置的泄漏流量損失，ΔEm2為單位質(zhì)量泵體散熱損失；Ex為單位質(zhì)量流體機(jī)械損失，這里都忽略。

泵組有效功率為：

(3)

其中,Pe為給水泵組有效功率，Qm為給水泵組入口主給水流量。

電機(jī)有功功率為：

(4)

其中,Pa為電機(jī)有功功率，U為線電壓，I為線電流，cosφ為功率因數(shù)角。

泵組電效率為：

(5)

其中ηe為泵組電效率。

3 改造效果分析

3.1 試驗(yàn)條件及結(jié)果

選擇試驗(yàn)時(shí)間段為低負(fù)荷時(shí)A單泵運(yùn)行，高負(fù)荷時(shí)AB雙泵運(yùn)行。因此，A泵做了100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%負(fù)荷整體試驗(yàn)，而B泵只做100%、92%、83%負(fù)荷下的試驗(yàn)。關(guān)閉給水泵的再循環(huán)門，中間抽頭不投運(yùn)，穩(wěn)定運(yùn)行30 min后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并取平均值，結(jié)果如表1～4所示。

表1 給水泵組性能試驗(yàn)參數(shù)(AB雙泵運(yùn)行)Table 1 Performance test parameters of water feed pump set(AB double pump operation)

表1(續(xù))

表2 給水泵組性能試驗(yàn)主要計(jì)算結(jié)果(AB雙泵運(yùn)行)Table 2 Main calculation results of the performance test of the water feed pump group(AB double pump operation)

表3 給水泵組性能試驗(yàn)參數(shù)(A單泵運(yùn)行)Table 3 Performance test parameters of water feed pump set(A single pump operation)

表4 給水泵組性能試驗(yàn)主要計(jì)算結(jié)果(A單泵運(yùn)行)Table 4 Main calculation results of the performance test of the water feed pump group(A single pump operation)

3.2 結(jié)果分析

負(fù)荷運(yùn)行工況由給水流量來反映，變頻改造前后，單臺(tái)給水泵組最大運(yùn)行負(fù)荷由450 MW變?yōu)?20 MW，與其相對(duì)應(yīng)的最大流量由1 475 t/h變成1 479 t/h，表明給水泵組變頻后流量能達(dá)到額定流量。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，改造后頻率基本在76～90 Hz，轉(zhuǎn)速基本在1 100～1 350 r/min變化，處于額定轉(zhuǎn)速的70%～90%，而變頻調(diào)速在此工作范圍，恰好處于最優(yōu)的高效運(yùn)行區(qū)[11]，表明變頻調(diào)速適用于該機(jī)組且改造后運(yùn)行高效。由于單、雙泵運(yùn)行所帶的負(fù)荷流量并不相同且運(yùn)行存在差異，故不能將A單泵運(yùn)行與AB雙泵運(yùn)行一起討論；變頻后單、雙泵運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷發(fā)生了改變，即420～450 MW區(qū)域，改造前為A單泵運(yùn)行，而改造后卻變成AB雙泵運(yùn)行，此負(fù)荷段不能將單、雙泵進(jìn)行比較，故不做為研究范圍。

圖4為變頻前后A單泵和AB雙泵的給水泵組流量與效率之間的曲線圖，由圖可知，改造前，A泵組單泵和B泵組的電效率都隨著入口水流量的增加而增加，A泵組的電效率最小為63%，在1 475 t/h時(shí)達(dá)到最大為73%，B泵組最小為69%，在1 148 t/h時(shí)最大為80%，原因是單純的液耦調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，流量低時(shí)轉(zhuǎn)速低，導(dǎo)致效率低；改造后，A、B泵組的電效率分別在85%～95%和90%～95%。除圖中數(shù)據(jù)外，變頻前，入口水流量的增加使雙泵運(yùn)行時(shí)的A泵組電效率增加，最小為69%，在1 128 t/h時(shí)達(dá)到最大為80%；變頻后，電效率在90%～95%。由上述可得，流量越低，變頻后提升的效率越多，最多為30%；變頻運(yùn)行使整體電效率都大幅提升，改造效果明顯。

圖4 改造前后給水泵組流量與效率之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between the flow rate and efficiency of the water feed pump set before and after the transformation

圖5為變頻前后A單泵組和AB雙泵組中的B泵流量與電機(jī)功率之間的曲線圖，由圖可知，入口水流量的增加使A、B泵組電機(jī)有功功率隨之增加，改造后，有功功率平均下降約1 900、1 700 kW，有功功率差值在各自的流量最低時(shí)最大，分別約為2 200、2 000 kW，此時(shí)A、B泵都是最節(jié)電的。除圖中數(shù)據(jù)外，改造前后，雙泵運(yùn)行時(shí)的A泵組電機(jī)有功功率也隨著入口水流量的增加而增加，最大差值也在流量最低處，約為2 000 kW。表明無論單泵運(yùn)行還是雙泵運(yùn)行，流量越低，節(jié)電效果越好，節(jié)電量最多達(dá)33%。

圖5 改造前后給水泵組流量與電機(jī)有功功率之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between the flow rate of the water feed pump group and the active power of the motor before and after the transformation

3.3 節(jié)能效果分析

根據(jù)公式

(6)

其中,L為廠用電降低率，Wd為總廠節(jié)電量，Wf為總發(fā)電量。

表5為不同負(fù)荷下機(jī)組的節(jié)電節(jié)能情況，每種工況運(yùn)行300 d，由表可知，不同負(fù)荷下機(jī)組節(jié)電率可達(dá)21%～33%，年節(jié)電量約1.3×104～3.2×104MW·h，年節(jié)煤量約3.8×103～9.4×103t，廠用電降低率達(dá)0.45%～0.87%。

表5 不同工況運(yùn)行下機(jī)組的節(jié)電節(jié)能情況Table 5 Power- and energy-saving of the unit under different operating conditions

若該公司機(jī)組深度調(diào)峰按50%負(fù)荷率計(jì)算，每年運(yùn)行300 d，每天運(yùn)行6 h，單臺(tái)機(jī)組一年可節(jié)約廠用電約3 792 MW·h。2020年內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙東稅前上網(wǎng)電價(jià)按0.303 5 元/(kW·h)計(jì)算，一年節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本近115 萬元，約2～3年即可收回成本；機(jī)組供電煤耗按299.84 g/(kW·h)計(jì)算，一年節(jié)約標(biāo)煤約1 137 t，節(jié)能減排效果十分顯著。

4 結(jié)論

本文以600 MW給水泵電機(jī)作為研究對(duì)象，研究變頻前后，不同負(fù)荷(100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%額定負(fù)荷)的流量與電效率、電機(jī)有功功率之間的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：

(1)雙泵滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)，對(duì)于單臺(tái)泵是50%深調(diào)峰，因此，無論單泵運(yùn)行還是雙泵運(yùn)行，變頻后負(fù)荷越低，電效率提升的越多(最多為30%)，電機(jī)有功功率減少的越多(最多達(dá)33%)。變頻后的電效率、電機(jī)有功功率平均下降值分別能達(dá)到85%、1 700 kW以上。

(2)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，變頻后的轉(zhuǎn)速、頻率均處于高效運(yùn)行區(qū)，表明僅增加變頻器的方案適用于600 MW給水泵電機(jī)且具有一定的先進(jìn)性和可靠性。深度調(diào)峰運(yùn)行下，給水泵組變頻改造后廠用電率能降低0.45%以上，節(jié)電率達(dá)21%～33%，年節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本近115 萬元，2～3年后即可盈利，年節(jié)約標(biāo)煤約1 137 t，節(jié)能減排效果十分顯著。