300 MW 发电机组电动给水泵变频技术改造

2015-01-12郜培刚

同煤科技 2015年3期

郜培刚

0 引言

电动给水泵是电厂生产中主要的耗电设备，存在很大的节能潜力。临汾热电公司双机转入正式生产以来，厂用电率一直在10%以上，其中给水泵占厂用电的25%，直接影响到全厂的供电煤耗、发电成本等指标。目前，变频器凭借优良的节能属性已经应用于电力生产业的多种设备，因此就有了通过对电动给水泵进行变频改造降低厂用电率的需求。

1 机组概况

山西临汾热电厂装机容量为2×300 MW 供热机组，每台机组配置3 台50%容量电动给水泵，采用液力耦合器调节给水泵转速控制给水流量。本次改造首先在临汾热电#2 机组进行了实践，将机组中#1、#2 两台运行泵改为了变频调速，#3 泵作为备用泵保留了液力耦合器调速方式。正常运行方式下由#1、#2 泵运行，#3 泵热备用，运行泵事故情况下，#3 泵经热控逻辑控制执行“抢水”运行。

2 给水泵液耦调速损耗与节能分析

2.1 损耗分析

液力耦合调速电动给水泵是发电厂生产过程的主要辅机之一，因液力耦合器相对于定速泵＋调节阀的控制方式有无级调速的优点，一段时期内广泛应用于200 MW 和300 MW 等级的机组中，但因其调速转换效率随着转速降低而下降，综合效率相对较低。另外，液力耦合器属于转差损耗型调速装置，在调速的过程中，转差功率以热能的形式损耗在油中，额外增加了能耗。

分析液力耦合器无级调速的工作原理就会发现：液力耦合器的转速控制属于间接滑差调节，耦合器通过驱动端的泵轮带动工作油，工作油获得动量后传递给涡轮。由于耦合器的泵轮和涡轮之间有工作间隙，动力连接靠的是工作油，所以是软连接，泵轮的转速是固定的，涡轮的转速是变化的，快慢取决于涡轮壳内工作油位的高低，因此耦合器调速过程泵轮和涡轮有滑差存在，输出端转速由高到低，滑差由小到大。滑差本质上是一种摩擦的表现形式，摩擦就会生热，这个热量不会去做功，是纯粹的损耗。

液耦工作油冷油器冷却水带走的热量也能够估算出液力耦合器损失的功率。从理论上讲，液力耦合器设计参数中也表明存在固定损耗。液力耦合器工作油的滑差热损耗与液耦输入/输出转速比（Kn）有对应关系，液力偶合器的Kn 在67%时，耦合器的热损耗是最高的，Kn 趋于0.97 时热损耗最低。

综上可知：电厂给水泵采用液力耦合器无级调速系统是有损耗的，损耗主要来自两个方面：

①液力耦合器的滑差热损耗；

②电动机的工作效率损耗。

变频调速型液力耦合器综合效率比液力耦合器调速效率高出很多，变频调速有着更高的节能潜力。用变频调速替换液力耦合器调速，可以有效解决液力耦合器低转速比时效率低能耗高的问题，能够实现节能降耗的目标。

2.2 节能原理

2.2.1 理论公式

离心泵的流量Q 与转速N 的一次方成正比，压力H 与转速N 的平方成正比，功率P 与转速N 的立方成正比。理论上说，一台离心泵电机当转速下降到原转速的80%时省电48.8%，当转速下降到原转速的50%时省电87.5%[1]。

2.2.2 设计规则

从发电厂设计原则来看，锅炉最大连续蒸发量（BMCR）通常比经济连续蒸发量（ECR）高5%～10%，机组重要辅机（给水泵、凝结水泵、送风机、引风机、一次风机等）容量比BMCR 还要高5%～10%。机组在额定负荷下运行，辅机一般都存在10%～20%的系统必备裕量。尤其锅炉给水泵，为了满足锅炉打水压时的需要，给水泵容量必须具备不低于110%锅炉水压的能力，因此其节能潜力巨大。

3 改造方案

3.1 增配设备

①2 台给水泵专用高压变频器，容量6 900 kVA/6 kV；

②2 台前置泵电动机，容量132 kW/380 V；

高校作为高等学历继续教育的办学主体，必须守好本分，尽到责任，在国家法律法规的框架下认真履行办学和监管责任，规范招生、教学、考试、收费、毕业证书发放等重要环节，管好校外支持服务站点，不能以任何形式转移（下放或外包）办学权、招生权、教学权、管理权。高校特别要规范学历继续教育招生行为，规避市场恶性竞争，严禁委托个人或中介机构代理招生，杜绝虚假宣传和违规承诺。对冒用学校名义开展的各类招生行为，学校要通过法律程序予以追究责任。要进一步加强考试管理，严肃考试纪律，落实好监考、巡考制度，并将网络监控、人脸识别等先进技术应用于考试，杜绝替考和舞弊发生。

③2 台润滑油泵；

④变频器防尘电子间及冷却系统。

3.2 拆除设备

①2 台工作油冷油器；

②2 台液力耦合器的泵轮/涡轮。

3.3 保留设备

①给水泵；

②给水泵电动机；

③液力耦合器的增速齿轮副、箱体和辅助油泵；

④给水前置泵；

3.4 改造的主要难点与技术说明

本项目选用的是广州智光电气有限公司研制生产的ZINVERT 系列智能给水泵专用高压变频器。功率单元采用串联设计，增强了器件耐压水平。功率单元移相叠加SPWM 高品质波形输出，杜绝了谐波发热和转矩脉动等缺陷，用于普通异步电动机无需加装滤波器。主控制器采用最新电机控制专用双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA），滤波电容软充电提升了长期运行的可靠性，先进的IGBT 功率器件，SPWM 逆变控制令电机无dv/dt 伤害，保护功能设置完全符合IEC61800 标准。在给水泵变频改造上应用的是6 单元高压变频器（电压6 kV），而不是通常的5 单元变频器，有足够的安全裕度和维护便利性。

改造后的高压变频器应保证调节速度与液力耦合器相近或相同。通过现场测试，给水泵液力耦合器勺管开度0%～100%用时约为33 s，所以高压变频器从0 Hz～50 Hz 的增速时间也不应超过33 s。智光电气为电厂电动锅炉给水泵专业设计研制的高压变频器全程加速时间是30 s，完全满足锅炉给水自动调节特性。改造后，给水泵变频控制与液力耦合器控制并存，DCS 要全面考虑单泵、双泵、变频/工频并列、RB 工况和电气自动联锁等控制策略，保证其在各种试验及实际运行工况下均可满足要求。

结合山西临汾热电现场设备管路布局情况，本次改造具体技术措施如下：

（1）将前置泵与给水泵电动机主轴脱开，前置泵联轴器侧朝前置泵入口管道方向旋转90°，改造前置泵原有基础，满足前置泵旋转后安装要求，新增一台与前置泵轴功率相匹配的电动机（380 V）拖动前置泵，同时前置泵进、出口管道及其冷却水、油管道做出对应更改，重新布置的管道要以不影响其他设备检修正常起吊为前提，改造后的前置泵运行工况和性能与原设计一致。

（2）原有的液力耦合器改成直联增速齿轮箱，取消液力耦合器泵轮和涡轮，将小齿轮泵轮轴与涡轮轴用鼓形齿联轴器柔性联接。改造后保持润滑油系统原有的压力、流量不变，同时新增外置润滑油泵，一用一备，自动联锁。

（3）高压变频调速系统使用了移相隔离变压器及大功率高频开关元件，发热量较大，为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，变频器需要安装空水冷装置进行冷却。