1. 大板電廠給水泵改造的背景和必要

1.1改造背景

大板電廠采用電動給水泵，沒有安裝汽動給水泵，因此在機組調(diào)峰和低負荷狀態(tài)下造成很大的電能浪費，不符合國家能源發(fā)展方向和環(huán)保要求。對電動給水泵進行節(jié)能改造勢在必行。隨著近幾年我國和全球經(jīng)濟、能源和環(huán)保形勢的發(fā)展，火力發(fā)電企業(yè)目前面臨的形勢也出現(xiàn)了一些新的變化。

（1）國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整深入推進，火電結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨新壓力。

（2）節(jié)能標準日益提高，對火電節(jié)能降耗工作提出更高要求。

（3）大功率電動機節(jié)能技術(shù)。

1.2改造的必要性

液力耦合調(diào)速電動給水泵,是發(fā)電廠生產(chǎn)過程的主要輔機之一。燃煤火力發(fā)電機組鍋爐全配置的液力耦合器調(diào)速電動給水泵,耗電量約占單元機組發(fā)電量的2.5％～4％左右（因純凝、供熱、空冷、壓力等因素而不同），是機組輔機中最大的耗電設(shè)備，尤其是空冷機組，廠用電率高達10％左右。

與傳統(tǒng)的安裝在管道上的調(diào)節(jié)閥相比，液力耦合器具有30％左右的節(jié)能效果。但耦合器調(diào)速過程泵輪和渦輪有滑差存在，輸出端轉(zhuǎn)速由高到低，滑差由小到大，滑差本質(zhì)上是一種摩擦的表現(xiàn)形式，摩擦就會生熱，這個熱量不會去做功的，是純粹的損耗。電動給水泵耗費的電功率除了正常所需外，液力耦合器滑差調(diào)節(jié)產(chǎn)生的熱耗損失了部分功率，直接影響到全廠的供電煤耗、發(fā)電成本等指標。

2.項目簡介

內(nèi)蒙古大板發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱：大板電廠）位于赤峰市巴林右旗大板鎮(zhèn)。一期工程安裝兩臺600MW亞臨界空冷燃煤汽輪發(fā)電機組。兩臺機組于2013年通過168小時試運行，同年9月投入商業(yè)運行。兩臺機組通過板巴1號線和板巴2號線并入500kV東北電網(wǎng)。每臺機組安裝有3臺滿足機組35%容量電動給水泵組。所有電動給水泵組均布置在汽機房零米，每臺機組的電動給水泵為縱向順列布置。電動給水泵電動機、液力耦合器及給水泵與前置泵連體布置。電動機同軸驅(qū)動給水泵和前置泵，由液力耦合器調(diào)速實現(xiàn)給水泵的流量調(diào)節(jié)。正常運行時三臺給水泵全部運行，無備用；機組負荷低于460MW時，兩臺給水泵運行，1臺備用。給水泵組技術(shù)規(guī)范如表1--表4所示：

表1給水泵技術(shù)參數(shù)（生產(chǎn)廠家：沈陽透平機械股份有限公司）

表2液力耦合器（生產(chǎn)廠家：德國福伊特公司）

表3給水泵電動機（生產(chǎn)廠家：湘潭電機廠）

表2.4 前置泵（生產(chǎn)廠家：沈陽透平機械股份有限公司）

3改造方案

目前對全配置液力耦合器調(diào)速電動給水泵進行節(jié)能改造的解決方案主要有：

（1）置換式——將原液力耦合器置換成增速齒輪箱，用變頻器調(diào)節(jié)給水泵電動機輸出轉(zhuǎn)速。

（2）直驅(qū)式——將原液力耦合器泵輪和渦輪拆除，用聯(lián)軸器將輸入軸和輸出軸連接起來；用變頻器調(diào)節(jié)給水泵電動機輸出轉(zhuǎn)速。

（3）多功能液力耦合器——不改變液力耦合器，正常工作時，將液力耦合器的勺管調(diào)節(jié)到100%位置，再用變頻器調(diào)節(jié)給水泵電動機輸出轉(zhuǎn)速。

（4） 高速直驅(qū)傳動系統(tǒng)——將給水泵電動機更換成高速電動機，直接驅(qū)動給水泵高速運行；給前置泵增加一臺電動機，拖動前置泵定速運行。

3.1 給水泵變頻調(diào)速改造方案

在現(xiàn)有的35%容量電動給水泵組不做調(diào)整的前提下，每臺電動給水泵進行變頻改造。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)成熟，主要優(yōu)點有：

（1）速度控制范圍寬， 1％～100％；

（2）調(diào)節(jié)精度，±0.5％；

（3）整機效率97％，功率因數(shù)不低于0.95；

（4）軟啟／軟停，對廠用電系統(tǒng)沖擊小。

提高給水調(diào)節(jié)品質(zhì)被公認為是一種節(jié)能、高效的交流調(diào)速方式，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。用變頻器替代液力耦合器控制鍋爐給水泵也許是兼顧了投資和節(jié)電兩個方面最合適的改造方法。

變頻調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速與液偶間接調(diào)速不同，變頻器通過改變給水泵電動機的供電頻率直接調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速，始終讓電動機具有較高的工作效率，同時，電動機的功率消耗也與給水泵的轉(zhuǎn)速有了三次方的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如果再改變液力耦合器的工作方式或干脆采用機械方式傳遞動力到給水泵，液力耦合器的熱損耗也被消除了。

3.2液力耦合器改造方案

電廠原有給水泵配置，是主泵和前置泵由一臺電動機同軸驅(qū)動。主泵和電動機之間配置有增速液力耦合器（詳見圖一）。根據(jù)工況需要，調(diào)節(jié)液力耦合器勺管開度，來控制液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速的目的。

圖一

給水泵進行變頻改造的關(guān)鍵是如何改造液力耦合器。以滿足其輸入（電動機）軸變速運行時，輸出（主泵）軸能夠按增速齒輪箱功能變速輸出。其改造方案有:

方案一：置換式——將液力耦合器更換成增速齒輪箱（詳見圖二）；將前置泵軸調(diào)轉(zhuǎn)1800，增加前置泵電動機獨立驅(qū)動前置泵工作。

特點：改造成本價高；施工時間長。

圖二

方案二：直驅(qū)式——把液力耦合器改造成增速齒輪箱，拆除液力耦合器泵輪和渦輪及其相關(guān)部件，用聯(lián)軸器將輸入軸和輸出軸連接起來。再將前置泵調(diào)轉(zhuǎn)1800，增加前置泵電動機獨立驅(qū)動前置泵工作（詳見圖三）。

特點：需要液力耦合器返廠改造。周期長，費用高，且屬非標產(chǎn)品，運行穩(wěn)定性很難保證。

圖三

方案三：多功能液力耦合器——液力耦合器不做任何改造，只是在變頻器控制給水泵電動機時，將液力耦合器的勺管強制到100%位置；增加外部補油泵，使液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速較低的時候，補充潤滑油和工作油壓力（詳見圖四）。

特點：改造方便、改造成本低。液力耦合器的滑差未能改善，傳動效率低，節(jié)能效果不理想。

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圖四

此種改造方式，液力耦合器具有兩種功能,變頻運行時，由于液力耦合器勺管在100%的位置，液力耦合器轉(zhuǎn)速近似于1：1輸出（只受制于液體滑差和傳動效率）；變頻器故障時，恢復(fù)液力耦合器原有功能，還原給水泵由液力耦合器調(diào)速的功能，使給水泵組工頻運行。

方案四：高速電動機驅(qū)動——將原給水泵電動機更新為高速電動機。拆除液力耦合器；增加前置泵電動機獨立驅(qū)動前置泵工作（詳見圖五）。

特點：改造成本高。機組傳動效率高；施工簡單；前置泵不用調(diào)轉(zhuǎn)方向；機組穩(wěn)定性高；節(jié)能效果能達到最理想效果。

圖五

3.2.1液力耦合器改造方案比較

方案比較主要是三種液力耦合器改造方案年總收益的比較。假定機組進汽量相同，燃料量相同。

表3.11號機組給水泵三種液力耦合器改造方案投資綜合比較

注：由于齒輪箱的訂貨期等原因，大板電廠采用方案三，即將液力耦合器改造成多功能液力耦合器。使液力耦合器具有兩種功能，工頻運行時的調(diào)速功能和變頻運行時的增速齒輪箱輸出功能。

3.2.2方案選擇

綜合各種方案，大板電廠最終選擇了一拖一不帶旁路，將液力偶合器改造為增速齒輪箱，并將兩臺35%A、C水泵更換為50%水泵的方案。保留B給水泵，同時將前置泵增容，仍同軸驅(qū)動。

由于進口齒輪箱和給水泵、前置泵的訂貨周期長，一號機停機大修時間短，按期完成全部改造已無可能。因此，大板電廠通過專題會議研究決定，將一個合同分成“變頻改”造和“增容改造”兩個部分。2017年1號機大修期間，只施工給水泵“變頻改”造部分。

此次淺談只針對變頻改造。

3.3電控部分改造方案

（1）廠用電接線

?大板電廠以500kV一級電壓接入系統(tǒng)， 500kV出線2回，至赤峰500kV變電所。500kV廠內(nèi)配電裝置采用一臺半斷路器接線，一期建設(shè)2個完整串和1個半串（2臺斷路器）。發(fā)電機采用發(fā)電機-變壓器組單元接線方式，發(fā)電機出口不設(shè)置斷路器。

每臺機組設(shè)2臺三繞組高壓廠用工作變壓器，由發(fā)電機出口引接；每臺機組設(shè)置2段10kV高壓廠用工作母線段和2段6kV高壓廠用工作母線段。并設(shè)2段6kV公用母線段。兩臺機組設(shè)2臺三繞組高壓廠用起動/備用變壓器，其電源引接廠內(nèi)500kV配電裝置。

廠用電系統(tǒng)采用10kV、 6kV和0.38/0.22kV三級電壓。單元機組低壓廠用變壓器和容量大于等于2000kW的電動機負荷由10kV 供電；其余的低壓廠用變壓器和容量大于等于200kW的電動機負荷由6kV 供電；容量小于200kW的電動機、照明和檢修等低電壓負荷由0.38kV或0.38/0.22kV供電。

（2）電動給水泵設(shè)置及接線

大板電廠為直接空冷機組，每臺機組設(shè)有3臺6900kW的電動給水泵，額定負荷時3臺水泵運行，無備用，負荷低于460MW時2臺運行1臺備用。電動給水泵分別從本機組的兩臺高廠變的10kV分支引接。

（3）電動給水泵變頻改造接線

考慮到每臺機組3臺電動給水泵長期連續(xù)運行，因此本次改造僅將3臺工作給水泵增加變頻器拖動，每臺電動給水泵配置一臺變頻器，采用一拖一帶旁路的接線方案。改造后，電動給水泵接線位置不變，需要將原有10kV開關(guān)柜內(nèi)接線進行修改。

一次接線如圖六：

圖六

3.4冷卻水系統(tǒng)

由于變頻器系統(tǒng)內(nèi)部配備了板式換熱器與外部冷卻水進行熱交換，為避免堵塞，設(shè)備冷卻水擬在汽機房內(nèi)開式冷卻水過濾器后引接，1號機組新建一根D273×6鋼制供水管道，送至新建于A排前空冷平臺下方的變頻器設(shè)備間，出水采用D273×6鋼管直埋接至現(xiàn)有輔機冷卻水系統(tǒng)回水管或循環(huán)水吸水前池。

3.5變頻器選擇

經(jīng)招標程序，大板電廠選擇了北京合康新能科技股份有限公司獨家代理的意大利安薩爾多變頻器，變頻器額定參數(shù)如下：

變頻器特點：

1、變頻器提供了對電機的所有保護功能，具有反應(yīng)對稱和各種不對稱故障以及電壓異常等的保護功能。

2、電動機變頻調(diào)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f，使同步轉(zhuǎn)速n1變化，從而改變異步電動機轉(zhuǎn)速n，實現(xiàn)調(diào)速的目的。其特點是：

（1）速度控制范圍寬可在1%-100%之間進行調(diào)節(jié)。

（2）調(diào)節(jié)精度可達到±0.2%（100%速度時）。

（3）整機效率97%，功率因數(shù)0.95以上。

（4）具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及通訊接口，便于實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。且保護功能完善。

（5）使用壽命長，故障率低，維護量小。

（6）節(jié)電率高，與液力耦合器比較節(jié)電率可達20%以上。

（7）沒有液力耦合器高轉(zhuǎn)速丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（8）軟啟動軟停止，可延長電機使用壽命。

4. 運行節(jié)能分析

大板電廠2017年10月18日16時，1號機組并網(wǎng)運行，給水泵帶變頻運行；2號機組給水泵工頻運行。因增速齒輪箱設(shè)備沒有到貨，本次一號機組給水泵僅變頻運行，液力偶合器置效率最大位置，等效為增速齒輪箱。下面對兩個月來一號機組和二號機組運行節(jié)電率進行簡要的對比分析（其中一號機組A、C給水泵變頻運行，其他運行條件近似）。

4.1 不同負荷率下節(jié)電率對比

4.2  10、11月份同時段兩臺機組給水泵耗電量對比

??4.4給水泵變頻運行與2號機給水泵工頻運行節(jié)能參數(shù)對比表??

本數(shù)據(jù)表收集的負荷率在50%-75%之間，基本符合機組正常運行的區(qū)間。若提高機組利用小時數(shù)則收回成本的時間會降低。平均差值：2407kW/每小時，每臺機組年平均利用小時4130H（依據(jù)2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)），電價：0.3元/kWH，年平均收益：298,2273元。

5.總結(jié)

通過此次增加給水泵變頻調(diào)速節(jié)統(tǒng)，提高了大板電廠600MW機組給水泵調(diào)節(jié)品質(zhì)。在忽略其它因素的影響，只考慮給水泵變頻運行和工頻運行工況，可以看出自10月18日1號機組并網(wǎng)運行后，相對2號機組給水泵工頻運行的廠用電率是逐漸降低的。1號機組給水泵改變頻運行同2號機組給水泵工頻運行相比，廠用電率降低0.4%以上，且隨著機組負荷率的降低，給水泵變頻運行的節(jié)能效率越高。大板電廠給水泵改變頻運行，取得了明顯節(jié)能效果。也說明合康公司提供的變頻器性能優(yōu)良，改造方案切實可行。