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(dòng)給水泵，沒有安裝汽動(dòng)給水泵，因此在機(jī)組調(diào)峰和低負(fù)荷狀態(tài)下造成很大的電能浪費(fèi)，不符合國家能源發(fā)展方向和環(huán)保要求。對電動(dòng)給水泵進(jìn)行節(jié)能改造勢在必行。隨著近幾年我國和全球經(jīng)濟(jì)、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(jìn)，火電結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨新壓力。

（2）節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)。

1.2改造的必要性

液力耦合調(diào)速電動(dòng)給水泵,是發(fā)電廠生產(chǎn)過程的主要輔機(jī)之一。燃煤火力發(fā)電機(jī)組鍋爐全配置的液力耦合器調(diào)速電動(dòng)給水泵,耗電量約占單元機(jī)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(jī)組輔機(jī)中最大的耗電設(shè)備，尤其是空冷機(jī)組，廠用電率高達(dá)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(huì)生熱，這個(gè)熱量不會(huì)去做功的，是純粹的損耗。電動(dòng)給水泵耗費(fèi)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(biāo)。

2.項(xiàng)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(tái)600MW亞臨界空冷燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組。兩臺(tái)機(jī)組于2013年通過168小時(shí)試運(yùn)行，同年9月投入商業(yè)運(yùn)行。兩臺(tái)機(jī)組通過板巴1號(hào)線和板巴2號(hào)線并入500kV東北電網(wǎng)。每臺(tái)機(jī)組安裝有3臺(tái)滿足機(jī)組35%容量電動(dòng)給水泵組。所有電動(dòng)給水泵組均布置在汽機(jī)房零米，每臺(tái)機(jī)組的電動(dòng)給水泵為縱向順列布置。電動(dòng)給水泵電動(dòng)機(jī)、液力耦合器及給水泵與前置泵連體布置。電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵和前置泵，由液力耦合器調(diào)速實(shí)現(xiàn)給水泵的流量調(diào)節(jié)。正常運(yùn)行時(shí)三臺(tái)給水泵全部運(yùn)行，無備用；機(jī)組負(fù)荷低于460MW時(shí)，兩臺(tái)給水泵運(yùn)行，1臺(tái)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(jī)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(dòng)機(jī)（生產(chǎn)廠家：湘潭電機(jī)廠）

表2.4 前置泵（生產(chǎn)廠家：沈陽透平機(jī)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(dòng)給水泵進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)，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(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。

（4） 高速直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)——將給水泵電動(dòng)機(jī)更換成高速電動(dòng)機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)給水泵高速運(yùn)行；給前置泵增加一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)前置泵定速運(yùn)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(dòng)給水泵組不做調(diào)整的前提下，每臺(tái)電動(dòng)給水泵進(jìn)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(diǎn)有：

（1）速度控制范圍寬， 1％～100％；

（2）調(diào)節(jié)精度，±0.5％；

（3）整機(jī)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(rèn)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(gè)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(dòng)機(jī)的供電頻率直接調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速，始終讓電動(dòng)機(jī)具有較高的工作效率，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(jī)械方式傳遞動(dòng)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(tái)電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)。主泵和電動(dòng)機(jī)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(dá)到調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速的目的。

圖一

給水泵進(jìn)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(dòng)機(jī)）軸變速運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前置泵工作。

特點(diǎn)：改造成本價(jià)高；施工時(shí)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(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前置泵工作（詳見圖三）。

特點(diǎn)：需要液力耦合器返廠改造。周期長，費(fèi)用高，且屬非標(biāo)產(chǎn)品，運(yùn)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(dòng)機(jī)時(shí)，將液力耦合器的勺管強(qiáng)制到100%位置；增加外部補(bǔ)油泵，使液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，補(bǔ)充潤滑油和工作油壓力（詳見圖四）。

特點(diǎn)：改造方便、改造成本低。液力耦合器的滑差未能改善，傳動(dòng)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(yùn)行時(shí)，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(dòng)效率）；變頻器故障時(shí)，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(yùn)行。

方案四：高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)——將原給水泵電動(dòng)機(jī)更新為高速電動(dòng)機(jī)。拆除液力耦合器；增加前置泵電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前置泵工作（詳見圖五）。

特點(diǎn)：改造成本高。機(jī)組傳動(dòng)效率高；施工簡單；前置泵不用調(diào)轉(zhuǎn)方向；機(jī)組穩(wěn)定性高；節(jié)能效果能達(dá)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(jī)組進(jìn)汽量相同，燃料量相同。

表3.11號(hào)機(jī)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(yùn)行時(shí)的調(diào)速功能和變頻運(yùn)行時(shí)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(tái)35%A、C水泵更換為50%水泵的方案。保留B給水泵，同時(shí)將前置泵增容，仍同軸驅(qū)動(dòng)。

由于進(jìn)口齒輪箱和給水泵、前置泵的訂貨周期長，一號(hào)機(jī)停機(jī)大修時(shí)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(huì)議研究決定，將一個(gè)合同分成“變頻改”造和“增容改造”兩個(gè)部分。2017年1號(hào)機(jī)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(jí)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(tái)半斷路器接線，一期建設(shè)2個(gè)完整串和1個(gè)半串（2臺(tái)斷路器）。發(fā)電機(jī)采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線方式，發(fā)電機(jī)出口不設(shè)置斷路器。

每臺(tái)機(jī)組設(shè)2臺(tái)三繞組高壓廠用工作變壓器，由發(fā)電機(jī)出口引接；每臺(tái)機(jī)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(tái)機(jī)組設(shè)2臺(tái)三繞組高壓廠用起動(dòng)/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(jí)電壓。單元機(jī)組低壓廠用變壓器和容量大于等于2000kW的電動(dòng)機(jī)負(fù)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(dòng)機(jī)負(fù)荷由6kV 供電；容量小于200kW的電動(dòng)機(jī)、照明和檢修等低電壓負(fù)荷由0.38kV或0.38/0.22kV供電。

（2）電動(dòng)給水泵設(shè)置及接線

大板電廠為直接空冷機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組設(shè)有3臺(tái)6900kW的電動(dòng)給水泵，額定負(fù)荷時(shí)3臺(tái)水泵運(yùn)行，無備用，負(fù)荷低于460MW時(shí)2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。電動(dòng)給水泵分別從本機(jī)組的兩臺(tái)高廠變的10kV分支引接。

（3）電動(dòng)給水泵變頻改造接線

考慮到每臺(tái)機(jī)組3臺(tái)電動(dòng)給水泵長期連續(xù)運(yùn)行，因此本次改造僅將3臺(tái)工作給水泵增加變頻器拖動(dòng)，每臺(tái)電動(dòng)給水泵配置一臺(tái)變頻器，采用一拖一帶旁路的接線方案。改造后，電動(dòng)給水泵接線位置不變，需要將原有10kV開關(guān)柜內(nèi)接線進(jìn)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(jìn)行熱交換，為避免堵塞，設(shè)備冷卻水?dāng)M在汽機(jī)房內(nèi)開式冷卻水過濾器后引接，1號(hào)機(jī)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(tái)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(jī)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(biāo)程序，大板電廠選擇了北京合康新能科技股份有限公司獨(dú)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(diǎn)：

1、變頻器提供了對電機(jī)的所有保護(hù)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(hù)功能。

2、電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。其特點(diǎn)是：

（1）速度控制范圍寬可在1%-100%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）調(diào)節(jié)精度可達(dá)到±0.2%（100%速度時(shí)）。

（3）整機(jī)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。且保護(hù)功能完善。

（5）使用壽命長，故障率低，維護(hù)量小。

（6）節(jié)電率高，與液力耦合器比較節(jié)電率可達(dá)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(dòng)軟停止，可延長電機(jī)使用壽命。

4. 運(yùn)行節(jié)能分析

大板電廠2017年10月18日16時(shí)，1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，給水泵帶變頻運(yùn)行；2號(hào)機(jī)組給水泵工頻運(yùn)行。因增速齒輪箱設(shè)備沒有到貨，本次一號(hào)機(jī)組給水泵僅變頻運(yùn)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(gè)月來一號(hào)機(jī)組和二號(hào)機(jī)組運(yùn)行節(jié)電率進(jìn)行簡要的對比分析（其中一號(hào)機(jī)組A、C給水泵變頻運(yùn)行，其他運(yùn)行條件近似）。

4.1 不同負(fù)荷率下節(jié)電率對比

4.2  10、11月份同時(shí)段兩臺(tái)機(jī)組給水泵耗電量對比

??4.4給水泵變頻運(yùn)行與2號(hào)機(jī)給水泵工頻運(yùn)行節(jié)能參數(shù)對比表??

本數(shù)據(jù)表收集的負(fù)荷率在50%-75%之間，基本符合機(jī)組正常運(yùn)行的區(qū)間。若提高機(jī)組利用小時(shí)數(shù)則收回成本的時(shí)間會(huì)降低。平均差值：2407kW/每小時(shí)，每臺(tái)機(jī)組年平均利用小時(shí)4130H（依據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），電價(jià)：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(jī)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(yùn)行和工頻運(yùn)行工況，可以看出自10月18日1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，相對2號(hào)機(jī)組給水泵工頻運(yùn)行的廠用電率是逐漸降低的。1號(hào)機(jī)組給水泵改變頻運(yùn)行同2號(hào)機(jī)組給水泵工頻運(yùn)行相比，廠用電率降低0.4%以上，且隨著機(jī)組負(fù)荷率的降低，給水泵變頻運(yùn)行的節(jié)能效率越高。大板電廠給水泵改變頻運(yùn)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(shí)可行。