火力发电厂电动给水泵液力偶合器泵轮(变频)调速法

张文海，安力群

(1.长春时代机电新技术有限公司，长春市， 130021;2.东北电力设计院，长春市， 130021)

0 引言

目前，国内运行中的200、300、600 MW火电机组的电动给水泵的调速均采用了增速型液力偶合器，其配套电动机功率范围为5 500～11 000 kW。在低负荷率低转速比运行工况下，液力偶合器调速的高耗能缺点比较突出。近年来各发电企业，为贯彻落实国家关于降低能耗20%的基本国策，都在研究液力偶合器调速设备的变频改造技术。

如何做到既保持液力偶合器不动，同时实现变频调速就成了当务之急和科技课题。保留液力偶合器不动，实现变频调速的科技关键就是偶合器的泵轮调速问题。通过对液力传动理论、液力偶合器工作原理、结构、特性和应用的分析研究，本文提出了液力偶合器泵轮调速法，实现了液力偶合器变频调速的科技创新。

1 液力偶合器的传统调速方法

目前国内外液力偶合器调节方式主要有进口调节式、出口调节式、进出口调节式3种，均属于容积调速。

1.1 容积调速法

调速型液力偶合器是人为地改变偶合器工作腔中的充油量，从而改变偶合器的特性。在液力偶合器泵轮转速和负载特性都不变的条件下，改变偶合器的充液量，也就改变了偶合器的输入输出特性，从而达到调节偶合器输出功率和转速的目的，这就是容积调速法。

1.2 容积调速法的弊端

容积调速法的弊端是传递效率等于转速比且随转速比而变化。其最高效率点为额定工况点，偏离额定工况，效率随转速比降低而降低。这说明液力偶合器只适应高转速比额定工况运行;低负荷率、低转速比时，效率低、能耗高，这是容积调速无法解决的弊端。在进行设计时，锅炉最大连续蒸发量通常选取汽轮机组最大连续出力进气量的105%，给水泵的最大流量选取锅炉最大连续蒸发量的105%～110%，液力偶合器则按给水泵最大流量和转速配备。这样一来，即使机组在额定负荷运行，偶合器运行转速已经比最大转速值低10%～15%。另外随着电网的负荷需要，机组负荷随峰谷变化，此时液力偶合器经常处于效率较低的区间运行。

2 液力偶合器泵轮调速

2.1 偶合器的通用特性

偶合器的通用特性是指偶合器循环圆的有效直径和工作液体一定时，在不同泵轮转速下，偶合器轴上的力矩与涡轮转速之间的变化关系。充液率对偶合器上力矩与涡轮转速有影响，充液率越多，传递功率越大;反之，传递功率越低。当外载荷一定时，充液率高，则转差率小，输出转速高;反之，转差率大，输出转速降低(充液率是需要精确计算和测试的)。

2.2 液力偶合器泵轮调速法

偶合器的通用特性，为偶合器泵轮调速提供了理论根据。泵轮调速法，即同一台偶合器工作液体一定的状态下，人为地改变偶合器泵轮转速，从而改变偶合器的特性。在偶合器工作油腔内工作液体和负载特性不变的条件下，改变偶合器泵轮转速，意味着改变了偶合器的输入与输出特性，从而达到调节偶合器转速的目的，这就是泵轮调速法。

2.3 液力偶合器泵轮调速的特点

液力偶合器泵轮调速的特点是人为保持最佳充液量(将勺管固定在100%位置)，整个调速过程中保持偶合器最高效率不变。泵轮调速法能够有效解决偶合器容积调速低转速比运行的高耗能问题，可以替代容积调速，与容积调速相比可以节电20%～30%。泵轮调速是将泵轮由定速运行改为变速运行，对变速运行的泵轮及其齿轮传动系统进行了扭矩核算，结果表明改造后系统是安全可靠的。同一台偶合器泵轮调速(电动机变频运行)和容积调速(电动机工频运行)可以切换应用。这种具有泵轮调速和容积调速2种调速功能的液力偶合器，称为多功能液力偶合器。多功能液力偶合器的2种调速功能，可以根据节能需要切换应用(额定工况时容积调速效率高，宜工频运行;转速比低于90%时泵轮调速效率高，宜变频运行)。容积调速方式的液力偶合器和变频器是相互排斥的;泵轮调速的液力偶合器和变频器是相互依存结合应用的，变频调速是实现液力偶合器泵轮调速的最佳方式。

3 工程应用

大唐双鸭山热电有限公司，装有2台200 MW汽轮发电机组。每台机组设置2台100%额定容量的通过液力偶合器驱动的电动给水泵，一运一备。2011年9月，应用了变频调速型液力偶合器电动给水泵专利技术，将液力偶合器改造成了泵轮调速(变频运行)和容积调速(工频运行)的多功能液力耦合器，解决了电动给水泵的变频运行和工频运行的切换问题，实现了变频调速型液力偶合器电动给水泵的改造。改造后相同负荷下，给水泵电动机负荷电流平均下降107 A，77%负荷率节电率达到20.35%。

3.1 泵轮调速与容积调速效率比较

泵轮调速是通过电动机的变频调速实现的，泵轮调速的特点是节电、调节精度高。这是因为变频器效率在40%负荷率以上不同转速下均在93%以上，变频调速效率与液力偶合器调速效率比较如图1所示。

图1 变频调速与液力偶合器调速效率的比较Fig.1Efficiency comparison between frequency control and hydrodynamic coupling speed regulation

在不同负荷率下，同一台液力偶合器泵轮调速效率与容积调速效率比较如表1所示。

从表1可以看出，泵轮调速效率(100%负荷率除外)比容积调速效率高出很多，有着显著的节能潜力。用泵轮(变频)调速替换容积调速，可以有效解决液力偶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。

表1 偶合器泵轮调速与容积调速效率比较Tab.1Efficiency comparison between pump wheel speed regulation and volumetric speed control for hydraulic coupling%

3.2 YOT51型液力偶合器的改造

多功能液力偶合器是指同一台液力偶合器具有2种调速功能，既可以使用泵轮调速(变频调速)，也可以使用容积调速(工频运行，勺管调速)，2种调速方法可以相互切换使用。切换是由勺管实现的，2种调速方式可以平稳过渡。将2台液力偶合器都改造成具有2种调速功能的多功能液力偶合器，配备1台高压变频器、4台断路器可实现变频调速型液力偶合器电动给水泵在200 MW汽轮机组上的应用。

3.3 200MW汽轮机机组给水泵变频方案

大唐双鸭山热电有限公司1号汽轮机组，给水泵变频一拖二改造方案的电气一次接线如图2所示。

图2 给水泵变频一拖二方案的电气一次接线Fig.2Electrical primary wiring in‘one for two’scheme of frequency control for feed water pump

图2所示的方案中，每台泵都可以变频运行或工频运行，正常运行方式为1台泵变频运行，另1台泵工频备用。变频运行泵故障跳闸时，连锁启动工频备用泵。

大唐双鸭山热电有限公司的1号汽轮机组，变频调速型液力偶合器电动给水泵改造工程，于2011年 9月18日开工，10月7日完工，正式投运。将液力偶合器改造成了泵轮调速和容积调速可以切换使用的多功能液力耦合器，解决了电动给水泵的变频和工频的切换运行，实现了变频调速型液力偶合器电动给水泵的改造，节电效果明显。

4 应用前景

变频调速型液力偶合器电动给水泵既可实现运行中的200、300、600 MW给水泵的变频技术改造，又可在300、600、1 000 MW新建机组电动给水泵的设计中应用。

4.1 在役300、600 MW汽轮机组给水泵变频方案

运行中的300、600 MW汽轮机组一般配有3× 50%额定容量电动给水泵，2台运行1台备用。对于这种两运一备的配置方式，可以采用将3台液力偶合器改成多功能液力偶合器，配置2台变频器，通过切换实现二拖三方案。变频二拖三方案一次接线见图3。这个方案的特点是通过切换，3台泵都能变频运行，正常运行时，2台变频运行，1台泵工频(偶合器方式)备用。如果运行中的1台变频泵故障跳闸，连锁启动工频泵并列运行，并列条件是2台泵转速相同、出口压力相等。

图3 给水泵变频二拖三方案的电气一次接线Fig.3Electrical primary wiring in‘two for three’scheme of frequency control for feed water pump

4.2 新建300 MW供热汽轮机组给水泵变频方案

新建300 MW供热汽轮机组亦可采用变频二拖三电动给水泵方案。其理由是变频二拖三方案可实现工、变频的切换，提高了系统的可靠性。对于300 MW供热机组，如果将泵轮(变频)调速的液力偶合器电动给水泵和汽动给水泵相比较，变频调速型液力偶合器驱动的电动给水泵无论在投资上还是运行费用上都要优于汽动泵。

初投资(汽轮机方案需3台小汽轮机，电动机方案需3台电动机、3台多功能偶合器、2台变频器)和净出力(电动给水泵高于汽动泵)这里姑且不论，电动机效率为97%，变频器效率为97%，多功能液力偶合器效率为94%，则电动机方案综合效率为88%，而小汽轮机效率为82%，效率差为6%。这里小汽轮机效率为额定工况的效率，变工况下，低负荷时小汽轮机效率还将降低，种方案的效率差还将增大。由此可见，300 MW机组，按电动给水泵变频二拖三方案设计，既安全可靠又经济适用。

4.3 新建600、1 000 MW空冷机组给水泵变频方案

新建600、1 000 MW空冷机组配套液力偶合器传动的电动给水泵的技术经济性优于配套汽轮机调速给水泵。600 MW火电机组给水泵耗电量占发电量的3.27%，占厂用电率的42%;1 000 MW火电机组电动给水泵耗电量占发电量的近3.5%，占厂用电率的45%，其节电空间很大。

鉴于变频调速型液力偶合器电动给水泵有着明显的节能优势，随着高压大容量变频器的逐渐普及，新建600、1 000 MW火电机组给水泵选用变频调速型液力偶合器电动给水泵组，既能解决降低给水泵耗电量、降低发电厂用电率问题，又能解决大功率给水泵电动机的启动问题，是进行给水泵综合升级优化设计的创新方案。

5 结语

本文针对液力偶合器传统调速方法的缺点，提出了泵轮调速法。泵轮调速方法成功应用于200 MW汽轮机发电机组，且调速效率得到提高。变频调速型液力偶合器电动给水泵的应用前景分析表明，该调速方法值得推广应用。

［1］赵静一，王巍.液力传动［M］.北京:机械工业出版社，2007:38-44，51-56.

［2］王文斌.液力传动［M］.北京:机械工业出版社2007:15-19.

［3］刘应城.液力偶合器实用手册［M］.北京:化学工业出版社，2008:24-34，42-46，301-317.

［4］王正宾.液力传动［M］.北京:中国铁道出版社，1986:20-22.

［5］陈冬生，董光源，冯才.液压传动与液力传动［M］.北京:水利电力出版社，1994:5-7.

［6］齐任贤.液压传动与液力传动［M］.北京:冶金工业出版社，1987: 20-23.

［7］罗邦杰.工程机械液力传动［M］.北京:机械工业出版社1991: 15-18.

［8］匡襄.液力传动［M］.北京:机械工业出版社1987:8-10.

［9］李芳民.工程机械液压与液力传动［M］.北京:人民交通出版社，2002:13-14.

［10］李有义.液力传动［M］.哈尔滨工业大学出版社，2000:30-33.

［11］杨乃乔，姜丽英.液力调速与节能［M］.北京:国防工业出版社，2000:10-12.

(编辑:沈雷)