中小锅炉高电压给水泵节能改造技术的研究与应用

朱振兴+赵国栋

摘 要 本文提出并实施了降压改造系统集成装置，大幅度降低改造和运行费用，与常规改造方式比较减少改造投资和维护费用、延长使用寿命；同时，经过对给水泵性能以及变频调速技术的研究，分析和探讨给水系统经济运行方式，制定典型的调节方案，使变频改造取得的经济效益最大化。

关键词 变频调速 高-低电压 给水泵

中图分类号：TK223.52 文献标识码：A

The Study and Application of Energy Conservation Transformation Technology of High-voltage Pump for Small and Medium-sized Capacity Boiler

ZHU Zhenxing[1]， ZHAO Guodong[2]

（[1] Datang Changchun Third Power Plant， Changchun， Jilin 131109；

[2] Qinshan Nuclear Power Plant， Jiaxing， Zhejiang 314300）

Abstract The voltage dropping transformation system was developed， which greatly reduced the transformation and the operating cost compared with the conventional transformation way. At the same time ，according to the study of pump performance as well as the frequency conversion velocity modulation technology， the pump system economy operation way was analyzed and discussed， and the typical operation mode of the equipments was designed， and so the economic efficiency maximization of the frequency conversion transformation could be obtained.

Key words frequency conversion； high-low voltage； Pump

0 前言

给水泵是火力发电设备中的重要辅机，其功耗占辅机总容量的35%～50%，是全厂主要的耗电辅机设备。在生产过程中，由于电机输出功率不可调节，因此多余的能量只能在挡板和阀门中消耗掉，造成很大的节流损失。近几年来变频技术的出现，显著改变了这一状况，通过变频来调节风量和水量，节电效果十分明显。由于取高压电方便，电厂的给水泵多由高压电机驱动。但是由于高压变频器在中小容量段价格畸高和运行可靠性差，形成了火电厂高电压中小容量给水泵的变频改造死角。

1 针对高电压中小容量电机的变频调速技术路线

变频调速作为给水泵节能改造的主要手段已在国内电厂广泛使用，但对于高电压电机的变频改造的普及率远不如低电压电机，其原因主要有以下几个方面：第一，国产化能力低、改造投资大。由于我国历史上的原因，所采用的低压电压等级只有380V一档，并且在设计上将200kW以上的电机全部采用6000V以上电压，这在电机容量分布上形成了一个电压跨度非常大的一个断层，而变频器中单块IGBT模块的耐压等级多在1700V以下，高电压时必须多级串联，所以导致了高压变频器成本的畸高（如图1）；第二，运行可靠性差。变频器的多级模块串联的结构必然导致其故障率提高，而电力企业需要的是高可靠性的连续生产，这必然严重影响企业改造积极性，形成节能改造死角。因此，围绕着高压电动机变频调速也形成了两条技术路线。一是以高压变频为代表的，基于高成本高风险的高压变频技术路线；而本课题采用了另一条路线，基于高压电机低压改造的低压变频技术路线同时使用了备机转速跟踪启动技术、变频器功率因数的优化技术、电动机提效改造技术，并实施了变频器冗余配置、故障情况下备机转速跟踪启动、瞬态切投备用变频器的解决方案及设备组合。

2 改造电厂现状简介

某厂目前装机容量为21MW，三台75t/h次高压煤粉炉。该厂年发电量1.2亿千瓦时，供热量为103万吉焦。该厂生产能力根据供热需求调整，全年分采暖期和非采暖期两个阶段，非采暖期负荷为单台锅炉额定负荷的70%～76%左右，此间单炉运行；采暖期负荷根据气候变化在110t/h～180t/h之间调整，全年各时段负荷情况经过简化后如图2所示。

图1 变频改造单位容量造价随电机容量变化曲线

该厂给水系统为母管制，由四台给水泵（其中一台备用）、进出口母管和再循环管组成（见图3），泵入口压力0.15MPa，出口压力7MPa（运行规程规定），水泵运行台数与锅炉运行台数对应，属并联运行方式。给水流量视负荷需求由设在母管与锅炉之间的三冲量电动调节阀调节，给水泵的汽蚀余量由再循环管调节。全年单台泵的运行时间为6个月，两台和三台泵同时运行的时间分别为4个月和2个月。单台水泵流量随锅炉负荷在70%～100%之间调节，多数情况下在较低负荷下运行，只在采暖期两台炉运行时有两个月左右时间接近额定负荷运行。

图2 某厂全年锅炉负荷分布示意图

3 给水系统改造方案设计

3.1 系统改造方案

因低压变频器技术过关，质量可靠，使用普遍，价格远低于高压变频器，并且由于属于低压范围，相关设备、备件便宜，安装维护简单，运行可靠，所以提出本方案。综合考虑备用、改造费用和方便运行控制，根据该厂的年负荷特点，本文提出了对给水泵改造一台和两台的两套方案，其经济性对比结果见后文，改造后的系统示意图见图4。由于进行两台给水泵变频改造的节能效果与改造一台差别不大，所以本方案先改造一台给水泵。endprint

图3 水系统示意图

图4 给水泵变频改造方案

3.2 不同负荷时的运行方式

3.1.1 非采暖期时1€？3%负荷时

启用1台变频泵，如图5所示，I和I′分别为改造前后的运行工况，改造后系统维持流量不变，系统阻力损失由I QI下降到I′QI，电机节省的功耗与点HI、 I 、I′、HI′所围成的面积成正比。改造后采用三冲量的汽包水位调节方式，给水调节阀全开，再循环阀全关，将PLC控制给水调节阀的信号切换到变频器，用变频调节取代阀门节流调节。

图5 非采暖期1€？3%负荷调节工况图

3.1.2 采暖期2€？5%负荷时

根据变频改造台数有：工频泵与变频泵并联和两台调试泵同步变频两种运行方式，如图6所示，I和I′分别为改造前后的运行工况，电机节省的功耗与点HII 、II 、II′、HII′所围成的面积成正比（两种改造方式的节能效果对比见表1）。该运行方式时，再循环阀关闭，将母管压力信号切换至变频器控制单元，构成闭环定压控制回路，设定母管定压，定压值略高于调节阀全开时的理想最低给水压力，给调节阀一定的调节余量，该压力值通过实际运行中汽包水位的调节效果确定，负荷变动时，调节变频泵转数以维持该压力不变，由原控制方式调节给水调节阀以适应外界负荷的波动。

图6 采暖期2€？5%负荷调节工况图

图7 采暖期3€？3%负荷调节工况图

3.1.3 采暖期3€？3%负荷时

由于这段时期三台炉同时运行总荷为164m3/h，略大于两台炉同时运行的额定负荷150 m3/h，远小于三台炉同时运行的额定负荷225 m3/h，因此原三台给水泵并联节每台流量为55 m3/h，仅占给水泵的额定流量85m3/h的65%，非常不经济。虽然投运两台给水泵变可也满足需求，但由于锅炉在实际运行过程中，负荷是不断变化的，当两台给水泵不能满足负荷需求时，便需要启动第三台给水泵，而大功率电机的频繁启停必然会对系统造成冲击，因此，在这段时期只能采用三台给水泵并联运行，由于富余量大阀门始终处于节流损失，造成很大的能源浪费。变频改造后，由于变频器具有平滑启动功能，在正常运行时便可以只投运两台定速泵，当负荷波动时通过变频泵的启停来维持母管压力，节能效果显著。如图7所示，III 和III′分别为两泵工频并联运行工况和两变频一工频并联运行工况。

3.2 经济效益分析

3.2.1 定速水泵特性曲线的拟合

从水泵性能曲线图可看出其性能曲线、、近似于抛物线，故用二次回归曲线对测试数据进行性能回归曲线方程如下：

= + + （3）

= + + （4）

= + + （5）

由最小二乘法原理可知，该水泵的流量系数方程组为：

12 + + =

通过水泵厂家提供的DG85-80―10型离心水泵的性能曲线上截取的查询点，可解出方程。

3.2.2 调速水泵特性曲线拟合

根据水泵调速运行时的工况及相似定律应用于不同转速时的基本规律，即当转速发生变化时，其它性能参数的变化规律，可以推导出转速为时的拟合曲线方程为：

= + + （9）

= + + （10）

= + + （11）

3.2.3 并联水泵特性曲线拟合

现已知，单台水泵定速运行时的曲线方程，在台同型号水泵并联时有：

= = = （12）

= + + … + = （13）

= + + … + = （14）

式中-并联总流量，m3/h；-第单台泵流量，m3/h。

假设台泵并联时的曲线方程为：

= + + （15）

所以，台水泵并联在额定转速运行时的拟合曲线方程为：

= + + （16）

= + + （17）

= + + （18）

式中并联总流量，m3/h。

通过以上公式计算，得出各个工况的详细计算结果，见表1、表2。

4 总结

总的来看，中小锅炉高电压给水泵节能改造是可行的，它可以在降低改造费用和保障运行可靠性的基础上取得良好的节能效果，但改造中应针对改造系统的运行特点，注意相关技术问题，采取相关对策以确保变频改造的成功。

表1 变频改造年节约资金统计表

参考文献

[1] 张燕宾.变频器功率因数问题[J].电气时代，2005（3）：136-139.

[2] 吕志斗.面向高压电动机的高-低压变频调速集成装置[P].中国专利：02274200.X，2003.endprint