300 MW机组电动给水泵变频改造应用

曹锐杰

（山西临汾热电有限公司，山西 临汾 041000）

300 MW机组电动给水泵变频改造应用

曹锐杰

（山西临汾热电有限公司，山西 临汾 041000）

介绍了山西临汾热电2×300M W机组电动给水泵变频改造技术。重点从技术改造方案、主要技术难点进行了阐述，提供了改造后的经济效益和节能效果数据。

液偶；电动给水泵；变频调速

0 引言

在火力发电厂中，因不同的设备配置，厂用电在4.5%～9%之间。电动给水泵耗电量在机组辅机中所占比例最高，约占纯电泵机组厂用电的30%～45%左右，节能潜力巨大。目前，随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高电压大功率变频调速装置不断地成熟起来，通过器件串联或单元串联很好地解决了可靠性问题，其应用领域和范围也越来越为广泛。变频器凭借优良的节能效果及其可控性应用于各火电厂，在国家进一步强调节能减排的背景下，给水泵进行变频技术改造具有必要性和迫切性。

1 机组现况

山西临汾热电厂装机容量为2×300MW供热机组，每台机组配置3台50%容量电动给水泵，采用液力偶合器调节给水泵转速控制给水流量。给水泵运行方式为两用一备（1、2号正常投运，3号备用）。为增加给水泵压力防止给水泵汽蚀，每台给水泵配置了1台前置泵。

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，因液力偶合器相对于定速泵+调节阀的控制方式有着无级调速的优点，我国在20世纪80年代开始从国外引进并逐步实现国产化，一段时期内广泛应用于200MW和300MW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，液力偶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。

液力偶合器以液体（工作油）为介质传递功率，液力偶合器相当于离心泵和涡轮机的组合，当给水泵电动机通过输入轴带动液力偶合器泵轮转动时，充注在工作腔内的工作油在离心力作用下，沿泵轮叶片流道向外缘流动，使工作油的动量矩增大。当工作油从泵轮冲向对面的涡轮时，工作油便沿涡轮叶片流道做向心流动，同时释放能量并将其转化为机械能，驱动涡轮旋转并带动给水泵做功。靠着工作油的传动使给水泵电动机和给水泵柔性地联接在一起。改变液力偶合器工作腔内工作油的充满度，便可以调节液力偶合器输出力矩和输出转速，充满度升高则输出转速升高，反之则降低，实现无级调速。

分析液力偶合器无级调速的工作原理就会发现：液力偶合器的转速控制属于间接滑差调节，偶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，由于偶合器的泵轮和涡轮之间有工作间隙，动力联接靠的是工作油，所以是软联接。泵轮的转速固定，涡轮的转速变化，快慢取决于涡轮壳内工作油位的高低，因此偶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的，是纯粹的损耗。

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

综上可知：电厂给水泵采用液力偶合器无级调速系统是有损耗的，损耗主要来自三个方面。

a）液力偶合器的滑差热损耗。

b）电动机的工作效率损耗。

c）给水泵的转速是变化的，电动机的转速是恒定的，体现不出功率与转速的三次方的比例关系。

日常运行中，虽然液力耦合给水泵能够利用转速调节方式控制给水量，但在变负荷工况下，给水泵转速在60%时能量损耗就达到42%左右。从山西省电力调度的现状来看，大部分火电厂机组负荷率不可能维持在90%ECR（锅炉经济连续蒸发量，Boiler Economic Continue Rate）以上负荷运行。

变频调速型液力偶合器综合效率比液力偶合器调速效率高出很多，用变频调速替换液力偶合器调速，可以有效解决液力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，1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%。

2.2.2 设计规则

锅炉最大连续蒸发量BMCR（Boiler Maximum Continue Rate），通常比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、引风机等等）容量比BMCR通常还要高5%～10%。机组在额定负荷下运行，辅机存在10%～20%的系统必备裕量。尤其锅炉给水泵，必须具备不低于110%锅炉水压的能力（锅炉打水压时需要）。

对给水泵而言，给水泵的铭牌工况＝BMCR×1.1 ，因此其节能潜力巨大。

3 改造方案

3.1 增配设备

a）2台给水泵专用高压变频器，容量6 900 kVA/ 6 kV。

b）2台前置泵电动机（380V）。容量132 kW／380 V（待定）。

c）2台润滑油泵。

d）变频器防尘电子间及冷却系统。

3.2 拆除设备

a）2台工作油冷油器。

b）2台液力偶合器的泵轮/涡轮。

3.3 保留设备

a）给水泵。

b）给水泵电动机。

c）液力偶合器的增速齿轮副、箱体和辅助油泵。

d）给水前置泵。

e）润滑油冷油器。

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d v/d t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偶合器相近或相同。液力偶合器勺管开度0～100%用时通常是33 s，所以高压变频器从0～50 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的调节特性（通用型高压变频器全程加速时间不少于100 s）。

结合现场设备管路布局情况，前置泵需要进行全面改造。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1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。

原有的液力偶合器改成直联增速齿轮箱，取消液力偶合器泵轮和涡轮，将小齿轮泵轮轴与涡轮轴用鼓形齿联轴器柔性联接，同时新增外置润滑油泵。

高压变频调速系统的长期稳定运行是给水系统稳定运行的关键，该装置中使用了大容量移相隔离变压器及大功率电力电子开关元件，其发热量较大，采用风道冷却或是空调冷却的方式无法满足设备运行的散热要求。为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，针对该超大容量高压变频器安装了空水冷装置进行冷却。

4 节能效果

在节能统计时要考虑变频改造新增的设备功耗，减去其实际运行功耗，经实际耗电量的测量对比试验得出表1（另见图1、图2）。

图1 1号给水泵变频改造后节电率

图2 2号给水泵变频改造后节电率

表1 给水泵变频改造前后不同负荷情况下的节电率

a）当按照年度机组平均负荷75%，运行7 200 h计算，年度节约能量1 270.8万kW·h。

b） 按照平均供电煤耗332 g/（kW·h） 计算，山西临汾热电有限公司2台机组每年可节约标煤4 219.05 t。

c）按照上网电价0.377 5元/（kW·h）计算，每年可产生经济效益479.73万元。

该机组给水泵变频改造共投资1 200万元，预计3年可收回全部投资。

5 结论

山西临汾热电受益于2号机组给水泵改造的成功实践，已于当年对1号机组进行了给水泵变频改造。改造后经实际测算，厂用电率下降了0.9%，供电煤耗下降了4 g/（kW·h）。总之，对火电厂电动给水泵电机实施变频改造是成熟可靠的，可对电厂的节能减排做出较大贡献。

Frequency Conversion Transformation of 300MW Unit Electrically-driven Feed Pump

CAO Ruijie
（Shanxi Linfen Thermal Power Co.，Ltd.，Linfen，Shanxi 041000，China）

Frequency conversion transformation technology of2×300MW unitelectrically-driven feed pump was introduced.The main technical difficulties and the technical transformation scheme are elaborated.The economic benefits and energy saving effect after transformation areprovided.

hydraulic coupling；electrically-driven feed pump；variable frequency adjusting technology

TM921.51

B

1671-0320（2015）02-0062-04

2014-11-28，

2014-02-06

曹锐杰（1978），男，山西沁县人，1997年毕业于太原电校热自专业，工程师，从事生产管理工作。