电厂给水泵变频改造研究

陆佳铭

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 200000）

0 引言

在当前“厂网分离、竞价上网”的情况下，怎样才能减少发电成本，赢得更大的市场份额，就成了每一个电力公司都要考虑的问题。解决这一问题的一个途径是降低辅助设备的能量消耗和降低电厂的用电量。为适应电网的负荷调节需求，电站往往在小负荷运行或不稳定运行，然而，作为火力发电厂的重要辅助设备，风机、水泵需要长时间连续运转，往往工作在低效工况，具有巨大的节能潜力[1-3]。应用变频技术后，发电厂的主要辅助设备都能取得明显的节能效果，取得了很大的经济效益。变频改造已经被列为国家重点推广的技术。采用变频改造技术，可以达到火力发电厂节能减排的目的。高压变频器在电力和冶金工业中被大量使用，具有显著的节能和显著的综合效益。通过大量的现场改造前后的对比表明：采用变频技术，可节省30%以上的电。

1 火电厂给水系统

火力发电厂给水是蒸汽-水系统的一个组成部分，锅炉供水步骤如下：在锅炉内生成的高温蒸气会通过主要的蒸气管流入汽轮机，高速运动的蒸汽推动汽轮机的叶片旋转，这样就可以让发电机转动来发电。汽轮机内部作功后，其温度、压力大幅度下降，经排入凝汽器，成为冷凝水，并集中于冷凝器的热水井。冷凝水通过冷凝泵进入低压加热器进行加热，然后通过除氧器再次加热。给水泵能够对除氧器中的水的压力进行提高，压力在提高之后，能够通过加热器进行加热，然后进行输送，最终会成为锅炉水[4]。所以，给水泵在使用过程中能够有效的将一定温度和一定压力的除氧器中的水输送到锅炉中。随着相关技术的不断发展和进步，给水泵的容量以及转速等都在不断的优化。

2 电动机调速节电的机制

电力拖动是由电动机以及工作机械等装置组成的机电系统，电机是机电系统的主要组成部分，其主要功能是将电能转化为机械能，实现工程机械的起动，运行，速度调节等功能，以满足生产过程中的能量需求。电机是驱动系统的原始动力，但不能用电机的运转效率来判别其工作效率，最重要的是，要尽可能地提高其所承载的所有部件的工作效率，要实现电能消耗的目标，就必须在保证终端用能服务的前提下，最大限度地减小电能流动的流程损耗，并提高传动系统的效率。随着变频改造技术的迅速发展，感应电机在节能和调速方面的应用开辟了一个新的领域。其节能机制是将电机对工程机械的牵引功能和工程机械的负载调整功能结合起来，利用负载调整技术来改善电力传动系统的工作效率，进而达到降低节点损耗的目标。调节方式有多种，从节约能源的观点来看，可将其划分为高效率与低效率两类。高效率调速是一种基本不会增加传动损失的调速方法，在调整电机速度时，几乎不改变转差率，不会增大转差损耗，也不会把转差功作为电能反馈给电网，也可以作为机械能反馈给机轴；低效率调速会产生额外的转矩损耗，在同等转速条件下，比无转矩损耗情况下的节能效果要小。

3 电厂给水泵变频改造案例分析

3.1 给水泵运行现状

一家热电厂于2003 年4 月2 日登记成立。2003 年10 月26 日，一期2×300MW 热电联供系统正式启动，2005 年12 月，两台机组投入运行。每个单元均配有上海凯士比泵厂5000kW，额定功率为5400kW 的电动给水泵。本电厂所在区域的电力系统负荷率较低。在夏天，纯凝时的负荷一直处于50%～55%。统计资料显示，2 号机给水泵在2022 年的用电量中所占比例为2%，约为发电总量的23%，其耗电量较大，直接影响到发电煤耗、发电成本及能耗。为此，有必要对电动给水泵的转速调节方法做进一步的优化与改进。

3.2 改造方案的确定

采用变频装置调整电机和泵的速度，使泵出口阀门始终处于开启状态，从而节省了原有阀门的节流损失，进而实现了节能。初步的改造方案如下。

（1）对液压耦合器进行了变频一拖一的改造。在230MW 负荷下，采用一台变频改造水泵与一台联轴节调速水泵并联。对液力耦合器进行改造，使其成为一种多功能液力耦合器，此时具备两种功能，工频运行时的调速功能和变频运行时的增速齿轮箱输出功能。二者可互相转换使用，配合变频器及开关即可完成变频一拖一方案。目前在用的液力耦合器，主要包括两个部件：①增速齿轮，此部件的功能，就是将电机的额定速度，提高到符合给水泵的额定工作速度。②泵轮、汽轮、勺管和循环油系统，它的功能就是利用勺形管道对耦合器中的油液进行调整，来调整的供油量，进而调整汽轮的速度，达到对汽轮的无级调速。新型的多功能液压耦合装置，它在原有的液压耦合装置的性能上作了改进，并在原有的液压耦合装置中加入了两套多功能的油泵[5]。多功能液力耦合器采用勺形管，可在工频量输入与变频输出变化之间进行转换。具有以上功能后，可将给水泵的液力耦合器更换为多功能耦合器，在给水泵上加装一台高压变频器，再加上一台真空断路器，就能对电动给水泵进行变频改造。

（2）前置泵改造。由于进水温度接近于饱和，因此在进水时采用低速前置给水泵，以确保不产生汽蚀现象。进水经过前置给水泵加压后，再送入主给水泵。从而使得一次给水泵的进口压力高于相应的蒸汽压力，从而防止了给水泵汽蚀。在对原给水泵电机进行变频改造后，采用前置泵变速工作方式，有效地解决了汽蚀问题。

4 改造方案实施

4.1 变频改造

本次改造主要涉及系统主回路控制、变频器系统控制、DCS 逻辑等。

4.1.1 前置泵改造

结合现场的具体情况，提出了以下改进措施。

50MW 负载时，给水泵转速为3000r/min 左右，前置泵的扬程大约为30m，给水泵需要的汽蚀余量在8m左右，所以有较大的安全余量。

在100MW 负载时，给水泵转速为3800r/min，前置泵扬程为50m 左右，给水泵需要的汽蚀余量在15m 左右，所以有较大的安全余量。

所以，在原有电机的带动下，前泵的转速随着马达的转速而变化。但在变频过程中，要求将给水泵的最低转速设定在3000r/min 以上。

4.1.2 液力耦合器及油系统改造

现场液力耦合器，主要包括两个部件：①增速齿轮，它的功能是将电机的额定转速提高到符合给水泵的工作速度。②泵轮、汽轮、勺管和循环油系统，它的功能就是利用勺管对耦合器中的油液进行调整，来调整联供油量，进而调整汽轮的速度，达到对汽轮的无级调速[6]。结合现场的实际情况，对其进行了以下改进。

（1）在不拆卸液力耦合器的情况下，在变频过程中，将液力耦合器的位置调至最大，液力耦合器等效为联轴器。

（2）因为主油泵和电动机是同轴的，所以在使用变频之后，当电动机的速度下降时，油泵的油压和油量就会不够，油泵要求机油压力不小于0.25MPa，润滑油的量不少于360L/min；油的压力不得小于0.25MPa，因此，为了满足油泵的供油量，必须设置独立的加油点。对原有的液力耦合器进行了拆卸，主要是对油站油管路进行改装，对油站进行基础加工和安装，对油管路与液力耦合器相连的主油泵轮进行拆卸和改装。

（3）配置油站：一种排量为1200L/min 的电机，压力为0.40MPa。油站还应根据油泵电动机的功率和控制要求，配备电控箱，油站油箱容积不应小于3m3。

（4）在变频器出现故障或维修时，可将变频器旁路转换成工频运转。此时仍采用原有的操作模式，采用液力耦合器进行速度调节。

4.1.3 高压变频器散热

变频器最大耗散功率为变频器额定功率的4%计算。结合工程实例，在综合考虑制冷系统投资及运行费用的基础上，提出了空-水冷却方案。

4.2 系统安全性能评价

该装置是一种整体安装在高压变频器房墙上的装置，它通过管道直接与变频器的机柜顶部通风口相连，使其装置的运转更加高效，并可对由变频器排出的热气进行直接冷却。此外，该冷却器在最大冷却水温度33℃、水侧清洗系数0.85 和管堵率不超过5%的条件下，达到了最大热负荷的要求。同时，还可以防止高压房内的冷却水管路断裂，造成泄漏，危害到高压设备的安全运行[7]。在空气-冷却系统的设计中，为避免空气冷却器出口侧凝结水带来的冷空气和水进入房间，需要对空气-水系统的风压和风速等参数进行设计和计算，确保在较好的排气压力条件下，系统能够安全、稳定地工作。此外，为了避免空气冷却器渗漏到房间里，在空气冷却器的出口处加装了一块防水板，这样在出现渗漏或有水的情况下，空气冷却器可直接排放到室外。同时，利用变频器对风机和空气冷却器进行故障报警，并将综合的报警信号发送到DCS。完善的制冷系统，能够减少辅机失效率和对主设备操作安全性的影响。

5 改造后情况汇总

（1）#1A 泵变频技术改造后，总投资超过400 万元。主要技术改造：加装6900kW 的变频装置一套，整机尺寸（长×高×宽）：9435mm×3170mm×1600mm，采用空-水的形式，制冷能力为100t/h 左右；将原有的液力耦合器的主油泵拆卸下来，另外增加了一个加油站：工作油泵2 个（驱动电机功率30kW），机油泵1 个（驱动电机11kW）。

（2）在对#2A 电泵进行变频改造之后，在主给水泵速度调节的条件下，对主油泵的循环油量以及与各个阀之间的匹配度进行了调整，从而达到了对主给水泵速度调节时的功率-速度要求。由于液力耦合器不做任何改造，因此可以使耦合器的工作油回路在工频和变频两种情况下均能满足要求。整个改建成本在400 万左右。

主要技术改进。增设6900kW 变频装置一套（长×高×宽）：9400mm×2907mm×1500mm，空-水冷却方式，制冷机组的制冷量在100t/h 左右，单台变频机和空气冷却器配置12m×8m。另外，还配有加油站系统：泊头市长江泵阀生产厂家1 个，产品型号：YCB15/0.6，容积率15m3/h；配有ABB 电机，5.5kW。油库的大小（长×宽×深）：2400mm×1600mm×600mm。

（3）工变频切换方式。在正常情况下，采用“一拖一”的自动旁通模式，使电机在正常工作状态下，由高压变频器带动电机运转。当变频器发生故障时，能自动将变频器转到工频旁路系统。在变频改造下，液力耦合器可调至最高位置，并通过变频装置进行调速。在工频工作状态下，调速仍然是通过勺管位置来实现的。

（4）给水泵采用变频器进行调速，改变了传统的勺式控制方式，变频改造指令与原有的勺式指令具有相应的功能关系[8]。通过对电泵在工频变频同步起动实验，能够得到这一函数关系式。

（5）故障状况。1A 型给水泵变频器在投产后的六个月中出现过一起故障，原因是由于输入电压信号调节盘损坏。#2A 给水泵变频改造装置投入使用以来，到目前为止没有出现过一次故障。

（6）对给水泵进行变频改造，其节能效果明显，按上网电价计算，对给水泵进行变频改造后，单台机组一年可节省2396000 元。通过对这台水泵电机的年耗电量为3058.51×104kW 进行分析，得出了改造后的节电效果为24.28%。

6 结语

综上所述，给水泵变频改造技术的应用，使供水系统的总能耗大大减少，取得了良好的节能效果。变频起动降低了给水泵在工频下较大的起动电流对电机的冲击，提高了电机的使用寿命。在连续发电过程中，给水泵采用高压变频改造技术，使其能够按照负载的变化来有效地调整给水泵的速度，这样可以节省很多的电力，在不选择最大出力时，可获得明显的高频运行经济效益。