200MW火電機組給水泵變頻節能改造的研究與應用

摘要：文章介紹了200MW火電機組配置的給水泵綜合節能改造的必要性及給水泵高壓變頻器的工作原理，針對該廠現有給水泵設備配置能耗偏高的情況，提出了改造方案。對給水泵前置泵是否改造進行了技術論證，排除了給水泵在低負荷階段，變頻運行時出現給水泵汽蝕的擔憂。對給水泵綜合節能改造方案從經濟性、可行性和改造后實施的效果進行了細致對比分析，總結了改造運行后的優勢，使綜合廠用電率下降了0.41%，同時具有安全穩定、操作簡便、效益顯著等特點。

關鍵詞：高壓變頻器、前置泵、汽蝕、綜合廠用電率

一、引言

隨著國民經濟穩步持續發展，資源和環境所面臨的壓力越來越大，國家出臺了《煤電節能減排升級與改造行動計劃》等系列節能減排法律法規，嚴厲的節能減排政策迫使火電企業加大節能技術改造。面對經濟發展新常態下電力行業的發展現狀和高度競爭的市場環境，火電企業必須節約能耗，以增強市場競爭力，謀求自身的生存發展。

徐礦集團新疆阿克蘇熱電公司2×200MW熱電聯產機組，位于新疆阿克蘇市，兩臺機組于2011底建成投產發電，給水泵采用液力耦合器調節技術，耗電量占綜合廠用電量的21.7%-23.1%，給水泵的耗電占各輔機設備之首。

目前，國內在運火電機組配置給水泵有汽泵、液力耦合器、電泵、變頻調節等多種方式。結合國內火電機組已完成節能改造的給水泵運行效能情況，高壓變頻技術以具備精準電壓調節、啟動性能好等諸多優勢，尤其在節能方面，得到廣泛的認可。多年來，高壓變頻調節技術在市場的應用日趨成熟，本文針對阿克蘇熱電公司在創新采用給水泵高壓變頻器 “一拖二”模式、液力耦合器外接輔助潤滑油系統進行改造的研究和應用予以介紹，并對比分析改造前后的節電效果，以供參考。

二、  給水泵變頻改造的論證

2.1變頻器的工作原理

把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”，變頻器首先要把三相或單相交流電變換為直流電，然后再把直流電變換為三相或單相交流電，變頻器同時改變輸出頻率與電壓，也就是說改變了電機運行曲線，使電機運行曲線平行下移。因此變頻器可以使電機以較小的啟動電流，獲得較大的啟動轉矩，即變頻器可以啟動重載負荷。變頻器具有調壓、調頻、穩壓、調速等基本功能，內部結構復雜但使用簡單，廣泛的應用到各個工業領域。

高壓變頻調速通過改變定子電動機的頻率實現調速。

式中n為轉速，f為頻率，P為極對數，s為轉差率，磁極對數、轉差率不變時，轉速和電源頻率成正比。連續地改變電源頻率，就可以平滑地調節電動機的轉速。高壓變頻器可實現恒轉矩，無級調速，調速范圍大，可以為0～100%，在整個調速范圍內都具有較高的效率(大于96%)，具有電機軟起動功能，解決了起動沖擊問題。

電廠變頻調速節能技術能夠通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式，進而改變電機的運轉速度，使輸出功率隨著負荷的變化而變化，實現對交流異步電機的軟啟動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能，同時可實現低負荷運轉時節省電能的目的。

2.2給水前置泵同軸運行的可行論證

根據電廠給水泵運行情況分析，850rpm時對應的給水泵轉速為3180rpm，流量大概為170m3,對應的負荷90MW左右。而機組一般最低運行負荷為100MW，對應的轉速大約為3500rpm。所以在保證最低轉速的要求下，能滿足電廠最低發電負荷要求并能滿足給水泵的最小汽蝕余量，此方式是可行的。

目前，電廠在用的給水泵汽蝕余量在額定工況下為61.7m，在50%負荷下必需汽蝕余量為54.4m，此時流量由758.4m3/h變為636.7m3/h，前置泵的揚程為93m。如果僅根據相似定律來進行計算（流量比與轉速比一致，壓力比與轉速比的平方一致：Q2/Q1 = n2/n1；  H2/H1 = (n2/n1)2 ； P2/P1= (n2/n1)3   ），轉速變為原來的83%，則前置泵的揚程由93m變為64.7m，滿足超出給水泵汽蝕余量為54.4m要求。

當補水量進一步減少，運行在330t/h（基本在電廠負荷較低水平）此時轉速由5195r/min下降到3268r/min，水泵的負荷為23%，如果僅根據相似定律來進行計算，此時前置泵的壓力下降到36.3m，而此時給水泵的允許的汽蝕余量是隨著流量的減小而減小的，所需的水泵汽蝕余量為38m左右，此時處于水泵汽蝕的臨界狀態。

但實際水泵中的運行的工況點除了和水泵本身相關外，還和水泵所處的管路密切相關。從下圖中可以看出，當轉速由n1下降到n2時，在上述理論計算中，流量應由Q1下降到Q11，（揚程由H降為H1）但在實際運行中，汽包水位較高，整個管路中有較大的阻力，揚程只能由H降為H11’,相對于變轉速后的系統來說，管阻由R1增加到R2（幅度較?。?，流量應由Q1下降到Q11’。而對于前置泵來說，流量比與轉速比是一致的。變轉速后的流量由Q1下降到Q11，此時的Q11> Q11’。即是前置泵的流量在變轉速后的瞬時是超過給水泵的，這就會使得給水泵的進口處的壓力（前置泵的出口壓力，即揚程）要高于理論計算值36.3m，可滿足水泵必需汽蝕余量38m。

在變轉速過程中的給水泵流量及前置泵的揚程可描述為：

圖1 轉速特性圖

其物理原理是：只要前置泵的流量始終大于主泵流量，前置泵和主給水泵之間的管道中就不可能出現“脫流”現象，也就不可能產生汽蝕。至于壓力，在降速初期，由于主泵流量減少的更多些，所以壓力會比工頻運行時有所升高，以后隨著轉速的降低而降低?？傊?，只要前置泵的流量始終大于主給水泵流量，前置泵和主給水泵之間的管道中就不可能出現“脫流”現象，沒有產生嚴重汽蝕問題地的可能。理論研究和現場試驗都已經證明了這一點。以上分析對于單泵運行模式(200MW機組設計2臺100%的泵，1用1備)是科學合理的。

當給水泵調速運行時其允許的汽蝕裕量是隨著流量的減小而減小的，前置泵是允許調速運行的。其關鍵是2泵在同時調速運行時，哪一個的流量減小得更多些。如果主給水泵的流量比前置泵的流量減小得更快些的話，就基本不用擔心給水泵組在調速運行時主泵汽蝕的問題了。主給水泵由于靜揚程（汽包壓力）的存在，并且占到其額定揚程的比例還很大，所以在泵組調速運行時，主給水泵流量的減小與轉速的降低是不成比例的，而是流量比恒大于轉速比。而前置泵流量的減小基本上與轉速的一次方成正比，所以主給水泵流量的減小要比前置泵來得更快些，這樣就會使前置泵和主給水泵之間的管道中的壓力增加，最終當前置泵的流量降低到給水泵流量的數值時，前置泵出口壓力不再增加，泵組在調速運行時的汽蝕問題基本不會發生。

2.3給水泵汽蝕分析

對給水泵前置水泵不做任何處理的方案中，當電機的轉速處于較低水平的時候產生了汽蝕的問題，先對這一問題做一分析說明。

從目前公開的資料和現場反饋中發生汽蝕的改造基本上都發生在給水泵雙泵并列運行時(300MW及以上機組設計3臺50%的泵，2用1備情況)。由于并聯同時運行的主給水泵的總流量與前置泵的總流量相同，在運行時由于給水泵所在管道結構和阻力系數不同，會導致并列運行的兩臺主給水泵的流量并不相同，發生所謂的“搶水”現象。在高轉速運行時，總流量較大，兩給水泵中的流量差別比例不大，流量的差別不是很明顯；但當轉速降低到一定程度以后，總流量較小，其流量的差別將越來越明顯。那么主泵流量較大的那一臺泵所需的汽蝕余量就較大，會大于前置泵所提供的壓力，從而發生汽蝕。

可以采取的補救措施是：2臺泵不要以同一轉速運行，而是各自以出口流量作為過程變量閉環控制其轉速，使得兩臺泵的出口流量基本相同，以避免“搶水”現象的發生。即使是這樣，也只是在一定程度上（或一定的轉速范圍內）避免了汽蝕的發生，不能從根本上防止汽蝕。因為采用這種控制方式時，雖然可以控制出口流量基本一致（也是有一定難度的），但是原來在等速運行時流量較大的那一臺泵的轉速就會降低，導致前置泵的流量相應的下降，當2臺泵的轉速差別大到一定程度時，其前置泵的流量就會小于主泵流量，同樣會發生汽蝕。只是會比2臺泵等速運行時發生得稍遲而已。

三  給水泵的改造方案

3.1給水泵運行方式概況

一臺機組配置100%容量的電動給水泵2臺，1臺運行，1臺備用，通過液力耦合器調節給水泵轉速控制給水流量。給水泵運行方式為一用一備。鍋爐應用的液耦調速給水泵組包括給水泵、液耦工作油泵／潤滑油泵，由耦合器輸入軸同軸驅動，給水泵通過液力耦合器滑差調速，而工作油油泵／潤滑油油泵與給水泵電動機同步恒速轉動，見下圖。

圖2  液力耦合器調速給水泵系統示意圖

3.2給水泵設備技術參數

3.3給水泵改造選擇

給水泵的改造方案中主要問題集中在液力耦合器如何處理方面。主要有以下改造方案：

3.3.1完整保留液耦結構，勺管開度維持在最大值附近。

方案a：保留原有液耦不做任何改變，勺管開度維持在最大值附近，增加一臺變頻電機，此變頻電機單獨配在一臺給水泵電機上，另外一臺不作任何改變。使用時僅僅使用一臺變頻運行，故障狀態下再啟動另外一臺備用液耦調速的水泵。

方案b：保留原有液耦不做任何改變，勺管開度維持在最大值附近，增加一臺變頻電機，此變頻電機配在兩臺給水泵電機上，實現“一拖二”的運行方式。實際使用過程中在檢修的時候進行給水泵的切換，在正常運行中盡量避免操作，在故障狀態下同a中的方式運行。

3.3.2對現有液耦進行改造

a.將液力耦合器改造為增速箱。

b.將液力耦合器拆除，增加一新增速箱。

3.3.3   1a方案說明

圖3 1a單臺變頻運行，另一臺不做任何改變，備用

給水泵液力耦合器調速進行變頻改造后，仍保留液力耦合器的全部功能，給水泵正常工作時液力耦合器勺管固定開度在100％，利用給水泵電動機變頻控制對給水泵進行調速。改造一臺給水泵組的液力耦合器，液力耦合器的工作油泵和潤滑油泵與給水泵電動機脫離，液力耦合器箱體外部增配工作／潤滑油泵定速驅動電動機獨立工作。

3.3.4   1b方案說明

圖4 1b 耦合器變頻器對給水泵電機一拖二的調節

給水泵液力耦合器調速進行變頻改造后，仍保留液力耦合器的全部功能，給水泵正常工作時液力耦合器勺管固定開度在100％，利用給水泵電動機變頻控制對給水泵進行調速。改造兩臺給水泵組的液力耦合器，

利用開關組合，擬實現變頻器對給水泵電機“一拖二”的調節，電動機變頻／工頻采用手動切換，配手動旁路開關。給水泵工作方式為一臺運行一臺備用，變頻運行泵故障跳閘時，聯鎖啟動工頻備用泵。

3.3.5   2a方案說明

圖5 2a 液力耦合器改造成增速箱

兩臺給水泵組只對其中一臺進行變頻調速改造，另一臺仍保留原有液耦工頻調速方式，給水泵組長期正常運行方式為一臺變頻在運調速，利用給水泵電動機變頻控制進行調速。

變頻改造的給水泵新增一臺容量6300kVA/6kV的合康高壓變頻器。液力耦合器改造為增速箱，液力耦合器原本就是由增速齒輪組＋液力聯軸器組合而成，本方案根據耦合器內部零部件的結構，原封不動地保留原耦合器高速增速齒輪副及渦輪軸，并在高速軸間采用齒形聯軸器柔性連接。此方案中保持原耦合器大齒輪，去掉原來耦合器的泵輪、渦輪及渦輪套，原小齒輪軸與渦輪軸間采用專門設計的齒形聯軸器柔性連接。齒形聯軸器通過鼓形量的設計和側隙選擇，可以部分消除帶負荷運行時齒輪軸軸心線與渦輪軸軸心線不同心的影響，轉子需要進行高速動平衡實驗。

3.3.6   2b方案說明

圖6 2b 將液力耦合器更換為增速齒輪箱方案

此方案取消液力耦合器調節功能，兩臺給水泵只對其中一臺進行變頻改造作為運行泵，保留另外一臺液耦調速給水泵作為備用泵。

3.4方案比較與選擇

在上述的方案中，從電廠節能改造的角度上來考慮，在實現能量節約的前提下，運行的安全穩定性及可靠性始終是放在第一位的。通過以上四個方案的介紹，我們可以得出下面的分析結論：

方案1a，1b對原有系統的改造是最小的，將液力耦合器改造成多功能液力耦合器。所謂多功能液力耦合器就是在保留液力耦合器調速功能的基礎上增加液力耦合器的增速齒輪箱輸出功能。實現這一改造后，液力耦合器具備了兩種功能，一是工頻運行時的液力耦合器的調速功能(這是原來就有的）；二是變頻運行時（將勺管固定在最大轉速位置）的增速齒輪箱輸出功能（這是改造后新增的）。兩種功能可以通過勺管進行切換。雖然這是以減少3-5%的節電率為代價的，但這對于給水泵改造后的安全穩定性來說又是彌足珍貴的。

方案2a，2b中，一是將液力耦合器更換成增速齒輪箱，就是購買1臺增速齒輪箱，其造價高，工期長，可能還需要改造給水泵基礎等，改造工作量大，改造周期長。一是將液力耦合器改造成增速齒輪箱，不需要改造給水泵基礎，但是要由液力耦合器廠家進行改造，工作量大，改造周期長，且屬非標產品，運行穩定性很難保證。改造不具有可恢復性。另外在極端情況下（例如變頻器故障、另外一備用泵故障），給水泵的給水量就無法調節了，嚴重影響鍋爐系統的安全。

方案1a與1b的比較中，1b對兩臺液耦都進行了外接輔助油系統改造，每臺需增加兩臺油泵，看似增加了改造的工作量，但在實際的改造中，僅僅增加了兩臺小功率供油泵電機（箱體外部增配工作／潤滑油泵定速驅動電動機獨立工作），對原有的液耦結構不需做改動，增加的工作量和成本可忽略。

另外在系統的安全冗余考慮中，一用一備，輪換使用是保證系統安全、穩定且長期運行的保證。在1a，2a，2b方案中，都是將固定的一臺給水泵進行改造，在以后的運行中也是這一臺水泵長期運行（在設備的管理上是不科學的），這對于系統的使用壽命是不利的，安全冗余性能下降（一臺給水泵設備長期使用，由于短板理論，整個一用一備的系統壽命也縮短了）。

綜合以上的分析，決定在實際改造過程中選擇1b的改造方案，即增加一臺變頻器，對兩臺液耦外接輔助潤滑油系統進行改造，實現給水泵變頻器 “一拖二”運行模式，一運一備。

3.5給水泵液力耦合器改造難點說明

在選定的方案1b中，液力耦合器的主油泵是由電動機的軸直接驅動的，當電動機調速運行后，會出現油壓不夠的問題，會使液力耦合器不能正常工作。需要將主供油泵改為由定速電動機驅動來解決液力耦合器工作油壓穩定的問題，另外潤滑油泵也需做相應的處理。液力耦合器的工作油泵和潤滑油泵與給水泵電動機傳動機構脫離，液力耦合器箱體外部增配工作潤滑油泵定速驅動電動機獨立工作。保留液力耦合器內置輔助油泵，增加兩臺外置工作油、潤滑油泵，單獨配置定速電機。

3.6給水泵變頻器“一拖二”運行模式說明

由于給水泵工作過程中，需要保持鍋爐給水系統的穩定均勻性，給水系統設備龐雜，機組長時間持續運行過程中，難免出現需要切換運行的時候，給水泵變頻運行的切換就比較繁瑣，所以給水泵變頻器“一拖二”的運行方式在實際使用過程中受到了一定的限制，具體切換操作需采用“三倒兩切”方式，如下表。

這是兩臺給水泵共用一臺變頻器的“一拖二”切換過程，在機組運行中讓工頻備用泵轉換為變頻運行泵運行操作是比較繁瑣，所以不建議在機組運行中進行變頻泵的“一拖二”切換。但在機組相關檢修中可以進行變頻泵的切換，此時的切換就非常的簡單。檢修過程后的“一拖二”運行避免了某一臺水泵單一長期運行產生損壞造成直接的經濟損失和延宕檢修工期，大大提高了整個給水系統的使用壽命。

圖7   高壓給水泵電氣接線原理圖  

4  給水泵改造前后的對比分析

4.1改造前的理論計算

工頻調節：電機全速，通過液耦調節水泵轉速實現生產工藝調節；

變頻調節：通過調節頻率改變電機轉速實現生產工藝調節。

以330T/H(100MW)運行時間為70%，563T/H(180MW)為30%運行時間計算，年運行時間為6000h的發電量：100MW×6000h×70%+180 MW×6000h×30%=7.44億度。年節約電費=770×4200h×0.225元/kwh+443×1800h×0.225元/kwh=90.71萬元。 

4.2改造后的實際效益

給水泵綜合節能改造后，從連續運行日的發電情況和給水泵耗電量對比發現，改造后較改造前給水泵日耗電平均節約2.4萬千瓦時左右，則年節約電費=2.4萬kwh/24h×6000h×0.225元/kwh=135萬元。

考慮到新疆電力市場供大于求的特殊性，如機組年運行小時安5000h計算，則年節約電費=2.4萬kwh/24h×5000h×0.225元/kwh=112.5萬元。

4.3 改造前后經濟性對比

圖8  給水泵改造前后日耗電量對比圖

圖9 機組日發電量與日節電率的關系圖

給水泵改造后呈現的節電特點：在機組額定負荷50%-100%之間運行時，機組負荷越低，節電量越多，當機組滿負荷運行時，給水泵日節電量仍能達到2萬千瓦時。

4.4投資回報經濟性評價

給水泵綜合節能改造項目整套系統投入費用487萬元（分期5年定額支付），回收投資年限（按年運行5000小時計算）為487/112.5=4.33年。

通過改造后的運行工況分析、測試的數據及結果分析可知，高壓變頻器在技術經濟等方面都是優越的、先進的，替換液力耦合器后投資回報期在4.5年左右。它和液力耦合器相比，不僅技術先進，而且經濟合理，應用范圍廣泛，尤其在電廠給水泵的改造中取得了成功的經驗。變頻技術替代液力耦合器裝置理論可行變為現實，技術上先進，運行上安全可靠，節能成效顯著，經濟效益可觀。

五、給水泵綜合改造項目節能評估

5.1節電量可觀

變頻器節能主要表現在變頻節能、功率因數補償節能和軟啟動節能，在此次給水泵的綜合節能改造投入運行后表現突出。對比給水泵改造前后的運行工況，在機組的不同負荷階段節電效果不同，但給水泵改造后的平均節電率均在30%左右，日節電量平均大于2.4萬千瓦，從節電率趨勢圖可以看出，機組低負荷階段運行時，節電率越大，此節點特性非常符合目前新疆電力過剩、火電機組長期低負荷運行工況的特點，節電效果顯著。

5.2對廠用電網及設備有較好的保護作用

電廠給水泵，功率大、電壓等級高，大型電機采用硬啟動的方式會對電網造成嚴重的沖擊，對電網容量要求較高，啟動時產生的大電流和震動對電機及機械設備的損害也較大，極大地降低了設備、管路的使用壽命。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不至于超過額定電流，減輕了對電網的沖擊，電機和機械設備的使用壽命相應地得到了延長。

5.3可大幅提高精度

電機變頻改造控制的核心就是采用計算機數字控制取代模擬控制、交流調速取代直流調速，這種控制方式的調整，不僅可以節約電能，實現電機的軟啟動，同時可以從本質上提高運轉精度、完善生產工藝流程、改善運行環境。

變頻調速以其高效率、高功率因數、以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速手段。變頻調速用于電廠交流電動機是現代電動機調速應用最廣、效果最好的調速方式之一，也是目前電動機調速的主流方法之一。

六、結論

阿克蘇熱電公司此次對#2機組給水泵所采用的北京合康新能科技股份有限公司針對給水泵現場配置設計的變頻器“一拖二”模式、對兩臺給水泵液耦潤滑油系統進行外接輔助潤滑油系統進行的綜合改造項目，采用的方法科學合理，特別是在改造前充分對給水泵的前置泵進行專業論證，避免了給水泵汽蝕的擔憂。另外，對液力耦合器的改造選擇了外接輔助潤滑油系統，將勺管全開保留液耦功能，安全可靠，操作簡便。

針對目前電廠給水泵輔助液力耦合器運行中效率較低導致廠用電較高的情況，從給水泵液力耦合器、液耦潤滑油系統出發，分別研究各個環節中對水泵系統效率影響的因素及參數，給出水泵及潤滑油系統改造方案、調速方案，形成電廠水泵節能的完整技術體系，最終使電廠給水泵效率、裝置及系統效率達到最優值。

該改造方案實施后，節電效果超過預期，該廠綜合廠用電率降低0.41%,節能效益可觀。

作者簡介：

譚元鴻（1970-），男，工程師，徐礦集團新疆阿克蘇熱電公司給水泵綜合節能改造項目課題負責人，從事電廠生產技術管理、節能減排、指標管控等方面工作。

張建宇（1965-），男，工程師，從事電廠安全生產管理、技術節能改造等方面工作。

劉 源（1971-），男，工程師，協助從事電廠安全生產管理、技術節能改造等方面工作。