大板電廠600MW空冷機組二期電動給水泵變頻增容改造的應用

摘要：大板電廠為國家電力投資集團下屬主力發電廠，裝機容量為2*600MW，其中給水泵配置為3*35%，長期困擾電廠的有兩個問題，一是給水泵運行的安全性問題，400MW發電量以上運必須運行3臺給水泵，沒有備用泵，幾組的運行安全隱患很大。二是電動給水泵一直居高不下的耗電量。鑒于以上情況，電廠從2017年開始進行了針對機組的A、C電動給水泵的增容及變頻改造，B泵保留備用，現進過兩年的時間，2個機組均已改造完畢，節能降耗的同時大大增加了機組的運行安全性。該廠1號機組與2號機組的電動給水泵增容及變頻改造均由我公司來實施，變頻器采用意大利原裝進口的尼德科-安薩純水冷變頻器，給水泵更換為凱士比泵，電機更換為上海電機，齒輪箱采用福伊特定制齒輪箱，集結了行業內頂尖產品，并且均一次性調試并投產成功，為本公司在電動給水泵改造領域的領軍地位奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：600MW機組   純水冷變頻器   給水泵增容改造

一、項目簡介

大板發電公司由東北電力設計院負責總體規劃設計，大板發電公司總裝機2×600MW亞臨界燃煤直接空冷機組，2010年開工建設，2013年1月和2013年3月#1、#2機組分別一次性通過168小時試運行并投產發電。鍋爐、汽輪機、發電機三大主機分別由北京巴威有限公司、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司、哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。為了滿足國家發改委、環保部及國家能源局聯合印發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》要求：到2020年，現役60萬千瓦及以上空冷機組改造后平均供電煤耗低于310g/kWh。準備采用兩臺50%容量的電動給水泵對2號機組進行2A和2C給水泵進行增容改造（即改造后3臺給水泵為2臺50%加上保留1臺35%容量給水泵），給水泵增容改造后的布置方式與原來改造前給水泵布置方式一致。2臺給水泵增容后進行相應的變頻器改造，以降低機組廠用電率，提高機組運行經濟性，達到節能目的

1、給水泵組系統概述

大板發電公司原來每臺機組配置3臺35%BMCR容量的電動調速給水泵組,均布置在汽機房零米，每臺機組的電動給水泵為縱向順列布置。電動給水泵電動機、液力耦合器及給水泵與前置泵連體布置。電動機同軸驅動給水泵和前置泵，給水泵的流量調節由液力耦合器調速實現。機組負荷高于460MW時，運行時三臺給水泵全部運行，無備用；機組負荷低于460MW時，兩臺給水泵運行，1臺備用。改造前2號機組廠用電率為8.3%，其中給水泵耗電率2.7%，占廠用電率約1/3。

二、改造方案詳述

2.1 配套變頻器選型方案

2.1.1 變頻器功率選型計算書

1）P=(P1+P2+P3)/η

P=水泵啟動時的瞬時功率

P1=水泵在對應轉速下的瞬時功率=Pn×（n1/N）3

P2=克服相應轉速下的阻力距的功率=[Tjn×（n1/N）2×N] /9550

P3=克服轉動慣量的功率=[Tz（給水泵）+Tz（水流載體）+Tz（增速齒輪箱）+ Tz（給水泵電機）]×N/9550

（泵組的轉動慣量為給水泵、水流載體、增速齒輪箱、給水泵電機的轉動慣量的疊加值）

η=機械效率=0.97

Tz= 水泵、流體加電機的轉動慣量= J×dωn1/dt

Tjn=Pjn/ωn

ωn=（2×π×N/60）×f/50

J=轉動慣量=GD2  單位KGm2

n1=（f1×N）/fN

π=3.14

N=額定轉速

f1=運行頻率

t=加速時間

Pjn=水泵軸功率

2）電機啟動時間與瞬時功率的關系（在不同的運行頻率下）

為了滿足給水泵搶水試驗的15秒時間，給水泵從0-5（全速）需要的瞬時功率P=9070KW。

3）電機選型：

滿足最低30秒搶水時間

P主泵（瞬間）=8279KW 新增齒輪箱效率98.5%，新增齒輪箱輸入功率（瞬間）8405KW。

新增前置泵P前置泵=620KW

P電動機輸出有用功=9025KW

η電動機=0.97

P電動機配型最小輸出功率=P/η=9304KW，考慮電機容量需放大1.1倍，即10234KW，通過查找電機型號表，我方選型投標方案電動機選型為11200KW。

η=0.975

4）變頻器選型

考慮變頻容量需放大1.1倍，即12320KW，所以變頻器選型為12500KW(15600KVA)。

2.1.2 變頻器選型方案

2.1.2.1 變頻器一次回路方案選擇

A泵、C泵增加一套變頻器及輸入隔離柜， A泵、C泵主回路只可采用變頻驅動。B泵不做更改。當變頻故障后直接啟動熱備狀態的B泵，B泵不能做變頻運行。

2.1.2.2 變頻器室低壓配電方案

廠用電現使用情況說明

變頻器室配置一套雙電源柜，柜內安裝備投開關，雙路電源供電，如有一路電源出現問題，可實現毫秒級切換。雙電源切換柜總功率不超過150KW（187.5KVA），電流約為350A。

2.1.2.3 給水泵電機變頻改造后差動保護方案選擇

變頻運行狀態下，原來的差動CT因電機電源頻率變化會導致差動保護失效，所以建議更改差動保護裝置及差動保護CT。

原來差動保護方式：

更改為：

1）替換A、C泵電機中性點側的差動保護CT（原電機進口側CT二次側短接），更改為寬頻

CT（5-50HZ），變頻器旁路柜出線位置配置寬頻CT。

2）同時將高壓柜差動保護裝置更換為變頻差動保護裝置。

2..1.2.4 變頻器選型參數

2.2 安裝技術方案

2.2.1 方案總描述

1）給水泵增容改造：

將原來的三臺35%BMCR給水泵將其中A、C泵更換為50%BMCR，另一臺35%BMCR的B泵作為備用。運行方式也將原來額定工況下三臺全部運行方式更改為兩運一備的方式。

2）前置泵增容改造：

根據給水泵的參數配置前置泵，主電機同軸驅動，同時滿足全工況下的給水泵最小汽蝕要求。

3）液偶更換為增速齒輪箱：

用相同傳動容量、相同轉速比的增速齒輪箱代替液偶。

4）電動機增容改造:

依據增容后的給水泵與前置泵的容量配置電動機的容量。

5）潤滑系統改造：

配置稀油站能同時滿足給水泵、前置泵、主電動機和齒輪箱本身的潤滑油供給。

6）配套系統改造說明：

• 配套的起吊設備更換方案

改造后的系統原理圖：

改造后的擺放圖如下：

增容后，需重新核算起吊重量

• 給水泵改造方案

主給水泵CHTC6/5增容后技術數據見下表：

給水泵在變速情況下的性能曲線

• 前置泵改造方案

前置泵運行方式為與主泵同軸運行，因主給水泵增容，前置泵也進行增容更換。

更換后的前置泵YNKN3000/670技術數據見下表：

前置泵同軸運行安全性、可靠性分析

1）技術方面

根據現場條件和給水泵組的參數，此項目KSB的前置泵型號為YNKN300/670，其在最大工況點1282m3/h，對應的揚程為172m，NPSHR為5.6m，而在此工況下，給水泵的NPSHR僅為44m，前置泵的揚程原大于給水泵的必需汽蝕余量。另外經我方初步計算，在給水泵組30%THA負荷的時候，給水泵的轉速大概為2700rpm，對應的必需汽蝕余量大概為10m，前置泵的轉速大概為830rpm，而此時前置泵的揚程仍有55m左右，遠大于給水泵的必需汽蝕余量。因此在給水泵組變頻運行的情況下前置泵均能保證給水泵不發生汽蝕。同時前置泵入口的有效裝置汽蝕余量大概為10m左右（已經考慮管道損失和濾網損失），在此條件下，完全能夠保證前置泵不發生汽蝕。最后此型號前置泵目前廣泛用于國內外各大電廠，其穩定性和可靠性已經得到驗證。綜上，應用于此項目的KSB前置泵完全能夠滿足運行要求，且安全可靠。

2）關于 “脫流”現象的解釋

在變轉速過程中的給水泵流量及前置泵的揚程可描述為：

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。以上分析對于雙泵運行模式是科學合理的。

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。其關鍵是兩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。

結論：在前置泵的改造方案中，我們建議與主電機聯動運行，從理論分析中可知，給水泵系統在變速改造后，前置泵保證一定的最低轉速，發生汽蝕的可能性非常小。為保證不發生汽蝕，建議在50%-60%額定轉速（即850rpm以上）以上運行。另外主給水泵配有再循環管路，再循環管可防止水泵在剛啟動或極低負荷運行時，出現水溫升高而汽化的現象（打開再循環管，將一部分水返回除氧器水箱，以保證有一定的水量（一般約為額定流量的30%）通過水泵，而不致使泵內水溫升高而汽化）。

 3）補充給水泵變頻改造后并泵過程中的安全性分析及運行過程中的泵組相互備用的分析；

雖然給水泵進行了變頻改造，但對于給水泵運行方式來講，還是調速運行，此形式與改造前完全一致，故給水泵在改造后的并泵和相互備用的使用與改造前完全相同。另外，根據上面論述，給水泵在允許使用范圍內運行時，均不會發生汽蝕，同時給水泵能完全滿足各工況的運行要求。所以改造后給水泵在并泵和相關備用時的安全性完全可以保障。

• 液偶替換為齒輪箱方案

齒輪箱參數表

• 電機增容更改方案

電機增容后的參數

• 潤滑系統改造方案

拆除液偶后，新增齒輪箱，然后同時新增一套稀油站，負責給水泵、電機、前置泵等設備的轉動部位的潤滑。稀油站新配一用一備兩個板式換熱器，可在線更換或維修。

油系統改造示意圖

三、鍋爐給水電泵系統改造后整個系統可靠性分析

原鍋爐給水泵系統由三臺35%MCR電泵機組組成，投運方式為：40-80%以下負荷時投運其中兩臺電泵，如果一臺電泵故障退出，啟動第三臺電泵搶水；機組負荷大于80%時投運3臺電泵，如果其中一臺故障退出，則機組降負荷運行。

電泵系統增容改造后，系統由2臺50%MCR電泵機組和1臺35%MCR電泵機組組成。實際上新增兩臺50%MCR泵組可滿足最大出力60%鍋爐給水，35%MCR可滿足最大出力40%鍋爐給水（見投標文件中主泵和前置泵相關參數），投運方式可調整為50%以下負荷時投運其中一臺50%MCR電泵，如果該電泵故障退出，啟動另一臺50%MCR電泵搶水；機組負荷大于60%時投運2臺電泵，如果其中一臺故障退出，啟動35%MCR備用泵組，無需機組降負荷運行；機組負荷低于40%時，可單獨投運35%MCR電泵給水。

事實上改造后任意兩臺電泵同時投運均能滿足機組100%負荷鍋爐給水，另一臺作為備用泵隨時可投入運行，大大增加了機組安全性和經濟性。