時間:2011-12-12 11:24:51來源:gengwt
1、概述
大唐雙鴨山熱電有限公司,位于黑龍江省雙鴨山市東部經(jīng)濟開發(fā)區(qū),在雙鴨山東環(huán)高速內(nèi)側(cè),距市中心4公里。電廠裝有2×200MW汽輪發(fā)電機組。每臺機組設(shè)置兩臺100%容量的電動給水泵,一臺運行一臺備用。電動機額定電壓為6kV,電動機(5500kW、595A、1493r/min)通過調(diào)速型液力偶合器(YOT51、5100kW、5090r/min)驅(qū)動給水泵(200TSBBⅡ-J)。兩臺機組先后于2006年投產(chǎn)。給水泵耗電量,是電廠主要輔機耗電量之最。2010年1、2號機組給水泵年平均耗電量占發(fā)電量的2.5%,占生產(chǎn)廠用電率的近33%。給水泵做為生產(chǎn)過程的主要輔機,其耗電量是最大的。直接影響供電煤耗,影響發(fā)電成本,影響能源消耗。因此對電動給水泵的調(diào)速方式進行優(yōu)化和改造,是十分必要的。為貫徹落實國家和集團公司的節(jié)能要求,為降低電動給水泵的年耗電量,降低給水泵的年運行費用,降低供電煤耗,大唐黑龍江發(fā)電有限公司,大唐雙鴨山熱電有限公司,大唐黑龍江節(jié)能服務(wù)有限公司,選擇了變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵(專利號:ZL201020640252.8)改造方案。
2、液力偶合器調(diào)速與變頻器調(diào)速效率比較
2.1、液力偶合器調(diào)速
液力偶合器是以液體為工作介質(zhì),利用液體動能的變化來傳遞能量的傳動機械。200MW汽輪機組給水泵配套的液力偶合器,多為增速型液力偶合器,所謂增速型液力偶合器是增速齒輪組與液力偶合器的有機結(jié)合。增速齒輪組起增速作用,以滿足給水泵額定工況時的轉(zhuǎn)速需要,液力偶合器起調(diào)速作用,以滿足變工況運行的需要。
對于液力偶合器這樣一個封閉系統(tǒng),作用于其上的外力矩
∑M=0
MB+MT=0
亦即MB=﹣MT
式中;MB、MT為泵輪、渦輪作用于封閉系統(tǒng)的力矩。
圖1-1液力偶合器外特性
η=0;處于相對靜止狀態(tài),此時能量的傳遞也就終止M=M=0。實際運行中,由于存在著摩擦力矩,i接近1時偶合器傳遞的力矩很小,而機械摩擦力矩所占的比重急劇增大,因此在轉(zhuǎn)速比i接近1時的效率特性明顯偏離η=i直線,并在i=0.99~0.995時急劇下降至η=0。所以偶合器正常工作時渦輪轉(zhuǎn)速必然低于泵輪轉(zhuǎn)速,即液力偶合器正常工作時總是存在滑差的?;钜赞D(zhuǎn)差率S表示,轉(zhuǎn)差率是泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速差與泵輪轉(zhuǎn)速之比,即:
通過對液力偶合器外特性的分析,可以得出如下結(jié)論:即液力偶合器不輪在任何工況下,泵輪和渦輪的液力力矩始終大小相等方向相反,液力效率η始終等于轉(zhuǎn)速比i。
200MW汽輪機組給水泵配套的液力偶合器的額定轉(zhuǎn)速,都是和給水泵的額定出力相配套的。就液力偶合器本身而言,應(yīng)該長期處于高轉(zhuǎn)速比下工作,才能獲得最佳經(jīng)濟效益。但設(shè)計上給水泵的最大出力為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%,是高于機組的額定出力需要的,正常運行中200MW機組由于負荷分配和調(diào)峰等因素影響,經(jīng)常偏離額定負荷運行,年平均負荷率一般在65%-75%左右。
運行中的給水泵的工作點,是遠離最佳工作點的,隨著負荷率的降低,液力偶合器的效率明顯降低,負荷率75%時,液力偶合器效率為73%,負荷率70%時,液力偶合器效率為68%,負荷率65%時,液力偶合器效率為63%,分別與最高效率點相差24%、29%、34%??梢?,液力偶合器調(diào)速方式,在偏離額定工況時,由于液力偶合器轉(zhuǎn)速比隨負荷率相應(yīng)變化,所造成的效率降低,而引起的能耗增加是很可觀的。
2.2、變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是通過改變電源頻率和電壓,直接改變異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)速。變頻調(diào)速的最大優(yōu)點,一是節(jié)電、二是調(diào)節(jié)精度高,這是因為變頻器效率在40%負荷率以上不同轉(zhuǎn)速下,均在93%-96%以上。詳見變頻調(diào)速用干式變壓器效率曲線、變頻器效率曲線和變頻器含干式變的效率曲線。
通過上述曲線,可以看出,變頻調(diào)速用干式變壓器效率(功率因數(shù)0.96為準)和變頻器效率的綜合效率平均(在負荷40%-100%之間)為93%-96%
2.3、變頻調(diào)速效率與液力偶合器調(diào)速效率比較
如下圖所示,在不同負荷率下,變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速效率的差別是很大的。
在不同負荷率下,變頻調(diào)速型液力偶合器調(diào)速效率與液力偶合器調(diào)速效率比較列表如下:
負荷率% |
變頻器效率 % |
變頻調(diào)速型偶合器% |
液偶器效率% |
效率差% |
90 |
96 |
93 |
87 |
6 |
80 |
96 |
93 |
78 |
15 |
70 |
96 |
93 |
68 |
25 |
60 |
95 |
92 |
58 |
34 |
50 |
94 |
91 |
49 |
42 |
通過上述比較;可明顯看出,變頻調(diào)速型液力偶合器效率(100%負荷除外)比液力偶合器調(diào)速效率高出很多,有著顯著的節(jié)能潛力。用變頻調(diào)速型液力偶合器調(diào)速替換液力偶合器調(diào)速,可以有效解決液力偶合器低轉(zhuǎn)速比時效率低能耗高的問題,能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目標。
3、變頻調(diào)速型液力偶合器
200MW機組給水泵配套液力偶合器,均為增速型液力偶合器。主要由兩部分組成,一是增速齒輪,這一部分的作用是把電動機的額定轉(zhuǎn)速升高至給水泵額定工況的運行轉(zhuǎn)速;二是泵輪、渦輪和循環(huán)油系統(tǒng),其作用是通過勺管調(diào)節(jié)循環(huán)油,改變偶合器內(nèi)部的充油量,從而調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)數(shù),實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。這是偶合器的工作原理和調(diào)速方式。
電動機通過液力偶合器驅(qū)動的給水泵,是不能直接改為變頻調(diào)速的。給水泵進行變頻改造的關(guān)鍵是如何改造液力偶合器,以滿足輸入軸變速運行時,輸出軸能夠按增速齒輪箱功能變速輸出。傳統(tǒng)改造方案有:將液力偶合器更換成增速齒輪箱;將液力偶合器改造成增速齒輪箱。更換成增速齒輪箱就是購買一臺增速齒輪箱,其造價高,工期長,需要改造給水泵基礎(chǔ)等,很難實現(xiàn);將液力偶合器改造成增速齒輪箱,需要進行設(shè)計制造,周期長,費用高,且屬非標產(chǎn)品,運行穩(wěn)定性很難保證。通過技術(shù)經(jīng)濟比較,上述換成增速齒輪箱方案和改造成增速齒輪箱方案,造價高、供貨周期長,且增速齒輪箱方案只能實現(xiàn)變頻一拖一方式,是有缺憾的,是不適應(yīng)現(xiàn)場需要的。將液力偶合器改造成變頻調(diào)速型液力偶合器,即改造成多功能液力偶合器。所謂多功能液力偶合器,就是在保留液力偶合器調(diào)速功能的基礎(chǔ)上,增加液力偶合器的增速齒輪箱輸出功能(這是長春時代機電新技術(shù)有限公司的發(fā)明專利。專利號:201020640252.8)。實現(xiàn)這一改造后,液力偶合器具有了兩種功能,一是工頻運行時的液力偶合器的調(diào)速功能(這是原來就有的);二是變頻運行時的增速齒輪箱輸出功能(這是改造后新增的)。兩種功能可以進行切換。將兩臺液力偶合器都改成多功能液力偶合器,配備一臺高壓變頻器,四臺斷路器,就可以實現(xiàn)200MW汽輪機組給水泵變頻一拖二改造了。
4、給水泵變頻一拖二解決方案
4.1、給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線
給水泵變頻一拖二方案的電氣一次接線如下圖。虛線框內(nèi)設(shè)備,為實現(xiàn)給水泵變頻一拖二方案增加的設(shè)備。
方案說明:
這一方案的運行方式是靈活的,每臺泵都可以變頻運行,每臺泵都可以工頻運行,正常運行方式為一臺泵變頻運行,另一臺泵工頻備用。其切換方式是:每臺泵都可以由變頻運行切換到工頻運行,然后以變頻器啟動備用泵后,停止工頻泵。變頻運行泵故障跳閘時,連鎖啟動工頻備用泵。
4.2、實現(xiàn)一拖二切換的技術(shù)措施
4.2.1互鎖技術(shù)措施
QF3、QF4、QF5、QF6為小車式真空斷路器,QF3與QF4互鎖,即QF3與QF4只允許其中一個閉合,QF5與QF6互鎖,即QF5與QF6只允許其中一個閉合。同時QF1與QF5互鎖,QF2與QF6互鎖。即QF1與QF5只允許其中一個閉合,QF2與QF6只允許其中一個閉合。
4.2.2如何實現(xiàn)互鎖
斷路器之間的互鎖,是通過變頻器控制柜內(nèi)的可編程控制器(PLC)實現(xiàn)的。每一個斷路器的分合閘,都是按變頻切換工頻和變頻一拖二切換的相應(yīng)程序控制的。切換時間可以完全滿足現(xiàn)場需要,可在現(xiàn)場調(diào)試時設(shè)定。此外,斷路器之間的互鎖還要通過各個斷路器之間的電氣硬接線來實現(xiàn)。以確保各個斷路器之間的分合閘的準確、安全、可靠。
4.2.3控制與切換
多功能液力偶合器工、變頻運行方式的切換、每臺給水泵的工頻啟停、變頻啟停、變頻切工頻和兩臺泵間變頻切換,變頻調(diào)速泵運行與液力偶合器調(diào)速泵運行的給水自動控制與切換均由DCS組態(tài)實現(xiàn)。
4.3、變頻器的選配與通風
4.3.1大唐雙鴨山熱電有限公司給水泵組參數(shù)
(1)給水泵電動機參數(shù)
型號 |
YKS800-4 |
額定轉(zhuǎn)速 |
1493r/min |
額定功率 |
5500kw |
功率因數(shù) |
0.915 |
額定電壓 |
6kv |
冷卻方式 |
空-水冷 |
額定電流 |
595A |
空載電流 |
|
?。?)給水泵參數(shù)
形式 |
|
揚程 |
1900m |
型號 |
200TSBII-J |
進口流量 |
710t/h |
軸功率 |
4450kw |
出口壓力 |
17.61MPa |
額定轉(zhuǎn)速 |
5000r/min |
最低輸入壓力 |
16.82r/min |
汽蝕余量 |
6m |
生產(chǎn)廠家 |
鄭州電力機械廠 |
4.3.2變頻器的選配
根據(jù)給水泵軸功率,給水泵電動機的參數(shù),結(jié)合大唐雙鴨山熱電有限公司現(xiàn)場給水泵實際運行情況,選配東方日立(成都)電控設(shè)備有限公司進口成套的日本日立公司變頻器,其主要技術(shù)參數(shù)如下表:
DHVECTOL-HI05500/06高壓變頻器。
序號 |
內(nèi)容 |
參數(shù) |
1 |
型號 |
DHVECTOL-HI05500/06 |
2 |
安裝地點 |
室內(nèi) |
3 |
整流形式 |
IGBT PWM |
4 |
控制方式 |
魯棒型無速度傳感器矢量控制 |
5 |
額定容量 |
5500KVA |
6 |
額定輸入電壓/允許變化范圍 |
6KV±10% |
7 |
額定輸入頻率/允許變化范圍 |
0~50Hz |
8 |
輸出電壓 |
0~6kV |
9 |
輸出電流 |
530A |
10 |
輸出頻率 |
0~50Hz |
11 |
輸出頻率精度 |
0.01Hz |
12 |
輸出頻率分辨率 |
0.01Hz |
13 |
系統(tǒng)加速時間 |
1~3000秒可調(diào) |
14 |
功率因數(shù) |
>0.96 |
15 |
效率 |
>96% |
16 |
過載能力 |
125% 60秒 |
17 |
變頻器瞬時停電再啟動功能 |
0-4秒(可調(diào)) |
18 |
變頻器工變互切功能 |
有 |
19 |
飛車啟動功能 |
有 |
20 |
控制電源 |
380V/50Hz/5KVA;380V/50Hz/30KVA |
4.3.3、變頻器通風散熱
為確保變頻器可靠運行,采用空水冷通風散熱方式,空水冷布置如圖所示:
從變頻器出來的熱風,經(jīng)過通風管道排放到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中,散熱器中通過溫度低于33℃的冷水,熱風經(jīng)過散熱片后,將熱量傳遞給冷水,變成冷風從散熱片吹出,熱量被循環(huán)冷卻水帶走,從而保證變頻器控制室內(nèi)的環(huán)境溫度不高于40℃。安裝空冷器要求必須在密閉環(huán)境中。流入空冷器的水為循環(huán)水,為保護設(shè)備,要求循環(huán)水的PH值為中性,且無腐蝕損壞銅鐵的雜質(zhì),進水的水壓一般為0.25~0.3Mpa,進水溫度≤33℃。
5、節(jié)電效果
大唐雙鴨山熱電有限公司,一號汽輪機組變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵改造工程于2011年9月18日開工10月7日正式投運,節(jié)電效果明顯,改造成功。我們對改造前后不同負荷工況下,給水泵的運行參數(shù)和改造后兩臺機組相同負荷工況下,變頻調(diào)速給水泵和偶合器調(diào)速給水泵耗電量進行了測試,其結(jié)果如附表:
1號機組改前不同負荷工況下主要運行參數(shù)
序號 |
負荷(MW) |
負荷率% |
給水泵電機電流(A) |
給水母管水壓(MPa) |
主蒸汽流量 (t/h) |
給水流量(t/h) |
1 |
200 |
100 |
454 |
15 |
566 |
660 |
2 |
180 |
90 |
421 |
14.9 |
504 |
571 |
3 |
160 |
80 |
388 |
14.4 |
438 |
510 |
4 |
140 |
70 |
362 |
14.3 |
391 |
443 |
5 |
120 |
60 |
310 |
12.6 |
329 |
380 |
1號機組改后不同負荷工況下主要運行參數(shù)
序號 |
負荷(MW) |
負荷率% |
給水泵電機電流(A) |
給水母管水壓(MPa) |
主蒸汽流量 (t/h) |
給水流量(t/h) |
1 |
180 |
90 |
304 |
14.8 |
514 |
610 |
2 |
170 |
85 |
294 |
14.7 |
468 |
507 |
3 |
160 |
80 |
285 |
14.6 |
450 |
469.3 |
4 |
150 |
75 |
273 |
14.5 |
423 |
450.2 |
5 |
140 |
70 |
261 |
14.4 |
402 |
428 |
通過改前改后機組運行參數(shù)比較,相同負荷下電流下降比較明顯,平均下降107A,平均電流下降率為27.41%!
1號機2號給水泵變頻改造后節(jié)電效果
為測試變頻改造后節(jié)電率,兩臺機組帶同樣負荷進行了變頻調(diào)速泵與液力偶合器調(diào)速泵耗電量對比試驗,試驗結(jié)果如下表
|
1號機2號變頻調(diào)速電動給水泵 |
2號機2號液力偶合器調(diào)速電動給水泵 |
發(fā)電量 |
365(萬千瓦時) |
366(萬千瓦時) |
運行方式 |
變頻 |
工頻 |
耗電量 |
63609(千瓦時) |
80582(千瓦時) |
1號機2號給水泵日節(jié)電量 |
16973(千瓦時) |
|
1號機2號給水泵每小時節(jié)電量 |
707.20(千瓦時) |
|
1號機2號給水泵節(jié)電率 |
21% |
由上表可以看出在年平均負荷率76%的運行工況下,給水泵變頻調(diào)速運行,年可節(jié)電5304063千瓦時,其節(jié)電率為:21%。年節(jié)電5304063千瓦時,就等于增加上網(wǎng)電量5304063千瓦時,可增加產(chǎn)值202萬元/年(平均上網(wǎng)電價為0.38元/千瓦時),可折合成標準煤1664噸/年(供電煤耗為313.7克/千瓦時)。
6、結(jié)論
通過大唐雙鴨山熱電有限公司,一號汽輪機組變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵的變頻一拖二改造實踐,證明變頻調(diào)速型液力偶合器,即多功能液力偶合器是實現(xiàn)變頻一拖二改造的核心技術(shù)。液力偶合器不動,將偶合器改造成多功能偶合器,進而實現(xiàn)變頻一拖二給水泵解決方案,在國內(nèi)外均屬首例,屬科技創(chuàng)新,是200MW汽輪發(fā)電機組給水泵變頻改造的最佳方案。運行實踐證明節(jié)電是明顯的,效益是可觀的。
這一解決方案也可以應(yīng)用到300MW和600MW空冷汽輪機組的液力偶合器調(diào)速的電動給水泵改造中,其節(jié)電效果將更加明顯,效益將更加可觀。
聯(lián)系人:張文海長春時代機電新技術(shù)有限公司總經(jīng)理教授級高級工程師專門從事高壓變頻器在發(fā)電廠的應(yīng)用研究。變頻調(diào)速型液力偶合器電動給水泵專利發(fā)明人、專利權(quán)人。
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